DE102008031751B3 - Photo-conductive antenna for material analysis in terahertz spectral range, has lens array comprising flat-convex lenses, whose focal points are found at surface between beginnings of spiral arms in center of antenna rows - Google Patents

Photo-conductive antenna for material analysis in terahertz spectral range, has lens array comprising flat-convex lenses, whose focal points are found at surface between beginnings of spiral arms in center of antenna rows Download PDF

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Abstract

The antenna has an array of spiral antennae with spiral arms (11, 12, 21, 22) and inter-digital electrical feeders (3, 4). The spiral antenna array is illuminated with laser light (6) using a lens array (5). The entire spiral antenna array comprises two different forms of spiral antennae arranged in antenna rows (1, 2). The spiral antennae of the rows possess same winding directions and different numbers of windings. Focal points of individual flat-convex lenses of the lens array are found at a surface between beginnings of the spiral arms in a center of the antenna rows. The lens array consists of glass or organic material.

Description

Die Erfindung betrifft eine photoleitende Antenne zur Abstrahlung oder zum Empfang von Terahertz-Strahlung.The The invention relates to a photoconductive antenna for radiation or for receiving terahertz radiation.

Als Terahertz-Strahlung wird elektromagnetische Strahlung im Frequenzbereich von etwa 0,1 bis 100 THz bezeichnet. Da es im Frequenzbereich der Terahertz-Strahlung Molekülschwingungen zahlreicher Stoffe gibt, kann mittels Absorptionsspektroskopie im Terahertz Bereich die Untersuchung von Substanzen erfolgen und auch der Nachweis bestimmter chemischer Verbindungen geführt werden. Objekte können auch materialspezifisch mittels Terahertz-Strahlung in Transmission oder Reflexion abgebildet werden. Es gibt daher ein wissenschaftlich-technisches Interesse an kostengünstigen und effizienten Emittern und Detektoren für Terahertz Strahlung.When Terahertz radiation becomes electromagnetic radiation in the frequency domain from about 0.1 to 100 THz. Since there are molecular vibrations in the frequency range of terahertz radiation Numerous substances can be detected by absorption spectroscopy in the Terahertz area the investigation of substances done and also the detection of certain chemical compounds are performed. Objects can also material-specific by means of terahertz radiation in transmission or reflection. There is therefore a scientific and technical Interest in cost-effective and efficient emitters and detectors for terahertz radiation.

Es ist bekannt, dass Terahertz-Strahlung mit photoleitenden Antennen (englisch PCA – photoconductive antenna) unter Verwendung ultrakurzer Lichtpulse mit Pulsdauern ≤ 1 ps sowohl erzeugt als auch nachgewiesen werden kann (Patentschrift US 5 789 750 A ) Ebenso können photoleitende Antennen als Photomischer zur Erzeugung von Terahertz-Strahlung eingesetzt werden, wenn zwei Laserstrahlen mit einer Differenzfrequenz im THz-Bereich von der Antenne absorbiert werden (Patentschrift WO 2008/054 846 A2 ). Eine photoleitende Terahertz-Antenne besteht im Wesentlichen aus einer hochohmigen halbleitenden Schicht mit einer kurzen Relaxationszeit der Ladungsträger im Bereich einer Pikosekunde, welche auf einem ebenfalls hochohmigen Substrat aufgebracht ist und auf der eine elektrisch leitende Antennenstruktur beispielsweise in der Form eines Dipols oder einer Spiralantenne mit einer Lücke als Unterbrechung im Zentrum der Antenne angeordnet ist. Zur Abstrahlung oder zum Nachweis von Terahertz-Strahlung wird die Halbleiterschicht in der Lücke der Antenne mit kurzen Laserpulsen bestrahlt. Die Photonenenergie der Laserpulse ist dabei größer als die elektronische Bandlücke der halbleitenden Schicht, so dass das Laserlicht in der halbleitenden Schicht absorbiert wird und bewegliche Ladungsträger erzeugt ( US 5 729 017 A ; WO 03/047036 A1 ).It is known that terahertz radiation with photoconductive antennas (English: PCA - photoconductive antenna) using ultrashort light pulses with pulse durations ≤ 1 ps can both be generated and detected (Patent US 5,789,750 A Similarly, photoconductive antennas can be used as a photomixer for generating terahertz radiation when two laser beams with a difference in THz frequency are absorbed by the antenna (Patent WO 2008/054 846 A2 ). A photoconductive terahertz antenna consists essentially of a high-resistance semiconductive layer having a short relaxation time of the charge carriers in the range of picosecond, which is applied to a likewise high-resistance substrate and on an electrically conductive antenna structure, for example in the form of a dipole or a spiral antenna with a Gap is arranged as an interruption in the center of the antenna. For radiating or detecting terahertz radiation, the semiconductor layer in the gap of the antenna is irradiated with short laser pulses. The photon energy of the laser pulses is greater than the electronic band gap of the semiconducting layer, so that the laser light is absorbed in the semiconducting layer and generates mobile charge carriers ( US 5 729 017 A ; WO 03/047036 A1 ).

Zur Abstrahlung von Terahertz-Strahlung wird an der Antenne eine Spannung angelegt. Dadurch entsteht in der Lücke der Antenne ein elektrisches Feld, dem die durch den optischen Puls erzeugten freien Ladungsträger folgen. In der Beschleunigungsphase der Ladungsträger wird elektromagnetische Strahlung im Terahertz-Bereich emittiert. Wegen der geringen Relaxationszeit der Ladungsträger wird der entstandene elektrische Strom anschließend sehr schnell wieder gestoppt, was wiederum zur Abstrahlung von Terahertz-Strahlung führt.to Radiation of terahertz radiation becomes a voltage on the antenna created. This creates an electric gap in the antenna Field followed by the free carriers generated by the optical pulse. In the acceleration phase of the charge carriers becomes electromagnetic Radiation emitted in the terahertz range. Because of the low relaxation time the charge carrier The resulting electric current is then stopped very quickly, which in turn leads to the emission of terahertz radiation.

