CN103329354A - 光控微波天线 - Google Patents

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CN103329354A CN2011800660415A CN201180066041A CN103329354A CN 103329354 A CN103329354 A CN 103329354A CN 2011800660415 A CN2011800660415 A CN 2011800660415A CN 201180066041 A CN201180066041 A CN 201180066041A CN 103329354 A CN103329354 A CN 103329354A
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Abstract

本发明涉及光控微波天线（10）。为了降低天线消耗的光功率，提出了一种包括天线阵列（12）的光控微波天线（10），天线阵列（12）包括多个天线元件（18、118、218、318、418）以及馈送器（14），馈送器（14），用于用操作频率的微波辐射（16）照射天线阵列（18、118、218、318、418）和/或从天线阵列（18、118、218、318、418）接收操作频率的微波辐射（16），以传输和/或接收微波辐射。天线元件（18、118、218、318、418）包括：波导器（20、120）；光学可控半导体元件（32、132），在波导器（20、120）中被布置在第二端部（24）的透光部（25、45、125）的前面，半导体元件（32、132）在入射光的控制下改变自身材料属性；以及可控光源（34、234），布置在第二端部（24）的透光部（25、45、125）处或其附近，用于将受控光束（36）投射到半导体元件（32、132）上，以控制其材料属性，特别是其反射率。

Description

光控微波天线
技术领域
本发明涉及光控微波天线。进一步地，本发明涉及特别用于这种光控天线的包括多个天线元件的天线阵列。更进一步地，本发明涉及用于控制微波天线的天线阵列的光源的控制电路。
背景技术
在毫米波成像系统中，场景被扫描以获得场景的图像。在许多成像系统中，天线机械地移动以扫描整个场景。然而，电子扫描，即，电子地移动天线的辐射束或灵敏度分布曲线（sensitivity profile）是优选的，这是因为其更迅速，并且不会像机械扫描系统中那样发生天线的劣化。
反射阵天线是一种众所周知的天线技术，例如，如在J.Huang和J.A.Encinar等人的Reflectarray Antennas（反射阵天线），New York，NY，USA：电气和电子工程师学会，IEEE Press，2008中描述的，该天线技术用于微波和毫米波频率范围（以下，通常称为覆盖从至少1GHz到30THz的频率范围的“微波频率范围”，即，包括毫米波频率）。对于上至30GHz的频率，存在控制这种反射阵天线中的每个个体天线元件的相位的多种技术，具有不同优点和缺点。特别地，基于PIN二极管的开关遭受高功耗、高损耗，并且很难被整合到工作在100GHz以上的微波天线中。MEMS开关要求高控制电压并且具有非常低的切换速度。基于FET的开关遭受高插入损耗，并且要求大的偏置网络。基于液晶的移相器呈现出单位为十分之一秒的非常低的切换速度。铁电移相器允许以低功耗进行快速移位，但是具有60GHz以上的显著的损耗增加。
例如，在US6,621,459以及M.Hajian等人的"Electromagnetic Analysisof Beam-Scanning Antenna at Millimeter-Waves Band Based onPhotoconductivity Using Fresnel-Zone-Plate Technique",IEEE Antennas andPropagation Magazine,Vol.45,No.5,Oct.2003中，描述了光控等离子体激元（plasmonic）反射阵天线。然而，这种反射阵天线具有非常高的功耗。特别地，US6,621,459公开了一种等离子体控制的毫米波或微波天线，其中，电子和空穴的等离子体被光注入到一个光电导晶片中。在第一实施例中，半导体在材料状态“电介质”与“导体”之间切换，要求高光强度并提供高天线效率。在第二实施例中，半导体在两个状态“电介质”与“吸收器（有损导体）”之间切换，仅要求低光强度并提供更差的天线效率。晶片后面的等离子和毫米波/微波反射面的特殊分布实现在第一实施例的光学照明和非照明元件之间的个体元件的180°的相移。天线可以使用毫米波/微波反射背面以低光强度运行，该反射背面具有所述第二实施例中的照明元件与非照明元件之间的任意恒定相移。
在实施例中，天线包括：可控制光源，包括布置成阵列的多个LED；以及位于光源前面的毫米波反射器，该反射器在允许来自光源的光从其穿过的同时用于反射入射的毫米波辐射。此外，FZP（菲涅耳区板）晶片位于毫米波反射器的前面，该晶片由在黑暗中透射毫米波并对光有响应的光电材料制成。最后，天线包括位于晶片前面的天线馈送器，用于用毫米波照射晶片和/或接收毫米波。通过选择性地照射LED，重等离子体密度在异相区产生180°的相移。相对于LED没有被照射的那些区域，设置了低等离子体密度（或“同相”）区。入射在高等离子体密度区的毫米波辐射对于在晶片正面上的反射导致了180°的相位变化。相比之下，入射在低等离子体密度区的毫米波辐射对于毫米波反射器的反射导致了180°的相位变化。路径长度差异在同相和不同相区之间提供了所需的180°的总体相移。在该文档中描述的可选实施例中，通过光源的照射改变晶片反射毫米波辐射的反射率，以允许毫米波辐射被反射或穿过。在使用较低光强度的另一实施例中，毫米波辐射可以被晶片吸收或穿过。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光控微波天线，相比于已知的光控微波天线，其具有低功耗。本发明的进一步的目的在于提供一种在这种光控微波天线中使用的相应的天线阵列，以及提供一种用于控制微波天线的天线阵列的光源的控制电路。
