DE102008047103A1

DE102008047103A1 - Method and system for the three-dimensional detection of THz radiation

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Publication number: DE102008047103A1
Application number: DE102008047103A
Authority: DE
Inventors: Hartmut G. Prof. Dr. Roskos; Alvydas Dr. Lisauskas; Torsten Dr. Löffler; Wojtek Prof. Dr. Knap; Dominique Coquillat; Frédéric Teppe; Michel Diakonov
Original assignee: Goethe Universitaet Frankfurt am Main; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Goethe Universitaet Frankfurt am Main; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 2008-09-12
Filing date: 2008-09-12
Publication date: 2010-03-25
Anticipated expiration: 2028-09-13
Also published as: WO2010028972A1; DE102008047103B4

Abstract

Für optische Frequenzen sind aus dem Stand der Technik Systeme bekannt, die es nicht nur ermöglichen, ein Objekt zweidimensional abzubilden, sondern auch das Objekt dreidimensional zu erfassen, d. h. den Abstand zwischen Objekt und Detektor für einzelne Bildpunkte zu bestimmen. Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein System und ein Verfahren zur dreidimensionalen Erfassung eines Objekts mit elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung mit einer Frequenz in einem Bereich von 100 GHz bis 10 THz bereitzustellen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein System zur dreidimensionalen Erfassung eines Objekts mit elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung gelöst mit einer Strahlungsquelle für Hochfrequenzstrahlung mit einer Frequenz in einem Bereich von 100 GHz bis 10 THz, einem Empfänger zur Erfassung der von der Strahlungsquelle abgestrahlten Hochfrequenzstrahlung, der ein Antennenelement und einen Feldeffekttransistor zum Mischen der von der Strahlungsquelle abgestrahlten Hochfrequenzstrahlung mit einem Lokaloszillatorsignal aufweist, wobei der Feldeffekttransistor eine Source, einen Drain und ein Gate aufweist, und mit einer Signalquelle zur Erzeugung eines elektrischen Modulationssignals, wobei die Signalquelle derart mit der Strahlungsquelle verbunden ist, dass die Hochfrequenzstrahlung mit dem Modulationssignal modulierbar ist, und wobei die Signalquelle derart mit dem Gate des Feldeffekttransistors verbunden ist, dass die Sensitivität des ...For optical frequencies, systems are known from the prior art that not only make it possible to image an object two-dimensionally, but also to grasp the object three-dimensionally, that is to say in three dimensions. H. determine the distance between object and detector for individual pixels. On the other hand, it is an object of the present invention to provide a system and method for three-dimensionally detecting an electromagnetic high frequency radiation object having a frequency in a range of 100 GHz to 10 THz. This object is achieved by a system for three-dimensional detection of an object with electromagnetic high frequency radiation with a radiation source for radio frequency radiation having a frequency in a range of 100 GHz to 10 THz, a receiver for detecting the radiated from the radiation source radio frequency radiation, an antenna element and a Field effect transistor for mixing the radiated from the radiation source high frequency radiation having a local oscillator signal, wherein the field effect transistor has a source, a drain and a gate, and with a signal source for generating an electrical modulation signal, wherein the signal source is connected to the radiation source such that the high frequency radiation is modulated with the modulation signal, and wherein the signal source is so connected to the gate of the field effect transistor, that the sensitivity of the ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur dreidimensionalen Erfassung eines Objekts mit elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung.The The present invention relates to a system and a method for Three-dimensional detection of an object with electromagnetic RF radiation.

