EP0520134A1

EP0520134A1 - Frequenzselektive Oberflächenstruktur

Info

Publication number: EP0520134A1
Application number: EP92101336A
Authority: EP
Inventors: Reinhard Dr. Popp; Lothar Heichele
Original assignee: Daimler Benz Aerospace AG; Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1991-06-27
Filing date: 1992-01-28
Publication date: 1992-12-30
Anticipated expiration: 2012-01-28
Also published as: DE4121245C2; EP0520134B1; DE4121245A1; US5311202A

Abstract

Eine frequenzselektive Oberflächenstruktur 8 zur schmalbandigen Filterung von elektromagnetischen Wellen, mit einer total wellenreflektierenden Oberfläche, die von H-förmigen, jeweils aus endseitigen Begrenzungsbalken 6 und einem zu diesen querverlaufenden Verbindungsbalken 4 bestehenden Schlitzelementen 2 durchbrochen ist, ist erfindungsgemäß im Hinblick auf ein äußerst schmalbandiges, weitgehend einfallwinkel- und polarisationsunabhängiges Filterverhalten mit geringen Transmissionsverlusten dadurch gekennzeichnet, daß die endseitigen Begrenzungsbalken 6 der einzelnen Schlitzelemente 2 jeweils im wesentlichen gleich lang wie der Verbindungsbalken 4 ausgebildet sind und eine Balkenlänge von etwa einer viertel Betriebswellenlänge besitzen. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine frequenzselektive Oberflächenstruktur nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Für frequenzselektive Oberflächenstrukturen, die zur Filterung von elektromagnetischen Wellen eine total reflektierende, von Schlitzelementen in einem sich wiederholenden Muster durchsetzte Oberfläche aufweisen, sind aus dem Stand der Technik Schlitzkonfigurationen in zahlreichen Ausführungsformen bekannt, angefangen von einfachen Längs- oder Querschlitzen (US-PS 4 314 255) über Jerusalem-Kreuzschlitze und H-förmige Schlitzelemente (DE-OS 3 726 309) bis hin zu geometrisch komplexen tri- oder mehrpolaren Schlitzelementen (US-PS 3 975 738 und US-PS 4 126 866). Keines der bekannten Schlitzelemente genügt jedoch uneingeschränkt der Forderung nach qualitativ hochwertigen Bandpaßeigenschaften, sei es, daß die sich ergebende Oberflächenstruktur ein zu breitbandiges Filterverhalten oder zu hohe Transmissionsverluste aufweist und/oder daß die Resonanzfrequenz stark einfallwinkel- 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 Patentanspruch 1 gekennzeichnete Oberflächenstruktur gelöst.
Erfindungsgemäß ist es durch die besondere geometrische Gestaltung einer H-förmigen Schlitzstruktur überraschenderweise gelungen, den gegenseitigen Mittenabstand der Schlitzelemente und damit die Transmissionsverluste und die Abhängigkeit vom Einfallwinkel sehr klein zu halten, ohne daß dies störende Verkoppelungseffekte zwischen den einzelnen Schlitzelementen zur Folge hat, die das schmalbandige Resonanzverhalten der Oberflächenstruktur negativ beeinflussen, mit dem zusätzlichen Effekt, daß sich die Schlitzelemente infolge ihrer orthogonalsymmetrischen, in X- und Y-Richtung im wesentlichen gleich langen Flächengeometrie ohne weiteres zum Zwecke polarisationsunabhängiger Bandpaßeigenschaften in einem in der H- und der E-Ebene identischen Schlitzmuster anordnen lassen.
Wie gemäß Anspruch 2 bevorzugt, wird das polarisationsunabhängige Filterverhalten dadurch erreicht, daß benachbarte Schlitzelemente jeweils um 90° verdreht zueinander angeordnet sind.
Um den Transmissionsgrad und die Stabilität gegen Einfallwinkeländerungen durch eine möglichst hohe Schlitzdichte der Oberflächenstruktur ohne störende Rückwirkungen auf die Filterbandbreite weiter zu verbessern, sind die Schlitzelemente gemäß Anspruch 3 in besonders bevorzugter Weise sowohl in horizontaler 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 vorzugsweise etwa 1 % der Betriebswellenlänge im Bereich der Verbindungsbalken, 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 besteht gemäß Anspruch 5 darin, daß die Oberflächenstruktur als Sandwichbauteil mit zwei äußeren, jeweils von H-förmigen Schlitzelementen durchbrochenen Deckschichten und einer zwischen diesen angeordneten Zwischenschicht aus einem verlustarmen 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 Oberflächenstruktur 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 anschliessenden Begrenzungsbalken 6. Die Länge l des Verbindungsbalkens 4 ist gleich groß wie die Länge h jedes Querbalkens 6 und entspricht einem Viertel der Betriebswellenlänge λ , wobei 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 Schlitzkonfiguration.
Die Schlitzbreite d des Verbindungsbalkens 4 wird nach Maßgabe 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 Betriebswellenlänge 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 zueinander angeordnet sind. Die Mittelpunktsabstände p_x in horizontaler und p_y in vertikaler Richtung sind gleich groß. Hierdurch ergeben sich gleiche Polarisationseigenschaften in orthogonalen Richtungen.
Um die Abhängigkeit der Filtereigenschaften vom Einfallwinkel und die Transmissionsverluste gering zu halten, muß der gegenseitige Mittelpunktsabstand und der Flächenbedarf der Schlitzelemente 2 klein gehalten werden, ohne daß sich störende Verkoppelungseffekte zwischen den einzelnen Schlitzelementen 2 ergeben. Dies wird mit der beschriebenen Schlitzgeometrie dadurch erreicht, daß die Mittelpunktabstände, p_x und p_y jeweils etwa ein Drittel der Betriebswellenlänge λ betragen, d.h. auf einer quadratischen Teilfläche der Oberflächenstruktur 8 mit der Kantenlänge λ lassen sich etwa neun Schlitzelemente 2 unterbringen und der gegenseitige Mittenabstand 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 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 zunehmendem 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 Einfallwinkelbereich weniger als 800 MHz. Weiterhin ist ersichtlich, daß die Transmissionsverluste im Resonanzbereich der Oberflächenstruktur unabhängig vom Einfallwinkel nahezu bei Null liegen und daß die Oberflächenstruktur aufgrund der hohen Flankensteilheit der Transmissionskurven eine große Trennschärfe besitzt.