Zum Nachweis von Terahertz-Strahlung wird an die photoleitende Antenne ein Stromverstärker angeschlossen. Ein Strom ist dann messbar, wenn an der Antenne ein elektrisches Feld der Terahertz-Strahlung anliegt und gleichzeitig ein Laserpuls in der halbleitenden Lücke der Antenne freie Ladungsträger erzeugt.To the Detection of terahertz radiation is applied to the photoconductive antenna a power amplifier connected. A current is then measurable, if at the antenna an electrical Field of terahertz radiation is applied and at the same time a laser pulse in the semiconducting gap the antenna free charge carriers generated.

Dem breiten Einsatz von THz-Messsystemen steht gegenwärtig hauptsächlich die geringe Leistung bekannter Terahertz-Emitter im Wege, die bestenfalls wenige Milliwatt abstrahlen. Da die für die Erzeugung von Terahertz-Strahlung erforderliche Laserleistung teuer ist, kommt es bei der Konstruktion der photoleitenden Emitterantenne darauf an, eine hohe Effizienz bei der Umwandlung von Laserleistung in Terahertz-Leistung zu erreichen.the The widespread use of THz measuring systems is currently mainly the poor performance of known terahertz emitters in the way, at best emit a few milliwatts. As for the generation of terahertz radiation required laser power is expensive, it comes in the design of photoconductive emitter antenna on it, high efficiency at to achieve the conversion of laser power to terahertz power.

Neben einfachen Dipolantennen (Patentschriften US 5 729 017 A , WO 02/060017 A1 ) und sogenannten bow tie Antennen (Patentschrift US 2006/0152412 A1 ) sind vor allem Spiralantennen für die effiziente Abstrahlung oder den Empfang elektromagnetischer Wellen bekannt (Laser Focus World, Heft Juni 2008, Seiten 94–97; Patentschriften KR 10 2005 0015364 A , JP 58123203 A , JP 2001060821 A , JP 2008028872 A , CA 2 292 635 , CA 2 575 130 ). Bekannt sind auch breitbandige Spiralantennen, die in der Form selbstähnlicher logarithmischer Spiralarme ausgeführt sind (Patentschriften US 2004/005 682 3 A1 , JP 06 268 434 A , KR 10 2005 0057464 A ). Beim Einsatz solcher Antennen für die Erzeugung von Terahertz-Strahlung ist jedoch die abgestrahlte Leistung dadurch begrenzt, dass die Lücke der Antenne nur mit einer geringen optischen Leistung bestrahlt werden kann, um eine Zerstörung der Antenne infolge der lokalen thermischen Belastung zu vermeiden. Aus dem gleichen Grunde ist auch die an der Lücke der Antenne anliegende Spannung begrenzt.In addition to simple dipole antennas (patents US 5 729 017 A . WO 02/060017 A1 ) and so-called bow tie antennas (patent US 2006/0152412 A1 Spiral antennas are known for the efficient emission or the reception of electromagnetic waves (Laser Focus World, Issue June 2008, pages 94-97; KR 10 2005 0015364 A . JP 58123203 A . JP 2001060821 A . JP 2008028872 A . CA 2 292 635 . CA 2 575 130 ). Also known are broadband spiral antennas, which are designed in the form of self-similar logarithmic spiral arms (patents US 2004/005 682 3 A1 . JP 06 268 434 A . KR 10 2005 0057464 A ). However, when such antennas are used to generate terahertz radiation, the radiated power is limited by the fact that the gap of the antenna can only be irradiated with a low optical power in order to avoid destruction of the antenna due to local thermal stress. For the same reason, the voltage applied to the gap of the antenna is also limited.

Für passive Anwendungen wurden Antennenarrays aus Spiralantennen mit unterschiedlichen Abständen und Größen vorgeschlagen. Antennenarrays aus Dipol- oder Spiral-Antennen, teilweise mit einer Kombination unterschiedlicher Einzelantennen werden in der Patentschrift US 5 223 849 A zur breitbandigen Absorption elektromagnetischer Wellen im Frequenzbereich von etwa 2–18 GHz angegeben, um eine für Radarstrahlen nicht reflektierende Oberfläche zu realisieren. In der Patentschrift US 2005/01 68 314 A1 werden Antennenarrays aus Spiralantennen, welche über elektrische Widerstände mit einer gemeinsamen elektrisch leitfähigen Platte verbunden sind, zur Realisierung definierter Reflexionseigenschaften elektromagnetischer Wellen im Frequenzbereich von einigen GHz beschrieben. Derartige Antennenanordnungen sind jedoch nicht zur Emission oder zum Empfang von Terahertz-Strahlung geeignet.For passive applications, antenna arrays of spiral antennas with different spacings and sizes have been proposed. Antenna arrays of dipole or spiral antennas, some with a combination of different individual antennas are disclosed in the patent US 5 223 849 A for broadband absorption of electromagnetic waves in the frequency range of about 2-18 GHz, to realize a non-radar-reflecting surface. In the patent US 2005/01 68 314 A1 Are antenna arrays of spiral antennas, which are connected via electrical resistors to a common electrically conductive plate, for the realization of defined reflection properties of electromagnetic waves in the frequency range of a few GHz. However, such antenna arrangements are not suitable for emission or reception of terahertz radiation net.