Der Terahertzfrequenzbereich oder Submillimeterwellenlängenbereich, der grob von 100 GHz bis 10 THz definiert ist, ist einer der letzten „dunklen” Bereiche des elektromagnetischen Spektrums. Technische nutzbare, insbesondere kohärente Quellen und entsprechende Detektoren, sind in diesem Frequenzbereich bisher nicht oder nur bei niedrigen Frequenzen kommerziell erhältlich. Die Entwicklungen der letzten Jahrzehnte haben zu Systemen geführt, die aufgrund ihrer Komplexität bisher jedoch nur in experimentell geprägten Gebieten, wie der Radioastronomie oder der Atmosphärenforschung, Anwendung finden. Für Anwendungen des täglichen Lebens fehlt es bisher an der Verfügbarkeit preiswerter Quellen und Detektoren und dies, obwohl der THz-Frequenzbereich gegenüber anderen Frequenzbändern des elektromagnetischen Spektrums intrinsische Vorteile aufweist:

• Viele optisch undurchsichtige Materialien sind im THz-Frequenzbereich transparent.
• THz-Strahlung ist nichtionisierend und wird daher im biomedizinischen Bereich als sicher betrachtet.
• Bestimmte rotatorische, vibronische oder libratorische Molekülanregungen weisen eine Resonanzfrequenz im THz-Frequenzbereich auf.
• THz-Strahlung liefert wesentliche Informationen über Ladungsträgerdynamiken, insbesondere in Nanostrukturen, die eine essentielle Rolle in zukünftigen photonischen und elektronischen Komponenten spielen.
• THz-Strahlung zeigt eine geringere Streuung verglichen mit optischen Frequenzen und ist daher insbesondere zur Verwendung in industriellen Umgebungen, in denen es beispielsweise vermehrt zu Staubbildung kommt, geeignet.
• Betrachtet man Kommunikationssysteme, so ermöglichen höhere Frequenzen größere Übertragungsbandbreiten.

The terahertz frequency range or submillimeter wavelength range, which is roughly defined as 100 GHz to 10 THz, is one of the last "dark" regions of the electromagnetic spectrum. Technical usable, in particular coherent sources and corresponding detectors, are not commercially available in this frequency range or only at low frequencies. Developments in recent decades have led to systems that, due to their complexity, have only been used in experimental fields such as radio astronomy or atmospheric research. For everyday applications, the availability of inexpensive sources and detectors has been lacking, despite the fact that the THz frequency range has intrinsic advantages over other frequency bands in the electromagnetic spectrum:

• Many optically opaque materials are transparent in the THz frequency range.
• THz radiation is non-ionizing and therefore considered safe in the biomedical field.
• Certain rotational, vibronic, or libratory molecular excitations have a resonance frequency in the THz frequency range.
• THz radiation provides essential information about charge carrier dynamics, especially in nanostructures, which play an essential role in future photonic and electronic components.
• THz radiation shows less dispersion compared to optical frequencies and is therefore particularly suitable for use in industrial environments where, for example, more dust is generated.
• Looking at communication systems, higher frequencies allow greater transmission bandwidths.

Die meisten rein elektronischen Vorrichtungen, die im THz-Frequenzbereich arbeiten, basieren auf GaAs- oder InP-Halbleitertechnologie. Zuletzt wurde gezeigt, daß auch SiGe- und CMOS-Halbleitertechnologien zu Vorrichtungen führen, die bei Frequenzen bis zu 100 GHz arbeiten. Bei höheren Frequenzen bis hin zu 1 THz und darüber hinaus werden komplexere Quantenkaskadenlasersyteme ebenso als Quellen verwendet wie optoelektronische Systeme, basierend auf Femtosekundenkurzpulslasern oder dem Mischen zweier Dauerstrichlaserquellen.The Most purely electronic devices operating in the THz frequency range work based on GaAs or InP semiconductor technology. Last was also demonstrated that SiGe and CMOS semiconductor technologies lead to devices operating at frequencies up to 100 GHz work. At higher frequencies up to 1 THz and In addition, more complex quantum cascade laser systems also used as sources as optoelectronic systems based on femtosecond short pulse lasers or mixing two continuous wave laser sources.

THz-Strahlung wird in den bekannten Systemen zur Zeit mit Heterodynmischern, zum Beispiel Schottky-Diodenmischern, photokonduktiven Detektoren oder Leistungsdetektoren, wie zum Beispiel photovoltaischen Detektoren, Bolometern oder Golay-Zellen, erfaßt.THz radiation is in the known systems currently with heterodyne mixers, for Example Schottky diode mixers, photoconductive detectors or Power detectors, such as photovoltaic detectors, Bolometers or Golay cells, detected.