根据本发明的一个方面，提供了一种光控微波天线，包括：
i）包括多个天线元件的天线阵列，天线元件包括：
波导器，用于在第一开口端部与设置为与第一端部相对的第二端部之间引导操作频率的微波辐射，该第二端部具有形成在第二端部的至少一部分中的透光部
光学可控半导体元件，在波导器内被布置在第二端部的透光部的前面，该半导体元件在入射光的控制下改变其材料属性，特别是对操作频率的微波辐射的反射率，以及
可控光源，布置在第二端部的透光部处或其附近，用于将受控光束投射到半导体元件上，以控制其材料属性，特别是其反射率，以及
ii）馈送器，用于用操作频率的微波辐射照射天线阵列和/或从天线阵列接收操作频率的微波辐射，以传输和/或接收微波辐射。
根据本发明的另一方面，提供了一种天线阵列，特别是用于这种光控天线，包括多个天线元件，该天线元件包括：
波导器，用于在第一开口端部与设置为与第一端部相对的第二端部之间引导操作频率的微波辐射，该第二端部具有形成在第二端部的至少一部分中的透光部，
光学可控半导体元件，在波导器内被布置在第二端部的透光部的前面，半导体元件在入射光的控制下改变其材料属性，特别是对操作频率的微波辐射的反射率，
可控光源，布置在第二端部的透光部处或其附近，用于将受控光束投射到半导体元件上，以控制其材料属性，特别是其反射率。
此外，根据本发明的一个方面，提供了一种控制电路，用于控制（特别是根据本发明的一个方面提出的）微波天线的（特别是根据本发明的一个方面提出的）天线阵列的光源，天线阵列包括多个天线元件，天线元件包括：光学可控半导体元件，配置为在入射光的控制下改变其材料属性，特别是对操作频率的微波辐射的反射率，以及可控光源，用于将受控光束投射到半导体元件上，已控制其材料属性，特别是其反射率，该控制电路包括：
每个光源的控制单元，控制单元包括并联耦接至上述光源的可切换元件，以及
开关元件，用于在开关元件控制信号的控制下导通和断开可切换元件。
在从属权利要求中限定了本发明的优选实施例。应当理解，所要求保护的天线阵列和所要求保护的控制电路具有与所要求保护的和在从属权利要求中限定的光控微波天线类似和/或相同的优选实施例。
本发明基于通过使用包括多个天线元件的天线阵列来降低照射用于在各个天线元件中生成相移的光学可控半导体元件所需的光功率的思想，其中，该天线元件包括开放式波导器，其中，在第一开口端部与布置为与第一端相对的第二端之间引导微波辐射。在至少部分地开口的第二端部附近，放置了光学可控半导体元件，其优选地是窄立柱（或者如下所述的立柱的栅格阵列）的形式，该半导体元件在入射光的控制下改变其材料属性，特别是对操作频率的微波辐射的反射率。
例如，半导体元件可以由本征半导体材料制成，在被照射的情形下，引起全反射，并导致电导率从几乎0S/m到1000S/m以上的变化。对于半导体元件的照明，在透光部处或其附近，具体地是波导器的第二端部的开口（或铟锡氧化物层）处或其附近，设置了可控光源，以将受控光束引导到半导体元件上用于控制其反射率。如同在已知的光控微波天线中，例如，这种光源可以是LED、激光二极管、固态激光、或用于发射光学光（可见、IR、或UV）束的其他装置。
与已知的光控微波天线相同，设置了馈送器，用于用操作频率的微波辐射照射天线，以传输微波辐射，例如，用于照射有源辐射成像系统中的场景和/或从上述天线阵列接收操作频率的微波辐射，以接收例如从由（有源或无源）辐射成像系统扫描的场景反射或发射的微波辐射。
将会理解，根据本发明，天线一般地可以用于毫米波和微波的频率范围，即，至少从1GHz到30THz的频率范围。“操作频率”一般地可以是该频率范围中的任意频率。当文中使用术语“微波”时，将会理解是该频率范围内的任意电磁辐射。
此外，“光源”的表述应当理解为能够发射用于照射其相关半导体元件以使得该半导体元件将反射率改变到足够程度的任意源。这里，“光”优选地意味着可见光，但是一般地还包括红外线和紫外线范围内的光。
还应当指出的是，所提出的光控微波天线和所提出的天线阵列可以用作反射阵天线，即，在其实施例中，入射微波辐射被反射到天线阵列的同一侧。然而，在另一实施例中，天线和天线阵列可以用作透射阵天线，在其实施例中，微波辐射在与输出微波辐射不同的一侧入射在天线阵列上，即，通过天线阵列的波导器传输的辐射在该实施例中被用作输出。在该情形中，光学照明天线元件的毫米波信号被反射或吸收。因此，天线孔径效率仅是上述反射阵的大约50%。
在快速光控微波天线中，例如，一般通过微控制器或场可编程门阵列，优选地通过单个控制线来同时控制半导体元件。例如，在US6,621,459中公开的天线中，LED被单独控制。这导致了控制电路的整体的高电流和静态功耗。例如，如果每个半导体元件都要求10mA的电流，则在天线阵列中有10000个半导体元件的情况下，需要100A的总电流，这通常是不适用的。因此，在本发明的一个方面，提出了如上定义的控制电路，用于控制天线阵列的光源，通过该控制电路，提供到单个光源的电流被减小到常规使用的电流级数。此外，极大地减小了总电流，不会产生用于控制诸如LED或激光二极管的发光元件的控制电路的静态功耗。
所提出的控制电路优选地用于根据本发明提出的光控微波天线和/或用于控制所提出的天线阵列的光源。然而，一般地，所提出的控制电路还可以用于具有天线阵列的其他微波天线中，诸如在US6,621,459中描述的天线，其中，所提出的控制电路还可以导致光源的控制电路的静态功耗的显著降低。此外，相比于对每个天线元件使用触发器的解决方案，需要较少的互连和布线。
根据本发明的另一方面，提出了包括多个天线元件的天线阵列。该天线阵列的天线元件包括：
波导器，用于在第一开口端部与设置为与第一端部相对的第二端部之间引导操作频率的微波辐射，该第二端部具有形成在所述第二端部的至少一部分中的开口，
光学可控半导体元件，在波导器中被布置在第二端部的开口的前面，上述半导体元件在入射光的控制下改变其材料属性，特别是对操作频率的微波辐射的反射率，以及