Um die abgestrahlte Leistung und die Richtcharakteristik zu erhöhen, können im Fall einer konventionellen Speisung der Sendeantennen mit einem Hochfrequenzgenerator Arrays von Antennen eingesetzt werden, die im Falle von phased Arrays auch eine einstellbare Abstrahlrichtung besitzen (Patentschriften US 6 466 177 B1 , US 6 781 560 B2 , US 6 525 697 B1 , US 6 646 621 B1 , CA 242 402 7 C , US 6 842 157 B2 , JP 58 134 511 A ). Um unerwünschte seitliche Abstrahlrichtungen infolge der Interferenz regelmäßig aufgebauter Antennenarrays zu vermeiden, werden in der Patentschrift US 2003/00 76 274 A1 Array-Antennen vorgeschlagen, die aus nicht periodisch angeordneten Sub-Arrays bestehen. Für die Emission von Terahertz-Strahlung können Antennen jedoch nicht in gleicher Weise zusammengeschaltet werden, wie das in der Hochfrequenztechnik üblich ist, weil über die elektrischen Speiseleitungen von Terahertz-Antennen keine Hochfrequenz, sondern eine Gleichspannung zugeführt wird, die erst durch die Bestrahlung der Lücke der Antenne zur Erzeugung eines Terahertz-Pulses führt. Ein einfaches Array von Einzelantennen, die mit parallelen elektrischen Speiseleitungen in der Form einer Interdigitalstruktur zusammengeschaltet sind, führt jedoch infolge der unterschiedlichen Phase benachbarter Antennenreihen zur Auslöschung des Terahertz-Signals und ist deshalb nicht zweckmäßig.In order to increase the radiated power and the directional characteristic, in the case of a conventional feed of the transmitting antennas with a high-frequency generator, arrays of antennas can be used, which in the case of phased arrays also have an adjustable emission direction (patents US Pat. No. 6,466,177 B1 . US 6,781,560 B2 . US Pat. No. 6,525,697 B1 . US Pat. No. 6,646,621 B1 . CA 242 402 7C . US Pat. No. 6,842,157 B2 . JP 58 134 511 A ). In order to avoid unwanted lateral radiation directions due to the interference of regularly constructed antenna arrays, in the patent US 2003/00 76 274 A1 Array antennas proposed, which consist of non-periodically arranged sub-arrays. However, for the emission of terahertz radiation antennas can not be interconnected in the same way as is common in high-frequency technology, because of the electrical supply lines of terahertz antennas no high frequency, but a DC voltage is supplied, the only by the irradiation of the gap the antenna leads to the generation of a terahertz pulse. However, a simple array of individual antennas interconnected with parallel electrical feed lines in the form of an interdigital structure results in cancellation of the terahertz signal due to the different phase of adjacent antenna arrays and is therefore not appropriate.

Um eine destruktive Interferenz bei der Zusammenschaltung von Terahertz-Dipolantennen zu vermeiden, wurde eine interdigitale Fingerstruktur der Speiseleitungen vorgeschlagen, bei der jede zweite Fingerstruktur mit einer für das anregende Laserlicht undurchlässigen Schicht abgedeckt ist (Patentschrift DE 10 2004 046 123 A1 ). Dadurch wird erreicht, dass die zwischen den Fingern der Interdigitalstruktur abgestrahlten Terahertz-Wellen eine einheitliche Polarisationsrichtung und Phase aufweisen und sich im Fernfeld konstruktiv überlagern. Obwohl bei der Verwendung einer solchen Terahertz-Strahlungsquelle mit teilweise abgedeckter Interdigitalstruktur erheblich größere Terahertz-Strahlungsleistungen als mit einer einfachen Dipolantenne erreichbar sind, wird die Effizienz solcher Antennen aus folgenden zwei Gründen beschränkt: Erstens geht mehr als die Hälfte der Laserleistung durch die Bestrahlung der abgedeckten Antennenbereiche ungenutzt verloren und zweitens wird weniger als die Hälfte der Antennenfläche für die Emission der Terahertz-Strahlung genutzt.In order to avoid destructive interference in the interconnection of terahertz dipole antennas, an interdigital finger structure of the feeders has been proposed, in which every other finger structure is covered with a stimulating laser light-impermeable layer (Patent DE 10 2004 046 123 A1 ). This ensures that the terahertz waves radiated between the fingers of the interdigital structure have a uniform polarization direction and phase and overlap constructively in the far field. Although using such a terahertz radiation source with partially covered interdigital structure achieves significantly greater terahertz radiant powers than with a simple dipole antenna, the efficiency of such antennas is limited for the following two reasons: First, more than half of the laser power is due to irradiation of the covered ones Antenna areas are lost unused and second, less than half of the antenna area is used for the emission of terahertz radiation.

Der Verlust von etwa der Hälfte der Laserleistung kann mit der in der Patentschrift DE 10 2006 059 573 B3 vorgeschlagenen interdigitalen Antennenstruktur mit einem Linsenarray zur Beleuchtung vermieden werden. Allerdings besitzt auch diese Antennenanordnung den Nachteil, dass die für die Emission der Terahertz-Strahlung eingesetzte Antennenfläche nur etwa der Hälfte der gesamten Antennenfläche entspricht, weil zur Gewährleistung der Phasengleichheit der emittierten Terahertz-Strahlung nur jeder zweite Zwischenraum der interdigitalen Fingerstruktur für die Abstrahlung genutzt werden kann.The loss of about half of the laser power can be with that in the patent DE 10 2006 059 573 B3 proposed interdigital antenna structure with a lens array for illumination are avoided. However, this antenna arrangement also has the disadvantage that the antenna area used for the emission of the terahertz radiation corresponds to only about half of the total antenna area, because only every second interspace of the interdigital finger structure is used for the radiation to ensure the phase coincidence of the emitted terahertz radiation can.