Alle zuvor beschriebenen Techniken weisen jedoch eine erhebliche Komplexität der Quellen- und Detektorbauelemente selbst sowie bei deren Herstellung auf, so daß diese zwar im Bereich der Forschung und Entwicklung sowie in forschungsnahen Anwendungsgebieten, wie der Radioastronomie, Verwendung finden, jedoch nicht für Massenmärkte geeignet sind.All However, the techniques described above are of considerable complexity the source and detector components themselves and in their manufacture so that they are indeed in the area of research and development as well as in research-related fields of application, such as radio astronomy, use but not suitable for mass markets are.

Für optische Frequenzen sind aus dem Stand der Technik, beispielsweise der WO 2002/033817 , Systeme bekannt, die es nicht nur ermöglichen, ein Objekt zweidimensional abzubilden, sondern auch das Objekt dreidimensional zu erfassen, d. h. den Abstand zwischen Objekt und Detektor für einzelne Bildpunkte zu bestimmen. Dazu ist es erforderlich, das Objekt aktiv mit moduliertem Licht zu beleuchten. Die aus dem Stand der Technik bekannten, sogenannten PhotoMixing Devices, kurz PMD-Elemente, ermöglichen es, die Intensität der vom Objekt reflektierten Strahlung und die Phasenlage der Modulation gleichzeitig zu erfassen. Ein solches PMD-Element mischt das empfangene modulierte optische Signal in dem Detektorelement mit einem elektrischen Referenzsignal, welches phasenstarr an die Modulation des optischen Signals gekoppelt ist.For optical frequencies are known from the prior art, for example the WO 2002/033817 , Systems are known which not only make it possible to image an object two-dimensionally, but also to capture the object three-dimensionally, ie to determine the distance between the object and the detector for individual pixels. For this it is necessary to actively illuminate the object with modulated light. The known from the prior art, so-called PhotoMixing Devices, short PMD elements, make it possible to detect the intensity of the reflected radiation from the object and the phase angle of the modulation simultaneously. Such a PMD element mixes the received modulated optical signal in the detector element with an electrical reference signal which is phase locked coupled to the modulation of the optical signal.

Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein System und ein Verfahren zur dreidimensionalen Erfassung eines Objekts mit elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung mit einer Frequenz in einem Bereich von 100 GHz bis 10 THz bereitzustellen.In contrast, The present invention is based on the object, a system and a method for three-dimensional detection of an object with high-frequency electromagnetic radiation of one frequency in a range of 100 GHz to 10 THz.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein System zur dreidimensionalen Erfassung eines Objektes mit elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung gelöst mit einer Strahlungsquelle für Hochfrequenzstrahlung mit einer Frequenz in einem Bereich von 100 GHz bis 10 THz, einem Empfänger zur Erfassung der von der Strahlungsquelle abgestrahlten Hochfrequenzstrahlung, der ein Antennenelement und einen Feldeffekttransistor zum Mischen der von der Strahlungsquelle abgestrahlten Hochfrequenzstrahlung mit einem Lokaloszillatorsignal aufweist, wobei der Feldeffekttransistor eine Source, einen Drain und ein Gate aufweist, und mit einer Signalquelle zur Erzeugung eines elektrischen Modulationssignals, wobei die Signalquelle derart mit der Strahlungsquelle verbunden ist, dass die Hochfrequenzstrahlung mit dem Modulationssignal modulierbar ist, und wobei die Signalquelle derart mit dem Gate des Feldeffekttransistors verbunden ist, dass die Sensitivität des Feldeffekttransistors mit einem phasenstarr an das Modulationssignal gekoppelten Lokaloszillatorsignal modulierbar ist.This object is achieved by a system for three-dimensional detection of an object with electromagnetic high frequency radiation with a radiation source for high frequency radiation having a frequency in a range of 100 GHz to 10 THz, a receiver for detecting the radiated from the radiation source high frequency radiation, an antenna element and a Field effect transistor for mixing the radiated from the radiation source high frequency radiation having a local oscillator signal, wherein the field effect transistor has a source, a drain and a gate, and with a signal source for generating an electrical modulation signal, wherein the signal source is connected to the radiation source such that the high frequency radiation is modulated with the modulation signal, and wherein the signal source is connected to the gate of the field effect transistor such that the sensitivity of the field effect transistor can be modulated with a phase-locked to the modulation signal coupled local oscillator signal.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Strahlungsquelle so eingerichtet, daß sie elektromagnetische Hochfrequenzstrahlung in einem Bereich von 300 GHz bis 1 THz abstrahlt.In An embodiment of the invention is the radiation source set up so that they electromagnetic high frequency radiation in a range of 300 GHz to 1 THz.