可控光源，布置为距第二端部的开口有一段距离，用于将受控光束投射到所述半导体元件上，以控制其材料属性，特别是其反射率，
聚光元件，特别是介电棒和/或透镜，通过开口布置在光源和半导体元件之间，用于将由光源发出的光汇聚到半导体元件上。
所提出的光控微波天线可以扩展到超过500GHz的频率，相比于传统光控微波天线，特别是等离子体反射阵天线，保持了低损耗（1dB）并且具有降低的功耗（少80%）。
附图说明
通过以下参照下文中描述的实施例更详细地说明，本发明的这些和其他方面将显而易见。在附图中，
图1示出了根据本发明的光控微波天线的一般实施例；
图2示出了根据本发明的阵列天线的第二实施例；
图3示出了这种天线阵列的单个天线元件的透视图；
图4示出了单个天线元件的第一实施例的侧视图；
图5示出了单个天线元件的第二实施例的侧视图；
图6示出了单个天线元件的第三实施例的透视图；
图7在不同视图中示出了根据本发明的单个天线元件的第四、第五、和第六实施例；
图8示出了根据本发明的天线阵列的第二实施例；
图9示出了根据本发明的用于控制天线元件的光源的控制单元的电路图；
图10示出了根据本发明的用于控制光源的控制电路的实施例；
图11示出了根据本发明的用于控制并联耦接至上述光源的可切换元件的控制电路的实施例；
图12示出了图9所示的控制单元的部件的布置的透视图；
图13示出了示出根据本发明的光源控制的时序图；
图14示出了根据本发明的天线阵列的第三实施例的分解图；
图15示出了根据本发明的天线阵列的第三实施例的透视正视图；
图16示出了在天线阵列的第三实施例中使用的天线元件的第七实施例的分解横截面图；
图17示出了根据本发明的天线阵列的第三实施例的另一透视横截面正视图；
图18示出了根据本发明的天线阵列的第三实施例的背短层的正视图；
图19示出了在天线阵列的第三实施例中使用的天线元件的第七实施例的横截面图；
图20示出了根据本发明的天线阵列的第四实施例的不同视图；
图21示出了根据本发明的天线阵列的第五实施例的不同视图；以及
图22示出了根据本发明的天线阵列的第六实施例的不同视图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的光控微波天线10的一般实施例。天线10包括天线阵列12以及馈送器14，馈送器14用于用操作频率的微波辐射16照射天线阵列和/或接收来自天线阵列12的操作频率的微波辐射16，来发射和/或接收微波辐射，例如，来照射场景和/或接收从场景反射或发射的辐射以拍摄该场景的X射线图像。馈送器14可以是小微波辐射喇叭（microwave radiation horn）等，或者在卡塞格林（Cassegrain）或逆火式构造的情形中，可以以小的子反射器实现。根据微波天线10的所需用途，根据需要，馈送器14可以连接至（未示出）微波辐射源（发射器）和/或微波接收器。天线阵列12包括多个天线元件18，如将在下文中描述的，可以单独控制天线元件18的反射率，使得从天线阵列反射或者通过天线阵列传输的总天线波束可以根据需要被电子导引到不同方向，例如，以便扫描场景。特别地，可以单独控制个体天线元件18的反射或传输微波辐射的相位。
在图1示出的实施例中，天线元件18沿矩形栅格的行和列有规则地排列，这是优选的。然而，天线阵列12的天线元件18的其他布置也是可以的。图2示出了图1中示出的天线阵列12的透视图。图3在透视图中示出了单个天线元件18。天线元件18包括波导器20，该波导器20用于在第一开口端部22和与第一端部22相对地布置的第二端部24之间引导操作频率的微波辐射，该第二端部24具有形成在第二端部24的至少一部分中的开口25（一般地，透光部）。天线阵列12优选地布置为使得第一开口端部22面向馈送器14。优选地，矩形波导器20以其基本TE10模式运行。
在该实施例中，波导器20通过管状波导结构形成，该管状波导结构具有两个相对的左和右侧壁26、27、两个相对的上和下侧壁28、29、以及后端壁30，侧壁26至30优选地由配置为引导微波辐射的相同金属材料制成。
天线元件18进一步包括光学可控半导体元件32，优选地形成为立柱（post），布置在波导器20的相对的上和下侧壁28、29之间并与之接触。半导体元件32在波导器20中被布置在第二端部24的开口25的前面，优选地距开口25预定距离并且比第一端部22更靠近第二端部24）。该半导体元件32配置为在入射光的控制下将其材料属性从电介质变成导体。例如，在实施例中，该半导体元件在被照射的情况下能够引起波导器20中的全反射，并且在其不被照射的情况下不会引起或仅引起低反射（例如，完全透射），即，总体反射在入射光的控制下变化。优选地，该半导体元件32由诸如包括硅和锗的元素半导体、III-V和II-VI族化合物半导体的另外成员或石墨烯这样的光导电材料制成。
应当指出的是，虽然文中已经将半导体元件示出为具有柱状的形式，但是只要其满足文中描述的所需功能，半导体元件还可以具有可选的几何形状。有时，这种元件也称为可控短路器（short）。
天线元件20进一步包括（图2和3中未示出，但是图4和5示出了天线元件18a、18b的不同实施例的侧视图）可控制光源34，其布置在或靠近第二端部24的开口25，用于通过开口25将受控光束36投射到该半导体元件32上，以控制其材料属性。由于半导体材料的材料属性的变化，整个天线元件将改变反射信号的相位。该光源34可以是LED或激光二极管，但是在半导体元件32被相应地配置为响应于入射IR或UV光改变其反射率时，还可以包括IR二极管或UV光源。
如图2所示，天线元件18被布置为彼此相邻，以使天线元件18彼此共享侧壁。优选地，波导器20具有矩形横截面，其宽度w（左和右侧壁26、27之间）大约为操作频率的微波辐射的半波长（0.5λ<w<0.9λ），并且其高度h（上和下侧壁28、29之间）大约为操作频率的微波辐射的四分之一波长（0.25λ<h<0.4λ）。通过使用波导器20的这种尺寸，可以确保只有微波的基本TE10模式被引导通过波导器20。此外，由于只有基本TE10模式可以在波导器内传播，因此可以保证辐射图案看起来总是相同，而无关半导体元件32被照射的纯度（homogenous）。