Ein Vorschlag, mittels eines geeignet geformten Linsenarrays sowohl die gesamte Laserleistung als auch die gesamte Antennenfläche zur Emission von Terahertz-Strahlung zu nutzen, ist in der Patentschrift JP 2007-324 310 A beschrieben. Dazu wird ein speziell geformtes Linsenarray beschrieben, welches mittels einer strukturierten Phasenplatte eine interdigitale Antennenstruktur so beleuchtet, dass jeder zweite Zwischenraum der Finger zu einem späteren Zeitpunkt mit dem anregenden Laserpulses beleuchtet wird. Dadurch wird eine destruktive Interferenz der emittierten Terahertz-Strahlung vermieden (siehe 12). Allerdings wird dadurch die Terahertz-Pulsdauer um mindestens eine halbe Periode verlängert oder es entstehen zwei getrennte Terahertz Pulse, was zu einer eingeschränkten Nutzbarkeit einer solchen Strahlungsquelle in einem Terahertz Time-Domän Messsystem führt. Darüber hinaus ist der technische Aufwand zur Erzeugung des Linsenarrays zusammen mit der Phasenplatte sehr hoch, was die Kosten dieser Anordnung vergrößert.A proposal to use by means of a suitably shaped lens array both the entire laser power and the entire antenna surface for the emission of terahertz radiation is in the patent JP 2007-324 310 A described. For this purpose, a specially shaped lens array is described which illuminates an interdigitated antenna structure by means of a structured phase plate in such a way that every second space between the fingers is illuminated with the exciting laser pulse at a later time. This avoids destructive interference of the emitted terahertz radiation (see 12 ). However, this increases the terahertz pulse duration by at least half a period or results in two separate terahertz pulses, which leads to a limited usability of such a radiation source in a terahertz time-domain measuring system. In addition, the technical complexity for the production of the lens array is very high together with the phase plate, which increases the cost of this arrangement.

Eine weitere Lösung zur Vermeidung der destruktiven Interferenz von Terahertz-Strahlung, die in Interdigital-Antennen erzeugt wird, ist in der Patentschrift DE 10 2006 014 801 A1 angegeben. Es wird vorgeschlagen, das photoleitende Halbleitermaterial der Antenne auf einem elektrisch isolierenden Substrat aufzubringen und dieses Material in jedem zweiten Zwischenraum der Fingerstrukturen zu entfernen. Dadurch wird die Terahertz-Strahlung nur in jedem zweiten Zwischenraum der Interdigitalantenne erzeugt und überlagert sich konstruktiv. Die Nachteile dieser Anordnung bestehen neben der komplizierten Herstellungstechnologie der Antenne darin, dass nur ein Teil des Laserlichtes genutzt wird und nur jeder zweite Zwischenraum der Interdigitalantenne für die Abstrahlung genutzt wird.Another approach to avoiding the destructive interference of terahertz radiation generated in interdigital antennas is in the patent DE 10 2006 014 801 A1 specified. It is proposed to apply the photoconductive semiconductor material of the antenna on an electrically insulating substrate and to remove this material in every second interspace of the finger structures. As a result, the terahertz radiation is generated only in every second interspace of the interdigital antenna and superimposed constructively. The disadvantages of this arrangement, in addition to the complicated manufacturing technology of the antenna is that only a portion of the laser light is used and only every other space of the interdigital antenna is used for the radiation.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine photoleitende Antenne in der Form eines Arrays von Einzelantennen zur Abstrahlung beziehungsweise zum Empfang von Terahertz-Strahlung anzugeben, bei der der Hauptteil der gesamten Antennenfläche für die Abstrahlung beziehungsweise den Empfang von Terahertz-Strahlung genutzt werden kann. Dadurch soll erreicht werden, dass eine derartige Antenne beim Einsatz als Sendeantenne eine höhere Terahertz-Strahlungsleistung als eine bekannte großflächige photoleitende Antenne emittiert und beim Einsatz als Empfangsantenne einen größeren Strom als die bekannten photoleitenden Antennen liefert.Of the Invention is based on the object, a photoconductive antenna in the form of an array of individual antennas for radiation or to indicate the reception of terahertz radiation, in which the main part the entire antenna surface for the Radiation or the reception of terahertz radiation can be used. This is intended to ensure that such Antenna when used as a transmitting antenna a higher terahertz radiation power as a known large area photoconductive Antenna emits and when used as a receiving antenna, a larger current than provides the known photoconductive antennas.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit der photoleitenden Antenne zur Abstrahlung oder zum Empfang von Terahertz-Strahlung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Den Erfindungsanspruch vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele mit den zugehörigen Abbildungen.According to the invention this Task with the photoconductive antenna for radiation or for Receiving terahertz radiation with the features of the claim 1 solved. The invention claim advantageously further developing features Subject of the dependent claims and the description with reference to the embodiments with the associated Illustrations.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von drei Ausführungsbeispielen näher erläutert.The The invention will be explained in more detail below with reference to three exemplary embodiments.

In den zugehörigen Zeichnungen zeigenIn the associated Drawings show

1 die schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen photoleitenden Antenne zur Abstrahlung oder zum Empfang von Terahertz-Strahlung, 1 the schematic representation of a first embodiment of the photoconductive antenna according to the invention for the emission or reception of terahertz radiation,

2 die schematische Darstellung des Querschnitts A-A durch die erste Ausführungsform der photoleitenden Antenne zur Abstrahlung oder zum Empfang von Terahertz-Strahlung, 2 the schematic representation of the cross section AA through the first embodiment of the photoconductive antenna for emitting or receiving terahertz radiation,

3 die schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen photoleitenden Antenne, 3 the schematic representation of a second embodiment of the photoconductive antenna according to the invention,

4 die schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen photoleitenden Antenne. 4 the schematic representation of a third embodiment of the photoconductive antenna according to the invention.