Dabei kann die Strahlungsquelle so eingerichtet sein, daß die Hochfrequenzstrahlung direkt mit dem Modulationssignal modulierbar ist. Eine solche direkte Modulation der abgestrahlten Hochfrequenzstrahlung läßt sich in der Regel bei den elektrisch getriebenen Hochfrequenzquellen, beispielsweise (Quantenkaskaden-)Lasern oder Diodenquellen, realisieren, indem der die Quelle treibende Strom bzw. die Spannung unmittelbar moduliert werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Strahlungsquelle einen Modulator aufweisen, der mit der Signalquelle verbunden ist, so daß der von der Strahlungsquelle abgestrahlten Hochfrequenzstrahlung nach der Emission durch die eigentliche Strahlungsquelle eine Modulation aufgeprägt wird. Solche Modulatoren können beispielsweise Halbleiterbauelemente oder auch die aus der nichtlinearen Optik bekannten Bauelemente, wie zum Beispiel ein Pockels-Zellen, sein.there the radiation source can be set up so that the High frequency radiation directly modulated with the modulation signal is. Such a direct modulation of radiated high-frequency radiation can usually be found in the electrically driven High frequency sources, such as (quantum cascade) lasers or Diode sources realize by the current driving the source or the voltage will be modulated immediately. Alternatively or in addition the radiation source may have a modulator connected to the Signal source is connected so that the radiated from the radiation source High frequency radiation after emission by the actual radiation source a modulation is imposed. Such modulators can For example, semiconductor devices or those from the nonlinear Optics known devices, such as a Pockels cells, be.

Dabei ist je nach Ausführungsform die Strahlungsquelle so eingerichtet, daß entweder die Intensität der abgestrahlten Hochfrequenzstrahlung oder deren Frequenz oder beide modulierbar sind.there Depending on the embodiment, the radiation source is set up in such a way that that either the intensity of the radiated High frequency radiation or its frequency or both modulatable are.

Bei dem Antennenelement handelt es sich in einer Ausführungsform der Erfindung um eine bei der Betriebsfrequenz der Strahlungsquelle resonante Hochfrequenzantenne, beispielsweise eine Dipolantenne oder auch um eine breitbandige Antenne, welche eine Frequenzabstimmung der Strahlungsquelle ermöglicht, ohne die Sensitivität auf der Empfängerseite zu verlieren.at the antenna element is in one embodiment of the invention at one at the operating frequency of the radiation source resonant high-frequency antenna, for example a dipole antenna or also to a broadband antenna, which is a frequency tuning the radiation source allows without the sensitivity lose on the receiving end.

Der in dem Empfänger als Mischer verwendete Feldeffekttransistor ist ein Feldeffekttransistor mit einer Source, einem Drain und einem Gate, welcher einen Gate-Source-Kontakt, einen Source-Drain-Kanal und einen Gate-Drain-Kontakt aufweist.Of the Field effect transistor used as a mixer in the receiver is a field effect transistor with a source, a drain and a Gate, which has a gate-source contact, a source-drain channel and a gate-drain contact.

