DE4121245A1 - Frequenzselektive oberflaechenstruktur - Google Patents
Frequenzselektive oberflaechenstrukturInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine frequenzselektive Ober
flächenstruktur nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Für frequenzselektive Oberflächenstrukturen, die zur Filte
rung von elektromagnetischen Wellen eine total reflektieren
de, von Schlitzelementen in einem sich wiederholenden Muster
durchsetzte Oberfläche aufweisen, sind aus dem Stand der
Technik Schlitzkonfigurationen in zahlreichen Ausführungs
formen bekannt, angefangen von einfachen Längs- oder Quer
schlitzen (US-PS 43 14 255) über Jerusalem-Kreuzschlitze und
H-förmige Schlitzelemente (DE-OS 37 26 309) bis hin zu geo
metrisch komplexen tri- oder mehrpolaren Schlitzelementen
(US-PS 39 75 738 und US-PS 41 26 866). Keines der bekannten
Schlitzelemente genügt jedoch uneingeschränkt der Forderung
nach qualitativ hochwertigen Bandpaßeigenschaften, sei es,
daß die sich ergebende Oberflächenstruktur ein zu breitban
diges Filterverhalten oder zu hohe Transmissionsverluste
aufweist und/oder daß die Resonanzfrequenz stark einfallwin
kel- oder polarisationsabhängig ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine mit einem Schlitzmuster
versehene frequenzselektive Oberflächenstruktur zu schaffen,
bei der sich ein von dem Einfallwinkel und der Polarisation
weitgehend unabhängiges, schmalbandiges Filterverhalten mit
geringen Transmissionsverlusten erzielen läßt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentan
spruch 1 gekennzeichnete Oberflächenstruktur gelöst.
Erfindungsgemäß ist es durch die besondere geometrische Ge
staltung einer H-förmigen Schlitzstruktur überraschenderwei
se gelungen, den gegenseitigen Mittenabstand der Schlitzele
mente und damit die Transmissionsverluste und die Abhängig
keit vom Einfallwinkel sehr klein zu halten, ohne daß dies
störende Verkoppelungseffekte zwischen den einzelnen Schlitz
elementen zur Folge hat, die das schmalbandige Resonanzver
halten der Oberflächenstruktur negativ beeinflussen, mit dem
zusätzlichen Effekt, daß sich die Schlitzelemente infolge ih
rer orthogonalsymmetrischen, in X- und Y-Richtung im wesent
lichen gleich langen Flächengeometrie ohne weiteres zum Zwec
ke polarisationsunabhängiger Bandpaßeigenschaften in einem in
der H- und der E-Ebene identischen Schlitzmuster anordnen
lassen.
Wie gemäß Anspruch 2 bevorzugt, wird das polarisationsunab
hängige Filterverhalten dadurch erreicht, daß benachbarte
Schlitzelemente jeweils um 90° verdreht zueinander angeordnet
sind.
Um den Transmissionsgrad und die Stabilität gegen Einfallwin
keländerungen durch eine möglichst hohe Schlitzdichte der
Oberflächenstruktur ohne störende Rückwirkungen auf die Fil
terbandbreite weiter zu verbessern, sind die Schlitzelemente
gemäß Anspruch 3 in besonders bevorzugter Weise sowohl in ho
rizontaler als auch in vertikaler Richtung jeweils mit einem
Mittelpunktabstand von etwa einer Drittelwellenlänge der zu
selektierenden Wellenfrequenz positioniert.
Die Schlitzbreite der einzelnen Schlitzelemente wird nach
Maßgabe der gewünschten Filterbandbreite gewählt und beträgt
im Hinblick auf ein schmalbandiges Filterverhalten vorzugs
weise etwa 1% der Betriebswellenlänge im Bereich der Verbin
dungsbalken, während die Begrenzungsbalken gemäß Anspruch 4
etwa halb so breit wie die Verbindungsbalken ausgebildet
sind.