1 zeigt die schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen photoleitenden Antenne zur Abstrahlung oder zum Empfang von Terahertz-Strahlung. Die photoleitende Antenne besteht aus einem Array von Spiralantennen, die in Reihen zwischen elektrischen Speiseleitungen 3, 4 angeordnet sind. Die elektrischen Speiseleitungen 3, 4 besitzen die Form einer interdigitalen Finger-Struktur. Die Spiralantennen werden mittels eines Linsenarrays 5 mit Laserlicht 6 bestrahlt. 1 shows the schematic representation of a first embodiment of the photoconductive antenna according to the invention for emitting or receiving terahertz radiation. The photoconductive antenna consists of an array of spiral antennas arranged in rows between electrical feeders 3 . 4 are arranged. The electrical supply lines 3 . 4 have the form of an interdigital finger structure. The spiral antennas are made by means of a lens array 5 with laser light 6 irradiated.

Das gesamte Array von Spiralantennen besteht aus zwei unterschiedlichen Formen von Spiralantennen, die jeweils eine erste Antennenreihe 1 und eine zweite Antennenreihe 2 bilden. Die Spiralantennen der ersten Antennenreihe (1) und der zweiten Antennenreihe (2) sind jeweils zwischen den interdigitalen elektrischen Speiseleitungen (3, 4) abwechselnd angeordnet. Die Spiralantennen der ersten Antennenreihe (1) und der zweiten Antennenreihe (2) besitzen den gleichen Windungssinn, unterscheiden sich aber bezüglich der Windungszahl um eine halbe Windung. Die Brennpunkte der einzelnen Linsen des Linsenarrays (5) befinden sich an der Oberfläche der photoleitenden Antenne jeweils zwischen den Anfängen der beiden Spiralarme (11, 12, 21, 22) im Zentrum einer jeden Spiralantenne.The entire array of spiral antennas consists of two different forms of spiral antennas, each with a first antenna array 1 and a second antenna array 2 form. The spiral antennas of the first antenna array ( 1 ) and the second antenna array ( 2 ) are each between the interdigital electrical supply lines ( 3 . 4 ) arranged alternately. The spiral antennas of the first antenna array ( 1 ) and the second antenna array ( 2 ) have the same sense of winding, but differ in the number of turns by half a turn. The focal points of the individual lenses of the lens array ( 5 ) are located on the surface of the photoconductive antenna between the beginnings of the two spiral arms ( 11 . 12 . 21 . 22 ) in the center of each spiral antenna.

Die Spiralantennen der ersten Antennenreihe (1) und der zweiten Antennenreihe (2) besitzen logarithmische, winkelkonstante Spiralarme (11, 12, 21, 22). Die Breite der Spiralarme ist bei jedem Radius gleich ihrem Abstand. Sie sind deshalb selbstähnlich. Solche logarithmische Spiralantennen strahlen besonders breitbandig ab. Ihre untere Grenzfrequenz wird durch den äußeren und ihre obere Grenzfrequenz durch den inneren Radius bestimmt.The spiral antennas of the first antenna array ( 1 ) and the second antenna array ( 2 ) have logarithmic, constant-angle spiral arms ( 11 . 12 . 21 . 22 ). The width of the spiral arms is equal to their distance at each radius. They are therefore self-similar. Such logarithmic spiral antennas radiate particularly broadband. Its lower limit frequency is determined by the outer and its upper limit frequency by the inner radius.

Im ersten Ausführungsbeispiel ist der innere Radius der Spiralantennen der Antennenreihen 1 und 2 gleich, was eine einheitliche obere Grenzfrequenz des gesamten Antennenarrays bewirkt. Wegen des größeren Radius der Spiralantennen der ersten Antennenreihe 1 besitzen diese eine geringere untere Grenzfrequenz als die Spiralantennen der zweiten Antennenreihe 2.In the first embodiment, the inner radius of the spiral antennas of the antenna rows 1 and 2 same, which causes a uniform upper cutoff frequency of the entire antenna array. Because of the larger radius of the spiral antennas of the first antenna array 1 These have a lower lower cutoff frequency than the spiral antennas of the second antenna array 2 ,

Die größeren Spiralantennen der Antennenreihen 1 besitzen eine Windung und die kleineren Spiralantennen der Antennenreihen 2 besitzen eine halbe Windung. Durch diesen Unterschied einer halben Windung wird erreicht, dass alle Antennen phasengleich abstrahlen und sich im Fernfeld eine konstruktive Interferenz ergibt.The larger spiral antennas of the antenna rows 1 have one turn and the smaller spiral antennas of the antenna rows 2 own a half turn. This difference of half a turn ensures that all antennas radiate in phase and results in the far field constructive interference.

Die Erfindung ist nicht darauf beschränkt, dass die Spiralantennen logarithmisch sind und eine halbe beziehungsweise eine Windung besitzen. Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, dass der Unterschied zwischen den Windungszahlen der Spiralantennen benachbarter Reihen genau eine halbe Windung ist. Demzufolge kann beispielsweise auch ein breitbandigeres Array mit logarithmischen Spiralantennen von jeweils einer Windung beziehungsweise ein und einer halben Windung je Antennenreihe zusammengestellt werden oder es können Archimedische Spiralantennen verwendet werden, die entweder rund oder auch eckig ausgeführt sind.The The invention is not limited to the spiral antennas are logarithmic and have a half or one turn. The essential idea of the invention is that the difference between the numbers of turns of the spiral antennas of adjacent rows exactly half a turn. Consequently, for example, too a broadband array with logarithmic spiral antennas of one turn and one and a half turn, respectively each antenna array can be put together or it can Archimedean Spiral antennas are used, either round or square accomplished are.