如图4的侧视图所示，在信号在波导器的背短（back short）处被反射的情况下，半导体元件32优选地布置在与第二端部24距离d1为大约操作频率的微波辐射的所引导的四分之一波长（λg/4）处。为了固定半导体元件32，使用εr≈1的低损耗气状材料（例如，Rohacell）的支撑元件38，例如，支撑层。一般地，只要损耗可以忽略不计，则支撑元件的厚度d0是不必要的，例如，其可以在距离d1的相同范围内。如图4所示，该支撑元件38可以布置在半导体元件32面向第一端部22的一侧，但是如果其是光学半透明的，则还可以布置在面向第二端部24的一侧。优选地，该支撑元件38布置（接触）在波导器20的上和下侧壁28、29之间。
如图5中示出的天线元件18b的实施例所示，可选地或者除支撑元件38以外，还可以在半导体元件32的一侧或两侧上布置一个或多个抗反射元件40、42，例如，介电抗反射层。该抗反射元件40、42的厚度d2、d3优选地基本上是操作频率的微波辐射的引导四分之一波长（λg/4），并且用于减小由半导体材料的任何不匹配导致的任何损耗。虽然抗反射元件40仅仅需要对微波辐射半透明，但是抗反射层42还需要对由光源34发出的光36半透明。
一般地，已经证明波导器20的宽带的20%是半导体元件32的宽度的合理大小。这样，总体功率可以减小大约80%。一般地，半导体元件32的宽度在波导器20的宽度w的5%至50%的范围内，特别是10%至30%范围内。
波导器20的端部24的开口25优选地占据第二端部24的总端面积的5%至75%，特别地，10%至50%。开口25的大小取决于天线阵列的应用类型。如果天线阵列12将用作反射阵，则开口25必须不能太大，以使在非照明状态下通过半导体元件32传输的微波会在后端壁30被反射并且不能完全传输通过波导器20。
然而，如果天线阵列12将被用作透射阵，则采用波导到微带的过渡和微带到波导的过渡（参见将在以下说明的图7E中描述的实施例）。然后，在一种状态下，微波被放置在微带线上的半导体元件32反射或吸收。在该情形中，只传输了50%的能量，即，天线孔径效率降低了50%。
在另一实施例中，上述开口25被第二端部24处设置的诸如铟锡氧化物（ITO）层这样的透光层（未示出）覆盖，从光源34发出的光36通过透光层传输到半导体元件32上。ITO层反射微波，即，其是用于微波的半导体并且对于光学光是半透明的。此外，ITO层覆盖第二端24的整个面积，即，不需要后端壁30，但是使用了光学半透明载体材料。该材料在波导器的外部并且在发光元件的前面。
在图6的透视图中描述了天线元件18c的另一实施例（示出了两个这样的天线元件18c）。在该实施例中，例如对称二次锥体孔径的孔径元件44布置在具有比波导器20的第一端部22大的孔径46的波导器20的第一端部22前面。通过该孔径元件44，入射微波被导入具有较小横截面的波导器20，使得半导体元件32比在例如图3示出的天线元件18a的实施例中更小。因此，需要较少的光功率来照射半导体元件32以切换其反射率状态，使得相比于已知的光控微波天线，总共可以将光功率进一步减小高达90%。
图7在不同视图中示出了根据本发明的天线元件的第四、第五、和第六实施例。图7A至7C在透视图（图7A）、正视图（图7B）、和侧视图（图7C）中示出了天线元件18d的第四实施例。在该实施例中，波导器包括波导到微带的过渡21，其包括导电脊49。此外，微带线48耦接至波导到微带的过渡21。在上述的微带线48中，半导体元件32布置在第二端部24附近。上述的半导体元件32夹置于λ/4宽度的抗反射层40、42之间，这降低了损耗。宽度为λ/5至λ/50的固体金属脊49布置在波导到微带的过渡21中，以将波导模式转换到微带线48的准TEM模式。这样，可以使得半导体元件32的总尺寸非常小，仅需要低的光功率来改变其反射率状态。
在该实施例中，在半导体的两侧都需要厚度为λg/4的增透（antireflex）层。可以从需要光学半透明ITO层45的顶部、背面、或底部照射半导体（例如部分地在图7C中通过光束36示出的）。可选地，可以从避开了任何ITO层的一侧光学照射半导体。在从背面照射半导体的情形中，指向背短（即，第二端部24）的增透层47’由光学半透明材料制成，并且使用ITO层45实现背短。
图7D在侧视图中使出了天线元件18e的第五实施例。基本上，在该实施例中使用与天线元件18d的第四实施例中相同的元件，但是在该实施例中，这里的脊49具有不同的形式。该第五实施例具有更平滑的过渡，相比于图7C中示出的第四实施例，这产生了更好的匹配。然而，对于这种波导到微带的过渡，有很多可能性。
图7E示出了天线元件18f的第六实施例。在该实施例中，天线元件18f用于透射操作。天线元件18f包括微带线48，该微带线48布置在分别包括脊49a、49b的波导到微带的过渡21a和微带到波导的过渡21b中。过渡21a、21b分别耦接至波导20a和20b，其分别具有作为输入和输出的开口端。半导体元件32放置在微带线48中，并且可以从顶部、底部、或侧面照射。如果被照射，则该半导体元件可以吸收或反射入射的微波辐射，如果其不被照射，则微波信号可以通过。为了减小空气和半导体材料之间的不匹配，在半导体元件32的两侧设置宽度为λg/4的抗反射层40、42。
将通过图8来说明用于制造天线阵列12的优选实施例。该附图描述了由半导体材料制成，特别是由Si制成的栅格50。在上述栅格50中，已经形成了孔52（特别是通过蚀刻形成），其中，在两个相邻的孔52a、52b之间，保持了上述半导体材料的立柱54，上述立柱54表示半导体元件32。在上述栅格50上，优选地在其两侧通过具有两个开口端的管或管状结构的阵列形成波导器20，其中，上述管的阵列耦接至上述栅格50，并被布置为使得管56的开口端覆盖两个相邻孔52a、52b，以及形成于两个相邻孔之间的立柱54。