Eine weitere, aus Gründen einer hohen Flankensteilheit des
Filters besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung be
steht gemäß Anspruch 5 darin, daß die Oberflächenstruktur
als Sandwichbauteil mit zwei äußeren, jeweils von H-förmi
gen Schlitzelementen durchbrochenen Deckschichten und einer
zwischen diesen angeordneten Zwischenschicht aus einem ver
lustarmen Dielektrikum ausgebildet ist, dessen elektrische
Schichtdicke einer viertel Betriebswellenlänge entspricht. Im
Hinblick auf ein günstiges Transmissionsverhalten hat es sich
dabei als zweckmäßig erwiesen, die H-förmigen Schlitzelemente
gemäß Anspruch 6 in den beiden äußeren Deckschichten jeweils
fluchtend zueinander anzuordnen.
Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispieles
in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
in schematischer Darstellung:
Fig. 1 die Schlitzkonfiguration eines einzelnen,
H-förmigen Schlitzelements;
Fig. 2 einen Ausschnitt einer frequenzselektiven
Oberflächenstruktur mit einer periodischen
Anordnung von H-förmigen Schlitzelementen
gemäß Fig. 1;
Fig. 3 einen Schnitt der Oberflächenstruktur gemäß
Fig. 2 in Sandwichbauweise;
Fig. 4 die Transmissionskurven der Oberflächen
struktur für verschiedene Einfallwinkel.
Fig. 1 zeigt ein H-förmiges Schlitzelement 2, bestehend aus
einem Verbindungsbalken 4 und zwei sich jeweils endseitig an
den Verbindungsbalken 4 unter einem rechten Winkel anschlie
ßenden Begrenzungsbalken 6. Die Länge l des Verbindungsbal
kens 4 ist gleich groß wie die Länge h jedes Querbalkens 6
und entspricht einem Viertel der Betriebswellenlänge λ, wo
bei die Begrenzungsbalken 6 etwa in der Balkenmitte, also bei
h/2, an den Verbindungsbalken 4 angeschlossen sind, d. h. das
Schlitzelement 2 besitzt eine orthogonalsymmetrische Schlitz
konfiguration.
Die Schlitzbreite d des Verbindungsbalkens 4 wird nach Maßga
be der gewünschten Filterbandbreite gewählt und beträgt im
Hinblick auf ein schmalbandiges Filterverhalten etwa 1% der
Betriebswellenlänge λ, die Breite b der Begrenzungsbalken 6
ist etwa halb so groß.
In Fig. 2 ist eine frequenzselektive Oberflächenstruktur 8
gezeigt, deren Oberfläche aus einer dünnen metallischen
Schicht besteht, deren Dicke sehr viel kleiner als die Be
triebswellenlänge λ des Filters ist. Die Oberfläche ist
von einem periodisch sich wiederholenden Muster H-förmiger
Schlitzelemente 2 durchbrochen, wobei horizontal und vertikal
benachbarte Schlitzelemente 2 jeweils um 90° verdreht zuein
ander angeordnet sind. Die Mittelpunktsabstände px in hori
zontaler und py in vertikaler Richtung sind gleich groß.
Hierdurch ergeben sich gleiche Polarisationseigenschaften in
orthogonalen Richtungen.
Um die Abhängigkeit der Filtereigenschaften vom Einfallwin
kel und die Transmissionsverluste gering zu halten, muß der
gegenseitige Mittelpunktsabstand und der Flächenbedarf der
Schlitzelemente 2 klein gehalten werden, ohne daß sich stö
rende Verkoppelungseffekte zwischen den einzelnen Schlitzele
menten 2 ergeben. Dies wird mit der beschriebenen Schlitzgeo
metrie dadurch erreicht, daß die Mittelpunktabstände px und
py jeweils etwa ein Drittel der Betriebswellenlänge λ betra
gen, d. h. auf einer quadratischen Teilfläche der Oberflä
chenstruktur 8 mit der Kantenlänge λ lassen sich etwa neun
Schlitzelemente 2 unterbringen und der gegenseitige Mittenab
stand p der Schlitzelemente 2 ist wesentlich kleiner als die
halbe Betriebswellenlänge λ.