Die Spiralantennen strahlen ein zirkular polarisiertes Terahertz-Feld ab, wobei der Drehsinn des Feldes durch den Drehsinn der Spiralarme 11, 12, 21, 22 und die Polarität der an den elektrischen Speiseleitungen 3, 4 anliegenden Spannung bestimmt wird.The spiral antennas emit a circularly polarized terahertz field, the direction of rotation of the field being determined by the direction of rotation of the spiral arms 11 . 12 . 21 . 22 and the polarity of the electrical feeders 3 . 4 applied voltage is determined.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Spiralantennen der Antennenreihen 1 und 2 und die darüber angeordneten Linsen des Linsenarrays 5 in der Form eines hexagonalen Gitters angeordnet, um eine optimale Nutzung der zur Verfügung stehenden Fläche der photoleitenden Antenne zu erreichen. Die Erfindung ist aber nicht auf eine derartige Anordnung beschränkt, sondern die Spiralantennen der Antennenreihen 1 und 2 können auch anders angeordnet werden, beispielsweise in der Form eines rechteckigen oder quadratischen Gitters.In the embodiment shown, the spiral antennas of the antenna rows 1 and 2 and the lenses of the lens array disposed above 5 arranged in the form of a hexagonal grid to achieve optimum utilization of the available area of the photoconductive antenna. The invention is not limited to such an arrangement, but the spiral antennas of the antenna rows 1 and 2 can also be arranged differently, for example in the form of a rectangular or square grid.

Das Linsenarray 5 besteht aus einer transparenten Platte aus Glas 9, in deren Oberfläche die Linsenformen eingeprägt sind.The lens array 5 consists of a transpa pension plate made of glass 9 , in the surface of which the lens shapes are impressed.

Im ersten Ausführungsbeispiel besitzen die Spiralantennen der Antennenreihen 1 mit einer Windung einen größeren Durchmesser als die Spiralantennen der Antennenreihen 2, die nur eine halbe Windung besitzen. Entsprechend sind die Abstände der elektrischen Speiseleitungen 3, 4 nicht gleich. Für den in 1 gezeigten Fall logarithmischer Spiralen mit einem Unterschied einer halben Windungszahl beträgt das Verhältnis des Abstandes der elektrischen Speiseleitungen exp(kπ), wenn die logarithmischen Spiralen mit der Beziehung r = r0·exp(k·φ) in Polarkoordinaten beschrieben werden (r – Radius des Spiralarmes, r0 – innerer Radius, der dem halben Lücken-Abstand der Spiralantenne entspricht, φ – Drehwinkel, k – Steigung der Spirale, die das Anwachsen der Spiralarme mit dem Drehwinkel bestimmt). Das Verhältnis der Durchmesser beider Sorten der Spiralantennen in den Antennenreihen 1 und 2 wird mit der gleichen Formel exp(kπ) beschrieben.In the first embodiment, the spiral antennas of the antenna rows 1 with one turn a larger diameter than the spiral antennas of the antenna rows 2 that have only half a turn. Accordingly, the distances of the electrical supply lines 3 . 4 not equal. For the in 1 In the case of logarithmic spirals shown with a difference of half the number of turns, the ratio of the distance of the electric feed lines is exp (kπ) when the logarithmic spirals are described in polar coordinates with the relationship r = r 0 · exp (k · φ) (r radius of the Spiral-poor, r 0 - inner radius, which corresponds to half the gap distance of the spiral antenna, φ - rotation angle, k - slope of the spiral, which determines the growth of the spiral arms with the rotation angle). The ratio of the diameters of both types of spiral antennas in the antenna rows 1 and 2 is described by the same formula exp (kπ).

In der schematischen Darstellung des Querschnitts durch die erste Ausführungsform der photoleitenden Antenne zur Abstrahlung oder zum Empfang von Terahertz-Strahlung in 2 ist ersichtlich, wie das Laserlicht 6 mittels des Linsenarrays 5 aus Glas auf die Zentren der Spiralantennen der Antennenreihen 1 und 2 fokussiert wird. Die Zentren der Spiralantennen befinden sich jeweils in der Mitte zwischen den elektrischen Speiseleitungen 3 und 4.In the schematic representation of the cross section through the first embodiment of the photoconductive antenna for emitting or receiving terahertz radiation in 2 is visible as the laser light 6 by means of the lens array 5 of glass on the centers of the spiral antennas of the antenna rows 1 and 2 is focused. The centers of the spiral antennas are located in the middle between the electrical supply lines 3 and 4 ,

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung gegenüber dem bekannten Stand der Technik besteht darin, dass jeder Zwischenraum zwischen den elektrischen Speiseleitungen 3, 4 mit Antennen zur Abstrahlung oder zum Empfang von Terahertz-Strahlung genutzt wird und dadurch eine größere Effizienz der gesamten Antennenstruktur erreicht wird. Bei den bekannten interdigitalen Antennenarrays kann nur jeder zweite Zwischenraum zwischen den elektrischen Speiseleitungen mit Antennen genutzt werden, um eine destruktive Interferenz zu vermeiden. Dieser Mangel wird erfindungsgemäß durch den Einsatz von zwei Reihen von Spiralantennen mit Windungszahlen, die sich um eine halbe Windung unterscheiden, behoben.The advantage of the arrangement according to the invention over the known prior art is that each space between the electrical feed lines 3 . 4 is used with antennas for radiating or receiving terahertz radiation and thereby a greater efficiency of the entire antenna structure is achieved. In the known interdigital antenna arrays only every second space between the electrical feed lines can be used with antennas to avoid destructive interference. This deficiency is inventively solved by the use of two rows of spiral antennas with numbers of turns, which differ by half a turn.