Claims

Frequenzselektive Oberflächenstruktur zur schmalbandigen Filterung von elektromagnetischen Wellen, mit einer total wellenreflektierenden Oberfläche, die von H-förmigen, jeweils aus endseitigen Begrenzungsbalken und einem zu diesen querverlaufenden Verbindungsbalken bestehenden Schlitzelementen durchbrochen ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
die endseitigen Begrenzungsbalken (6) der Schlitzelemente (2) jeweils im wesentlichen gleich lang wie der Verbindungsbalken (4) ausgebildet sind und eine Balkenlänge (h) von etwa einer viertel Wellenlänge ( λ ) der zu selektierenden Wellenfrequenz besitzen.
Oberflächenstruktur nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
benachbarte Schlitzelemente (2) jeweils um 90° zueinander verdreht angeordnet sind.
Oberflächenstruktur nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
sich die Schlitzelemente (2) sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung jeweils mit einem Mittelpunktsabstand (p_x, p_y) von etwa einer drittel Wellenlänge ( λ ) der zu selektierenden Wellenfrequenz wiederholen.
Oberflächenstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Verbindungsbalken (4) jeweils eine etwa doppelt so große Schlitzbreite (d) wie die Begrenzungsbalken (6) besitzen.
Oberflächenstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
Ausbildung als Sandwich-Bauteil mit zwei äußeren, jeweils von H-förmigen Schlitzelementen (2) durchbrochenen Deckschichten (12) und einer zwischen diesen angeordneten Zwischenschicht (14) aus einem verlustarmen Dielektrikum, dessen elektrische Schichtdicke einer viertel Wellenlänge ( λ ) entspricht.
Oberflächenstruktur nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
die H-förmigen Schlitzelemente (2) in den beiden äußeren Deckschichten (10, 12) jeweils fluchtend zueinander ausgerichtet sind.