在140GHz的示例性实施例中，栅格50的厚度d4可以大约为50μm，立柱54的宽度d5可以大约为300μm，并且包括立柱54的两个相邻孔52a、52b的宽度d6可以大约为1500μm。此外，在实施例中，例如由金制成的导电涂层58可以设置在上述孔52a、52b的内侧壁，以进一步提高在上述孔52a、52b中引导微波的能力。这仅仅是示例性地示出用于两个相邻孔。此外，在实施例中，通孔60设置在立柱54的顶部和底部，以延续放置在半导体栅格50的顶部和底部上的矩形波导器的壁。如在图8中示例性描述的，波导器的整个轮廓可以用通孔覆盖，而不是使用金属镀层。
优选地，天线阵列12的光源34还布置在光源矩阵（未示出）中，特别是在光源载波结构上。在实施例中，上述光源载波结构可以容易地耦接至栅格50，并且光源以与栅格50中的立柱54的距离相对应的距离耦接在该光源载波结构中。
如果单独控制光源34来照射各个半导体元件32，则大量（例如，10000个）天线元件（例如，以140GHz的操作频率覆盖10cm x10cm的面积）的阵列需要大量的控制线。原则上，应当单独控制每个半导体元件32。将光源矩阵的每个光源34连接至诸如微控制器或FPGA这样的控制电路的输出，将产生高的总体电流消耗，这是不能由控制电路处理的。因此，根据本发明的一个方面，设置了控制电路用于控制微波天线（特别是根据本发明提出的）的天线阵列（特别是根据本发明提出的天线阵列）的光源。图9示出了这种控制电路的单个控制单元70的电路图。如电路图中所示，行或列中的光源34串联连接，并由例如提供驱动10mA的电流I72的电流源72驱动。可以通过使用电子开关74来导通和断开上述的驱动电流I72，电子开关74在第一控制信号C1（还称为线性控制信号）的控制下导通和断开。通过在行或列中串联耦接的光源34并通过共用电流源72将其驱动，还可以减小总体电流。
并联于个体光源34，设置了可切换元件76，其可以在第二控制信号C2（还称为切换元件控制信号）的控制下导通和断开。当上述可切换元件76导通时，并联耦接的光源34短路，使得光源34断开，即，不发光。可切换元件76优选地由晶闸管或三端双向可控硅开关元件（特别是光晶闸管或光三端双向可控硅开关元件）形成。
第二控制信号C2由被配置用于导通和断开上述可切换元件76的开关元件78提供。优选地，上述开关元件78由二极管特别是IR二极管形成，并且第二控制信号C2是由上述二极管78发射的辐射信号。上述的开关元件78又由例如由微控制器或处理器提供的第三控制信号C3控制。
假设在实际实施中，每个光源34的电压跌落为1至4V，则行或列的顶部光源的电压可以总计高达几百伏。用作可切换元件76的光晶闸管允许简单的电压电平转换，而不用流电连接到控制以低电压运行的开关元件78的控制电路。一旦导通，则可切换元件76保持导通，直到电源电流I72被断开，而为此目的，设置了开关74用于整行或列的导通或断开。
在图10和11的电路图中示出了所提出的控制电路的更多细节。图10特别示出了用于为光源78提供所需的光学控制信号的控制电路。如图10所示，例如，设置了100×100光源78的阵列作为光源矩阵，即，行和列的阵列，每个光源78例如最大覆盖1.5mm x1.5mm的面积（140GHz）。对于每列，设置了列控制线80。对每列，通过列开关82（例如，双极型晶体管）从提供例如1.5V的列电压UC的电压源（未示出）提供了例如500mA的列驱动电流IC。上述列开关82由列控制信号C3A控制。因此，例如5mA的光源电流I34通过每个光源78。此外，设置了行控制线84，通过该行控制线，通过由行控制信号C3B控制的行开关86（例如，双极型晶体管）馈送例如5mA的驱动电流Ir。
图11示出了控制电路，该控制电路用于通过以上参照图9说明的开关元件78控制可切换元件76。如上所述，单个可切换电流源72驱动每列光源78。然而，在实施例中，单个电流源和复用器可以用于所有列。对于每个可切换元件76，设置了通过第三控制信号C3控制的开关元件78。
考虑特殊的实现方式，图10示出了LED78的矩阵，其用于控制光电晶闸管76。使用矩阵结构，减少了用于配置矩阵的微控制器的输出的数量。图11示出了用于照射半导体元件的激光二极管34的列。使用列布置，可以减小总电流以及用于互连的布线。LED78控制光电晶闸管76，光电晶闸管76又导通/断开激光二极管34。整个阵列的配置要求所有列的顺序设置。
图12示意性示出了图9中示出的控制单元70的主要部件的布置。特别地，示出了用于通过天线18中的开口25发射光束36的光源34作为侧面辐射激光二极管。此外，光电晶闸管或三端双向可控硅开关元件形式的开关元件76示出为布置为与光源34相邻。开关元件78（例如，IR二极管）布置为与可切换元件76相邻。例如，这些部件在z方向堆叠，并且对于140GHz的操作频率，在x-y方向具有1.5mm x1.5mm（通常是1mmx1mm的尺寸）的最大尺寸m x n。激光二极管34具有例如0.5mm的宽度q，并且开口25具有例如0.5mm的宽度p。天线元件18具有例如0.75mm的高度h和1.5mm的宽度w。
为了适当的操作，优选地使用如图13的时序图中示意性描述的特殊控制序列。上述的控制序列还称为帧F。考虑到所提出的天线在用于将场景成像的成像装置中的使用，从复位阶段（phase）90开始待拍摄的图像的一个像素的获取。在该复位阶段90期间，所有列/行的所有开关74都断开，以使所有光源都断开。然后，开关74顺序导通，并且在设定阶段92，通过控制电路顺序地控制所有行/列，这限制了通过控制电路的电流。对于该设定阶段，开关元件78被短暂地导通，使得对应光源被短暂地断开。当配置了所有光源或列/行时，可以开始测量相位94，在此期间，可以获得具有例如一个像素所需的状态和所需的数据的所有光源。
图14示出了根据本发明的天线阵列112的第三实施例的分解图，图15示出了包括多个天线元件118的天线阵列112的第三实施例的透视正视图（照明元件未示出）。该实施例具有可以用高重复性和高精度来制造的优势。此外，至少对于140GHz的实现，相比于天线阵列的第一和/或第二实施例，制造过程不太复杂并且不太昂贵。