Ein Feldeffekttransistor (kurz FET, engl. field-effect transistor) im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein unipolarer Transistor, bei dem im Gegensatz zu den Bipolartransistoren nur ein Ladungstyp am Stromfluss beteiligt ist – abhängig von der Bauart können die Elektronen oder Löcher sein. Die Feldeffekttransistoren werden vorzugsweise weitestgehend leistungs- bzw. verlustlos geschaltet. Ein mögliches Beispiel für einen erfindungsgemäßen Feldeffekttransistor ist ein MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-FET). Im Gegensatz zu Bipolartransistoren (stromgesteuert) sind Feldeffekttransistoren spannungsgesteuerte Schaltungselemente. Die Ansteuerung erfolgt über die Gate-Source-Spannung, welche zur Regulation des Kanalquerschnittes bzw. der Ladungsträgerdichte, d. h. des Widerstands des Halbleiters, dient, um so den elektrischen Strom über den Source-Drain-Kanal zu schalten oder zu verstärken.One Field effect transistor (short FET, English field-effect transistor) in Meaning of the present invention is a unipolar transistor, in contrast to the bipolar transistors, only one type of charge involved in the flow of electricity - depending on the Type may be the electrons or holes. The Field-effect transistors are preferably used largely as far as possible. or switched without loss. A possible example for a field effect transistor according to the invention a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET). Unlike bipolar transistors (current controlled) field effect transistors are voltage controlled Circuit elements. The drive takes place via the gate-source voltage, which regulate the channel cross-section or the charge carrier density, d. H. of the resistance of the semiconductor, serves as the electrical To switch power through the source-drain channel or amplify.

Der Feldeffekttransistor arbeitet in der erfindungsgemäßen Anordnung als resistiver Mischer. Unter resistiven Mischern versteht man im Sinne dieser Anmeldung sowohl klassische resistive Mischer, bei denen die Modulierung des Kanalwiderstandes im quasistationären Grenzfall erfolgt, als auch plasmonische resistive Mischer, bei denen kollektive Ladungsträgerschwingungen (Plasmonen) im 2-dimensionalen Elektronengas angeregt werden. Die Plasmonen können schwach gedämpft oder überdämpft sein.Of the Field effect transistor operates in the inventive Arrangement as a resistive mixer. Under resistive mixers understands For the purposes of this application, both classic resistive mixers are included which the modulation of the channel resistance in the quasi-stationary Boundary case occurs as well as plasmonic resistive mixers which collective carrier vibrations (plasmons) be excited in the 2-dimensional electron gas. The plasmons may be weakly dampened or overdamped.

Die zu erfassende Hochfrequenzstrahlung wird in einer Ausführungsform über den Gate-Source-Kontakt in den Feldeffekttransistor eingespeist.The to be detected high-frequency radiation is in one embodiment over fed the gate-source contact in the field effect transistor.