3 zeigt die schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen photoleitenden Antenne zur Abstrahlung oder zum Empfang von Terahertz-Strahlung. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel nur dadurch, dass der äußere Durchmesser der Spiralantennen in den Antennenreihen 1 und 2 mit unterschiedlicher Windungszahl gleich ist und dass die elektrischen Speiseleitungen 3, 4 untereinander gleiche Abstände besitzen. 3 shows the schematic representation of a second embodiment of the photoconductive antenna according to the invention for emitting or receiving terahertz radiation. This embodiment differs from the first embodiment only in that the outer diameter of the spiral antennas in the antenna rows 1 and 2 with different number of turns is the same and that the electrical feed lines 3 . 4 have mutually equal distances.

In diesem Ausführungsbeispiel ist die untere Grenzfrequenz der Spiralantennen in den Antennenreihen 1 und 2 wegen des gleichen äußeren Radius gleich, während die obere Grenzfrequenz der Spiralantennen in den Antennenreihen 2 mit einer halben Windung geringer ist als die der Spiralantennen in den Antennenreihen 1 mit einer Windung. Das liegt daran, dass der innere Radius der Spiralantennen in den Antennenreihen 2 größer ist. Allerdings kann dieser Unterschied teilweise dadurch ausgeglichen werden, dass die Lücke zwischen den Spiralarmen 21 und 22 der Antennen in den Antennenreihen 2 verringert wird, ohne die Windungszahl zu verändern.In this embodiment, the lower limit frequency of the spiral antennas in the antenna rows 1 and 2 because of the same outer radius, while the upper limit frequency of the spiral antennas in the antenna rows 2 with half a turn less than that of the spiral antennas in the antenna rows 1 with one turn. That's because the inner radius of the spiral antennas in the antenna rows 2 is larger. However, this difference can be partially offset by the fact that the gap between the spiral arms 21 and 22 of the antennas in the antenna rows 2 is reduced without changing the number of turns.

Der Vorteil des zweiten Ausführungsbeispiels gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel besteht darin, dass im zweiten Ausführungsbeispiel die zur Verfügung stehende Antennenfläche optimal genutzt wird. Dabei muss aber bezüglich der oberen Grenzfrequenz der Spiralantennen in den Antennenreihen 2 mit der geringeren Windungszahl ein Kompromiss eingegangen werden.The advantage of the second embodiment over the first embodiment is that in the second embodiment, the available antenna surface is used optimally. However, with respect to the upper limit frequency of the spiral antennas in the antenna rows 2 to compromise with the smaller number of turns.

4 zeigt die schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen photoleitenden Antenne zur Abstrahlung oder zum Empfang von Terahertz-Strahlung. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel nur dadurch, dass die elektrischen Speiseleitungen 3, 4 untereinander gleiche Abstände besitzen und zusätzliche Verbindungsleitungen 7 und 8 zwischen den Spiralarmen 21 und 22 der Spiralantennen in den Antennenreihen 2 und den elektrischen Speiseleitungen 3, 4 eingefügt sind. 4 shows the schematic representation of a third embodiment of the photoconductive antenna according to the invention for emitting or receiving terahertz radiation. This embodiment differs from the first embodiment only in that the electrical supply lines 3 . 4 have mutually equal distances and additional connecting lines 7 and 8th between the spiral arms 21 and 22 the spiral antennas in the antenna rows 2 and the electrical feeders 3 . 4 are inserted.

In diesem Ausführungsbeispiel ist die obere Grenzfrequenz der beiden Reihen von Spiralantennen wegen des gleichen inneren Radius der Spiralarme gleich, während die untere Grenzfrequenz der Spiralantennen in den Antennenreihen 2 mit einer halben Windung größer ist als die der Spiralantennen in den Antennenreihen 1 mit einer Windung.In this embodiment, the upper cutoff frequency of the two rows of spiral antennas is the same because of the same inner radius of the spiral arms, while the lower cutoff frequency of the spiral antennas in the antenna rows 2 with a half turn larger than that of the spiral antennas in the antenna rows 1 with one turn.

Der Vorteil des dritten Ausführungsbeispiels gegenüber den ersten beiden Ausführungsbeispielen besteht in der einfachen geometrischen Struktur der Antenne. Dabei muss allerdings ein Verlust an nutzbarer Antennenfläche in Kauf genommen werden.Of the Advantage of the third embodiment over the first two embodiments in the simple geometric structure of the antenna. It must However, a loss of usable antenna surface can be accepted.

11
erste Antennenreihefirst antenna series
22
zweite Antennenreihesecond antenna series
33
elektrische Speiseleitungelectrical feeder
44
elektrische Speiseleitungelectrical feeder
55
Linsenarraylens array
66
Laserlichtlaser light
77
Verbindungsleitungeninterconnectors
88th
Verbindungsleitungeninterconnectors
99
Platte aus Glasplate of glass
1111
Spiralarm der Antennen der ersten Antennenreihespiral the antennas of the first antenna array
1212
Spiralarm der Antennen der ersten Antennenreihespiral the antennas of the first antenna array
2121
Spiralarm der Antennen der zweiten Antennenreihespiral the antennas of the second antenna array
2222
Spiralarm der Antennen der zweiten Antennenreihespiral the antennas of the second antenna array

Claims (11)