天线阵列112包括背短层102、中心层104、和顶层106。背短层102包括具有四分之一的所引导波长级的深度的矩形波导器108的阵列。此外，其在后端壁130之间的短路波导器的中心内具有窄孔125。上述孔125用于从背面使用光学光源（未示出）照射光敏（半导体）元件132。
背短层102进一步包括镶嵌由半导体材料制成的薄中心层104的结构。中心层的垂直带132是光敏元件，其放置在波导器108的中心，并且通过适当照明引起180°的相变。
天线孔径由顶层106制成，顶层106放置在中心层104的顶部。顶层104包括矩形开放式波导器120，其优选地在水平以及垂直方向间隔0.5至0.8λ。波导器120的垂直堆叠线由水平槽121隔开。这些槽121用于将单个天线元件118去耦。在垂直方向也可以设置这种槽，但是一般不需要，这是因为在垂直方向一般没有（或者只是可以忽略不计）耦接（因为使用的矩形波导馈送天线元件）。
通常，三个层102、104、106在背短层102的水平通道109的区域中粘在一起。如果需要，可以在区域111中使用用于粘合层102、104、106的粘合剂作为粘合剂。该粘合剂可以是适合于通道的液体或薄带。
背短层102和顶层106优选地由硅或金属化硅制成。中心层104由本征或轻掺杂硅制成，一般不要求例如由图8中示出的由金制成的任何额外导电涂层。
图16示出了在天线阵列112的第三实施例中使用的天线元件118的第七实施例的分解横截面图，图17示出了天线阵列112的第三实施例的另一透视正视图，并且图18示出了背短层102的正视图。140GHz的操作频率的一些示例性尺寸是：背短层102的厚度：700μm；中心层104的厚度：50μm；前层106的厚度：1000-1500μm；半导体元件132的宽度：130μm；水平槽121的宽度：450μm；水平槽121的深度：700μm。
对于实际的实现，可以制造平面状硅晶片的堆叠。波导结构108和用于镶嵌薄硅中心晶片104的沟道109可以被用厚晶片蚀刻出来。晶片的表面优选地是金属化的，即，如在图19中示出的天线元件118的第七实施例的横截面图中说明那样地承载薄金属层103。顶层106和底层102还可以可选地通过微机械加工或激光加工用金属制造，或者其可以是通过薄金属层107在其表面导电或被金属化的成型部分。
为了适当地照射光敏杆，即，半导体元件132，特别是对于图14至19中示出的天线阵列112，采用了光学系统，其一般位于天线阵列118的背面。图20示出了天线阵列的简单实施例的天线元件218，其中，图20A仅示出了照明单元202的后视图，图20B示出了横截面顶视图，并且图20C示出了正视图。天线的该实施例的照明单元202包括承载了顶部放射LED234和一些控制逻辑206和/或其他需要的电子器件207的印刷电路板（PCB）203。在LED234的顶部（优选地有聚合物涂层235）放置了透镜208，其将光束210汇聚到光敏杆132上。透镜208可以是形成整个阵列的栅格212的成型结构。通过使用立柱或距离元件214以及例如螺丝215，照明单元202耦接到天线元件的前部（其可以对应于图14至19中示出的天线元件118的部分）。在图20C中，可以看到波导开口222。
图21示出了天线阵列的另一实施例的天线元件318，其中，图21A仅示出了照明单元302的后视图，图21B示出了横截面顶视图，并且图21C示出了正视图。在该实施例中，介电棒209用作光导体，以将光束210汇聚到中心杆132上。这种棒209可以由聚合物成型，并且应当在光敏元件132之前的短距离处结束。如果它们不接触，则可以减小机械应力。在该实施例中，介电棒209由栅格或保持杆216保持。此外，LED234和聚合物涂层235可以分别粘合到介电棒209的端部。一般地，相比于图20中示出的使用透镜的解决方案，使用光导体的解决方案效率更高。一般地，任何种类的光学波导器都可以用作棒209。
图22示出了天线阵列的又一实施例的天线元件418，其中，图22A仅示出了照明单元302的正视图，图22B示出了横截面顶视图，并且图22C示出了正视图。在该实施例中，整个天线元件用单个层制成。没有中心层104。因此，光敏杆132是被切片的矩形芯片，其用光学透光性粘合剂粘合到介电棒209的前端。棒209因此具有两个功能：其必须机械地保持光敏元件132，并且其必须将光学光210从光源234导向光敏元件132。天线结构可以由具有导电性或具有导电涂层的任何材料制成。
综上所述，根据本发明，提供了光控微波天线，特别是等离子体激元反射阵天线，其中，可以通过放置在开放式波导器内部并表示可重构短路器的本征半导体的光学照明来控制天线阵列的天线元件的反射（或传输）。通过在0°和180°之间切换，可以以二进制方式控制每个半导体元件的反射（或传输）的微波信号的相位。相比于已知的光控微波天线，所提出的天线要求大约少80%至90%的光功率，并且具有更低的损耗，特别是低于1dB。由于大大减少了必须被照射以控制单个半导体元件的区域，以被特别实现了。此外，相比于包括块状半导体的已知天线，对于有益于总的天线图案的每个半导体元件，可以实现明确定义的辐射图案。
此外，根据本发明的另一方面，提供了控制电路，其降低了总体电流，允许简单的电压电平转换并且没有静态功耗。
本发明可以应用于各种装置和系统，即，存在各种可以采用根据本发明提出的天线阵列、天线、和/或控制电路的装置和系统。潜在的应用包括但不限于：无源成像传感器（辐射计）、具有照射待扫描的场景的照明器（发射器）的辐射计、以及雷达（有源传感器）。此外，本发明还可以用于例如用于点对点无线链路的通信装置和/或系统、用于多用户的基站或接入点（其中，可以将束顺序转向每个用户并且可以同时生成多个束，通过将无效束（null）转向其方向可以取消干扰）、或者用于单个装置之间的通信的传感器网络。另外，本发明还可以应用到用于定位和追踪的装置和系统中，在该情形中，需要在室中的不同位置采用多个等离子体天线（至少两个）；然后可以通过交叉轴承确定目标位置；目标可以是有源的或无、源的（RFID标签）。所提出的控制电路可以用于驱动任何电子结构，其被排列为阵列，诸如LCD显示器的像素、LED、灯泡、传感器阵列的元件（光电二极管）。