Zweckmäßig ist eine Ausführungsform, bei welcher der Feldeffekttransistor bei der Zielfrequenz der Hochfrequenzstrahlung über den Source-Drain-Kanal eine möglichst hohe Impedanz aufweist. Um diese Randbedingung zu erfüllen, weist der Source-Drain-Kanal in einer Ausführungsform der Erfindung zumindest einseitig einen hochimpedanten Abschluss für die zu empfangene Hochfrequenzstrahlung auf. Dabei ist in einer Ausführungsform die Hochfrequenzimpedanz des Source-Drain-Kanals bei der Zielfrequenz größer als 1 MΩ. Die hohe Impedanz am Source-Drain-Kanal wird in einer Ausführungsform extern, d. h. durch die Beschaltung, bereitgestellt, sie kann jedoch auch durch die Konstruktion des Transistors selbst realisiert sein. Zum externen Bereitstellen der hohen Impedanz kann in einer Ausführungsform der Erfindung der Drain des Feldeffekttransistors mit einem Impedanzanpassungselement, vorzugsweise einer Wellenleitung mit passender Impedanz, verbunden sein.expedient is an embodiment in which the field effect transistor at the target frequency of high frequency radiation over the Source-drain channel has the highest possible impedance. To meet this constraint, the source-drain channel points in one embodiment of the invention at least one side a high-impedance termination for the high-frequency radiation to be received on. In one embodiment, the high-frequency impedance is of the source-drain channel at the target frequency greater as 1 MΩ. The high impedance at the source-drain channel is in an embodiment externally, d. H. through the wiring, However, it can also be provided by the construction of the Transistors themselves be realized. For external deployment of the high impedance can in one embodiment of the invention the drain of the field effect transistor with an impedance matching element, preferably a waveguide with matching impedance, connected be.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Antennenelement, bzw. ein Anschluss des Antennenelements mit dem Gate des Feldeffekttransistors verbunden. In einer solchen Ausführungsform ist der Drain mit einem Spannungsintegrator verbunden, welcher ein integriertes Spannungsausgangssignal erzeugt, das proportional zu der auf das Antennenelement auftreffenden Leistung der Hochfrequenzstrahlung ist. Die integrierte Spannung hängt darüber hinaus von der Phasendifferenz zwischen der auf das Antennenelement einfallenden Hochfrequenzstrahlung und dem Lokaloszillatorsignal ab.In an embodiment of the invention is the antenna element, or a connection of the antenna element to the gate of the field effect transistor connected. In such an embodiment, the drain is connected to a voltage integrator, which is an integrated Voltage output signal generated proportional to that on the Antenna element impinging high frequency radiation power is. The integrated voltage hangs beyond that from the phase difference between the incident on the antenna element High frequency radiation and the local oscillator signal from.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Gate mit einer Gleichspannungsquelle verbunden. Die Vorspannung des Gates zusätzlich zu der Beaufschlagung mit dem Lokaloszillatorsignal ermöglicht es, den Arbeitspunkt des Feldeffekttransistors so einzustellen, dass die Amplitudenmodulation des Lokaloszillatorsignals den Transistor zwischen Zuständen hoher und niedriger Sensitivität hin und her schaltet.In one embodiment of the invention the gate is connected to a DC voltage source. The bias of the gate, in addition to being applied to the local oscillator signal, allows the operating point of the field effect transistor to be adjusted so that the amplitude modulation of the local oscillator signal toggles the transistor between high and low sensitivity states.

In einer Ausführungsform weist das erfindungsgemäße System einen Phasenschieber auf, der eine auswählbar einstellbare Phasenverschiebung zwischen der zu erfassenden Hochfrequenzstrahlung und dem Lokaloszillatorsignal einfügt.In an embodiment, the inventive System a phase shifter, which has a selectable adjustable Phase shift between the high-frequency radiation to be detected and the local oscillator signal.

Dabei ist der Phasenschieber in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zwischen der Signalquelle zur Erzeugung des Modulationssignals und dem Gate des Feldeffekttransistors angeordnet, so daß die Phase des Lokaloszillatorsignals relativ zu der Phase der auf das Antennenelement einfallenden Hochfrequenzstrahlung verschoben werden kann.there is the phase shifter in a preferred embodiment the invention between the signal source for generating the modulation signal and the gate of the field effect transistor arranged so that the Phase of the local oscillator signal relative to the phase of the Antenna element incident radio frequency radiation to be moved can.

Jedoch sind alternative Ausführungsformen denkbar, in denen die Phase der Modulation der Hochfrequenzstrahlung verschoben wird. Dies kann beispielsweise durch einen Phasenschieber geschehen, der das Modulationssignal zwischen Signalquelle und Strahlungsquelle verschiebt.however alternative embodiments are conceivable in which the Phase of the modulation of high-frequency radiation is shifted. This can be done for example by a phase shifter, the the modulation signal between the signal source and the radiation source shifts.

Das Einfügen einer Phasenverschiebung zwischen der Modulation der erfaßten Hochfrequenzstrahlung und dem Lokaloszillatorsignal ermöglicht es, durch Messung der Quadraturkomponenten die Phasenlage der Modulation der Hochfrequenzstrahlung relativ zu dem Lokaloszillatorsignal zu erfassen und somit ein Maß für die Laufzeit bzw. die Pfadlänge der elektromagnetischen Hochfrequenzstrahlung zwischen der Strahlungsquelle und dem Empfänger zu bestimmen.The Insert a phase shift between the modulation the detected high-frequency radiation and the local oscillator signal makes it possible, by measuring the quadrature components, the phase position the modulation of the high frequency radiation relative to the local oscillator signal record and thus a measure of the duration or the path length of the electromagnetic high-frequency radiation between the radiation source and the receiver to determine.