In Fig. 3 ist die Sandwich-Bauweise der Oberflächenstruktur 8
dargestellt. Die metallischen Deckschichten 10, 12 sind von
H-förmigen Schlitzmustern in der in Fig. 2 gezeigten Anordnung
durchbrochen, wobei die Schlitzelemente 2 in der oberen und
der unteren Deckschicht 10, 12 jeweils fluchtend zueinander
ausgerichtet sind, und werden durch eine Zwischenschicht 14
aus einem verlustarmen Dielektrikum, dessen elektrische
Schichtdicke einer viertel Betriebswellenlänge λ entspricht,
auf Abstand gehalten. Durch eine solche Sandwich-Bauweise
wird eine größere Flankensteilheit des Filters erreicht.
Fig. 4 zeigt die anhand eines Versuchsmusters gemessenen
Transmissionskurven für unterschiedliche Einfallwinkel, wobei
die Kurve a einem Einfallwinkel von 0°(senkrechter Einfall),
die Kurve b einem Einfallwinkel von 20° und die Kurve c einem
Einfallwinkel von 40° entspricht. Wie ersichtlich, ändert
sich die Mittenfrequenz der Oberflächenstruktur mit zunehmen
dem Einfallwinkel nur geringfügig, nämlich von 10,6 GHz bei
0° auf 10,25 GHz bei 40°, und auch die 3-dB-Bandbreite ist
gleichbleibend gering und beträgt im gesamten Einfallwinkel
bereich weniger als 800 MHz. Weiterhin ist ersichtlich, daß
die Transmissionsverluste im Resonanzbereich der Oberflächen
struktur unabhängig vom Einfallwinkel nahezu bei Null liegen
und daß die Oberflächenstruktur aufgrund der hohen Flanken
steilheit der Transmissionskurven eine große Trennschärfe be
sitzt.
Claims (6)
1. Frequenzselektive Oberflächenstruktur zur schmalbandigen
Filterung von elektromagnetischen Wellen, mit einer to
tal wellenreflektierenden Oberfläche, die von H-förmi
gen, jeweils aus endseitigen Begrenzungsbalken und einem
zu diesen querverlaufenden Verbindungsbalken bestehenden
Schlitzelementen durchbrochen ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
die endseitigen Begrenzungsbalken (6) der Schlitzelemen
te (2) jeweils im wesentlichen gleich lang wie der Ver
bindungsbalken (4) ausgebildet sind und eine Balkenlänge
(h) von etwa einer viertel Wellenlänge (λ) der zu se
lektierenden Wellenfrequenz besitzen.
2. Oberflächenstruktur nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
benachbarte Schlitzelemente (2) jeweils um 90° zueinan
der verdreht angeordnet sind.
3. Oberflächenstruktur nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
sich die Schlitzelemente (2) sowohl in horizontaler als
auch in vertikaler Richtung jeweils mit einem Mittel
punktsabstand (px, py) von etwa einer drittel Wellenlän
ge (λ) der zu selektierenden Wellenfrequenz wiederho
len.
4. Oberflächenstruktur nach einem der vorhergehenden An
sprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Verbindungsbalken (4) jeweils eine etwa doppelt so
große Schlitzbreite (d) wie die Begrenzungsbalken (6)
besitzen.
5. Oberflächenstruktur nach einem der vorhergehenden An
sprüche,
gekennzeichnet durch
Ausbildung als Sandwich-Bauteil mit zwei äußeren, je
weils von H-förmigen Schlitzelementen (2) durchbrochenen
Deckschichten (12) und einer zwischen diesen angeordne
ten Zwischenschicht (14) aus einem verlustarmen Dielek
trikum, dessen elektrische Schichtdicke einer viertel
Wellenlänge (λ) entspricht.
6. Oberflächenstruktur nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
die H-förmigen Schlitzelemente (2) in den beiden äußeren
Deckschichten (10, 12) jeweils fluchtend zueinander aus
gerichtet sind.
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