Photoleitende Antenne zur Abstrahlung oder zum Empfang von Terahertz-Strahlung, die aus einem Array von Spiralantennen mit jeweils zwei Spiralarmen und zugehörigen elektrischen Speiseleitungen in der Form einer interdigitalen Finger-Struktur besteht und mittels eines Linsenarrays mit Laserlicht beleuchtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass a) das gesamte Array von Spiralantennen aus zwei unterschiedlichen Formen von Spiralantennen besteht, die jeweils eine erste Antennenreihe (1) und eine zweite Antennenreihe (2) bilden, b) die Spiralantennen der ersten Antennenreihe (1) und der zweiten Antennenreihe (2) jeweils zwischen den interdigitalen elektrischen Speiseleitungen (3, 4) abwechselnd angeordnet sind, c) die Spiralantennen der ersten Antennenreihe (1) und der zweiten Antennenreihe (2) den gleichen Windungssinn besitzen, aber sich bezüglich der Windungszahl um eine halbe Windung unterscheiden und dass d) sich die Brennpunkte der einzelnen Linsen des Linsenarrays (5) an der Oberfläche der photoleitenden Antenne jeweils zwischen den Anfängen der beiden Spiralarme (11, 12, 21, 22) im Zentrum einer jeden Spiralantenne der ersten Antennenreihe (1) und der zweiten Antennenreihe (2) befinden.Photoconductive antenna for emitting or receiving terahertz radiation, which consists of an array of spiral antennas each having two spiral arms and associated electrical feed lines in the form of an interdigital finger structure and is illuminated by means of a lens array with laser light, characterized in that the entire array of spiral antennas consists of two different forms of spiral antennas, each having a first antenna array ( 1 ) and a second antenna array ( 2 ), b) the spiral antennas of the first antenna array ( 1 ) and the second antenna array ( 2 ) between each of the interdigital electrical supply lines ( 3 . 4 ) are arranged alternately, c) the spiral antennas of the first antenna array ( 1 ) and the second antenna array ( 2 ) have the same sense of winding, but differ in the number of turns by half a turn and that d) the focal points of the individual lenses of the lens array ( 5 ) on the surface of the photoconductive antenna in each case between the beginnings of the two spiral arms ( 11 . 12 . 21 . 22 ) in the center of each spiral antenna of the first antenna array ( 1 ) and the second antenna array ( 2 ) are located. Photoleitende Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralantennen der ersten Antennenreihe (1) und der zweiten Antennenreihe (2) logarithmische, winkelkonstante Spiralarme (11, 12, 21, 22) besitzen.A photoconductive antenna according to claim 1, characterized in that the spiral antennas of the first antenna array ( 1 ) and the second antenna array ( 2 ) logarithmic, constant-angle spiral arms ( 11 . 12 . 21 . 22 ). Photoleitende Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass a) der innere Teil der Spiralantennen der ersten Antennenreihe (1) und der zweiten Antennenreihe (2) identisch ist und b) die Speiseleitungen (3, 4) entsprechend den jeweiligen Durchmessern der Spiralantennen der ersten Antennenreihe (1) und der zweiten Antennenreihe (2) unterschiedliche Abstände besitzen.A photoconductive antenna according to claim 1 or 2, characterized in that a) the inner part of the spiral antennas of the first antenna array ( 1 ) and the second antenna array ( 2 ) is identical and b) the feed lines ( 3 . 4 ) corresponding to the respective diameters of the spiral antennas of the first antenna array ( 1 ) and the second antenna array ( 2 ) have different distances. Photoleitende Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass a) der äußere Durchmesser der Spiralantennen der ersten Antennenreihe (1) und der zweiten Antennenreihe (2) gleich ist und b) die Speiseleitungen (3, 4) untereinander gleiche Abstände besitzen.A photoconductive antenna according to claim 1 or 2, characterized in that a) the outer diameter of the spiral antennas of the first antenna array ( 1 ) and the second antenna array ( 2 ) is the same and b) the feeders ( 3 . 4 ) have mutually equal distances. Photoleitende Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass a) der innere Teil der Spiralantennen der ersten Antennenreihe (1) und der zweiten Antennenreihe (2) identisch ist und b) die Speiseleitungen (3, 4) untereinander gleiche Abstände besitzen.A photoconductive antenna according to claim 1 or 2, characterized in that a) the inner part of the spiral antennas of the first antenna array ( 1 ) and the second antenna array ( 2 ) is identical and b) the feed lines ( 3 . 4 ) have mutually equal distances. Photoleitende Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Linsenarray (5) aus plankonvexen Einzellinsen besteht.Photoconductive antenna according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the lens array ( 5 ) consists of plano-convex single lenses. Photoleitende Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Linsenarray (5) aus einem hexagonalen Gitter gleichartiger Einzellinsen besteht.Photoconductive antenna according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the lens array ( 5 ) consists of a hexagonal lattice of similar single lenses. Photoleitende Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Linsenarray (5) aus einer transparenten Platte besteht, in deren Oberfläche die Linsenformen eingeprägt sind.Photoconductive antenna according to one of Claims 1 to 7, characterized in that the lens array ( 5 ) consists of a transparent plate, in the surface of which the lens shapes are impressed. Photoleitende Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Linsenarray (5) aus einem Glas besteht.Photoconductive antenna according to one of Claims 1 to 8, characterized in that the lens array ( 5 ) consists of a glass. Photoleitende Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Linsenarray (5) aus einem organischen Material besteht.Photoconductive antenna according to one of Claims 1 to 9, characterized in that the lens array ( 5 ) consists of an organic material. Photoleitende Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass a) die photoleitende Antenne auf einem wärmeleitfähigen, für Terahertz-Strahlung transparenten Träger angebracht ist und dass b) der Träger einen thermischen Kontakt mit einer Wärmesenke besitzt.A photoconductive antenna according to any one of claims 1 to 10 characterized in that a) the photoconductive Antenna on a thermally conductive, transparent to terahertz radiation Vehicle attached is and that b) the carrier has a thermal contact with a heat sink.
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