已经在附图及上文的说明书中说明和描述了本发明，但是这种说明和描述都被认为是说明性或示例性的，而不是限制性的。本发明不限于所公开的实施例。通过对附图、说明书、以及所附权利要求的研究，在实践所要求保护的本发明时，本领域普通技术人员可以理解并实现所公开的实施例的其他变形。
在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”、“一个”不排除多个。单个单元或其他单元可以实现在权利要求中列出的若干项目的功能。某些措施记载在相互不同的从属权利要求中这一单纯事实，并不表明这些措施的组合不能被有利地使用。
权利要求中的任何参考标号都不应当理解为对范围的限制。

Claims (29)

1.一种光控微波天线（10），包括：
i）天线阵列（12），包括多个天线元件（18、118、218、318、418），天线元件（18、118、218、318、418）包括：
波导器（20、120），用于在第一开口端部（22）与被设置为与所述第一端部相对的第二端部（24）之间引导操作频率的微波辐射，所述第二端部（24）具有形成在所述第二端部（24）的至少一部分中的透光部（25、45、125），
光学可控半导体元件（32、132），在所述波导器（20、120）中被布置在所述第二端部（24）的所述透光部（25、45、125）的前面，所述半导体元件（32、132）在入射光的控制下改变自身材料属性，特别是自身对所述操作频率的微波辐射的反射率，以及
可控光源（34、234），布置在所述第二端部（24）的所述透光部（25、45、125）处或所述透光部（25、48、125）的附近，用于将受控光束（36）投射到所述半导体元件（32、132）上，以控制所述半导体元件（32、132）的材料属性，特别是所述半导体元件（32、132）的反射率，以及
ii）馈送器（14），用于用所述操作频率的微波辐射（16）照射所述天线阵列（18、118、218、318、418）和/或接收来自所述天线阵列（18、118、218、318、418）的所述操作频率的所述微波辐射（16），以传输和/或接收微波辐射。
2.根据权利要求1所述的微波天线，
其中，所述半导体元件（32、132）配置为在导体和电介质之间切换自身材料属性，在所述波导器（20、120）中引起所反射的微波信号的18、118、218、318、4180°的相变。
3.根据权利要求1或2所述的微波天线，
其中，所述半导体元件（32、132）形成为布置在所述波导器（20、120）的两个相对侧壁（28、29）之间、特别是与两个相对侧壁（28、29）接触的立柱。
4.根据权利要求3所述的微波天线，
其中，所述半导体元件（32、132）的宽度在所述波导器的宽度的5%至50%的范围内，特别是10%至30%的范围内。
5.根据权利要求3或4所述的微波天线，
其中，所述天线元件（18、118、218、318、418a）进一步包括：支撑元件（38），被配置为承载所述半导体元件（32、132）并且被布置为与所述相对侧壁（28、29）之间的所述半导体元件（32、132）相邻。
6.根据任一上述权利要求所述的微波天线，
其中，所述波导器（20、120）具有矩形横截面，所述矩形横截面具有在所述操作频率的所述微波辐射的所述波长的50%至90%范围内的宽度（w）和在所述操作频率的所述微波辐射的所述波长的25%至40%范围内的高度（h）。
7.根据任一上述权利要求所述的微波天线，
其中，所述半导体元件（32、132）被布置为距所述波导器（20、120）的所述第二端部（24）的距离d1基本上为所述操作频率的所述微波辐射的所引导的四分之一波长。
8.根据任一上述权利要求所述的微波天线，
其中，所述波导器（20、120）的所述第二端部（24）的所述透光部（25、125）占据所述第二端部（24）的总端面积的5%至75%、特别是10%至50%的部分。
9.根据任一上述权利要所述的微波天线，
其中，所述天线元件（18、118、218、318、418b）进一步包括抗反射元件（40、42），所述抗反射元件（40、42）被布置在所述半导体元件（32、132）的一侧或两侧上，并且具有基本上为所述操作频率的所述微波辐射的四分之一波长的厚度。
10.根据任一上述权利要求所述的微波天线，
其中，所述天线元件（18、118、218、318、418c）进一步包括孔径元件（44），所述孔径元件（44）特别是以椎体形式或喇叭的形式，被布置在所述波导器（20、120）的所述第一端部（22）的前面，并且具有比所述第一端部（22）更大的孔径（46）。
11.根据任一上述权利要求所述的微波天线，
其中，所述天线元件（18、118、218、318、418d）进一步包括到波导到微带的过渡（20、120'）和微带线（48），其中，所述半导体元件（32、132）布置在所述微带线（48）中。
12.根据任一上述权利要求所述的微波天线，
其中，所述天线阵列（12）的所述半导体元件（32、132）形成在由半导体材料制成、特别是由Si制成的栅格（50）中，在所述栅格（50）中，特别是通过蚀刻形成了孔（52），保留在两个相邻孔（52a、52b）之间的所述半导体材料的立柱（54）表征半导体元件。
13.根据权利要求12所述的微波天线，
其中，所述天线阵列（12）的所述波导器（20、120）通过具有两个开口端的管（56）的阵列形成，所述管（56）的阵列耦接至所述栅格（50），使得所述管（56）的一个开口端覆盖两个相邻孔（52a、52b）以及被形成为保持所述两个相邻孔的立柱（54）。
14.根据任一上述权利要求所述的微波天线，
其中，所述光源（34、234）由激光二极管或发光二极管形成。
15.根据任一上述权利要求所述的微波天线，
其中，所述天线阵列（12）的所述光源（34、234）特别是在光源载体结构上被布置成光源矩阵，所述光源矩阵包括用于单独控制所述光源（34、234）的列和行控制线（80、84）。
16.根据任一上述权利要求所述的微波天线，
还包括控制电路，所述控制电路对每个光源（34、234）或光源组包括控制单元（70），以控制所述天线阵列（12）的光源，控制单元（70）包括并联耦接至所述光源（34、234）的可切换元件（76）以及用于在开关元件控制信号（C2）的控制下导通断开所述可切换元件（76）的开关元件（78）。
17.根据权利要求16所述的微波天线，
其中，所述可切换元件（76）由晶闸管或三端双向可控硅开关元件、特别是光电晶闸管形成，并且其中，所述开关元件（78）由二极管、特别是IR二极管形成。
18.根据权利要求15和16所述的微波天线，
其中，所述控制电路还对所述光源矩阵的每列或行包括线性开关（74），以在线性控制信号（C1）的控制下导通及断开提供到串联耦接的光源的列或行的线性电流（I72）。
19.根据任一上述权利要求所述的微波天线，
其中，所述透光部是开口（25、125）。
20.根据任一上述权利要求所述的微波天线，
其中，所述透光部包括布置在所述光源（34、234）前面的氧化铟锡层（45）。
21.根据任一上述权利要求所述的微波天线，
其中，所述天线阵列（112）包括放置在彼此上面的背短层（102）、中心层（104）、以及前层（106），所述背短层（102）和所述前层（106）形成所述波导器（120），并且所述中心层（104）形成所述半导体元件（132）。
22.根据任一上述权利要求所述的微波天线，
其中，所述前层（106）包括并行槽（121），所述并行槽（121）形成在所述前层（106）的远离所述中心层（104）的表面中，所述中心层（104）将所述波导器（120）的开口的相邻行隔开。
23.根据任一上述权利要求所述的微波天线，
其中，天线元件还包括聚光元件（208、209），所述聚光元件（208、209）用于将由光源（234）发出的光汇聚到所述半导体元件（132）。
24.根据权利要求23所述的微波天线，
其中，所述聚光元件（208、209）包括透镜（208）和介电棒（209）。
25.根据权利要求23或24所述的微波天线，
其中，所述天线阵列的所述聚光元件（208、209）形成为成型透镜结构（202、302），所述成型透镜结构（202、302）在所述波导器（120）的端部与所述半导体元件（132）之间固定到所述波导器（120）的端部。
26.根据权利要求23所述的微波天线，
其中，所述聚光元件包括介电棒（209），所述介电棒（209）的一个端部固定至、特别是粘至所述光源（234）和/或另一端部固定至、特别是粘至所述半导体元件（132）。
27.一种天线阵列（12），特别是用于根据权利要求1所述的光控天线（10），包括多个天线元件（18、118、218、318、418），天线元件（18、118、218、318、418）包括：
波导器（20、120），用于在第一开口端部（22）与被设置为与所述第一端部相对的第二端部（24）之间引导操作频率的微波辐射，所述第二端部（24）具有形成在所述第二端部（24）的至少一部分中的透光部（25、45、125），
光学可控半导体元件（32、132），在所述波导器（20、120）中被布置在所述第二端部（24）的所述透光部（25、45、125）的前面，所述半导体元件（32、132）在入射光的控制下改变自身材料属性，特别是自身对所述操作频率的微波辐射的反射率，以及
可控光源（34、234），布置在所述第二端部（24）的所述透光部（25、45、125）处或其附近，用于将受控光束（36）投射到所述半导体元件（32、132）上，以控制所述半导体材料元件（32、132）的材料属性，特别是所述半导体材料元件（32、132）的反射率。
28.一种控制电路，用于控制特别是如权利要求1所述的微波天线（10）的特别是如权利要求27所述的天线阵列（12）的光源（34、234），所述天线阵列（12）包括多个天线元件（18、118、218、318、418），天线元件（18、118、218、318、418）包括：光学可控半导体元件（32、132），被配置为在入射光的控制下改变自身材料属性，特别是自身对所述操作频率的微波辐射的反射率，以及可控光源，用于将受控光束投射到所述半导体元件（32、132）上，以控制所述半导体材料元件（32、132）的材料属性，特别是所述半导体材料元件（32、132）的反射率，所述控制电路：
对每个光源（34、234）包括控制单元（70），控制单元包括并联耦接至所述光源（34、234）的可切换元件（76），以及
包括开关元件（78），用于在开关元件控制信号（C2）的控制下导通和断开所述可切换元件（76）。
29.一种天线阵列，特别用于根据权利要求1所述的光控天线，包括多个天线元件（118、218、318、418），天线元件（118、218、318、418）包括：
波导器（120），用于在第一开口端部（22）与被设置为与所述第一端部相对的第二端部（24）之间引导操作频率的微波辐射，所述第二端部（24）具有形成在所述第二端部（24）的至少一部分中的开口（125），
光学可控半导体元件（132），在所述波导器（120）中被布置在所述第二端部（24）的所述开口（125）的前面，所述半导体元件（132）在入射光的控制下改变自身材料属性，特别是自身对操作频率的微波辐射的反射率，以及
可控光源（234），被布置为距所述第二端部（24）的所述开口（125）一段距离，用于将受控光束（36）投射到所述半导体元件（132）上，以控制所述半导体材料元件（132）的材料属性，特别是所述半导体材料元件（132）的反射率，
聚光元件，特别是介电棒（209）和/或透镜（208），通过所述开口（125）布置在所述光源（234）与所述半导体元件（132）之间，用于将由所述光源（234）发出的光汇聚到所述半导体元件（132）。
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