In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist das Antennenelement mit dem Drain des Feldeffekttransistors verbunden. Dies ermöglicht eine Kopplung der zu erfassenden Hochfrequenzstrahlung an den Source-Drain-Kanal des Feldeffekttransistors.In an alternative embodiment of the invention is the Antenna element connected to the drain of the field effect transistor. This allows a coupling of the high-frequency radiation to be detected to the source-drain channel of the field effect transistor.

In einer solchen Ausführungsform ist vorzugsweise die Source des Feldeffekttransistors mit einem Stromintegrator verbunden, dessen Spannungsausgang von der Leistung der auf das Antennenelement einfallenden Hochfrequenzstrahlung abhängig ist. Der entstehende Gleichstrom wird am Source-Drain-Kanal mit niedriger Impedanz ausgelesen. Darüber hinaus ist auch der Spannungsausgang des Stromintegrators von der Phasendifferenz zwischen der Modulation der einfallenden Hochfrequenzstrahlung und der Phasenlage des Lokaloszillatorsignals abhängig.In Such an embodiment is preferably the source the field effect transistor connected to a current integrator whose Voltage output from the power of the incident on the antenna element Radio frequency radiation is dependent. The resulting direct current is read out at the source-drain channel with low impedance. About that addition, the voltage output of the current integrator of the Phase difference between the modulation of the incident high-frequency radiation and the phase position of the local oscillator signal.

In einer Ausführungsform der Erfindung weist der Empfänger eine matrixförmige Anordnung einer Mehrzahl von Antennenelementen und Feldeffekttransistoren auf. Eine solche Anordnung ermöglicht die Erfassung der Strahlung in einem zeilenförmigen oder flächigen Element, wobei insbesondere flächige Elemente die Erfassung eines zweidimensionalen Bildes nach Art eines CCD- oder CMOS-Chips ermöglichen, während für jeden Bildpunkt gleichzeitig eine Tiefeninformation erfasst werden kann, so daß eine dreidimensionale Abbildung des erfaßten Gegenstandes möglich ist.In an embodiment of the invention, the receiver a matrix-shaped arrangement of a plurality of antenna elements and field effect transistors. Such an arrangement allows the detection of radiation in a linear or planar element, in particular flat Elements the capture of a two-dimensional image like a CCD or CMOS chips allow while for each pixel simultaneously a depth information is detected can, so that a three-dimensional image of the detected Subject is possible.

In einer Ausführungsform der Erfindung, bei welcher eine Mehrzahl von Antennenelementen und Feldeffekttransistoren den Empfänger des Systems bilden, sind jeweils vier Feldeffekttransistoren zu einem anderen Bildelement bzw. Bildpunkt (Pixel) zusammengefaßt. Diese vier Feldeffekttransistoren werden vorzugsweise von dem gleichen Antennenelement gespeist, können jedoch auch jeweils mit einem einzigen Antennenelement verbunden sein. In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Lokaloszillatorsignale, welche mit den vier Feldeffekttransistoren eines solchen Bildpunktes verbunden sind, um jeweils 90° gegeneinander verschoben, so daß gleichzeitig alle Quadraturkomponenten des Signals mit einem einzigen Bildpunkt erfasst werden können.In an embodiment of the invention, wherein a plurality of antenna elements and field effect transistors the receiver form of the system, are each four field effect transistors another picture element or pixel (pixel) summarized. These four field effect transistors are preferably of the same type Antenna element fed, but can also each with be connected to a single antenna element. In one embodiment The invention relates to the local oscillator signals, which with the four Field effect transistors of such a pixel are connected to each shifted 90 ° to each other, so that at the same time all quadrature components of the signal with a single pixel can be detected.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Antennenelement über einen Hochfrequenzteiler sowohl mit dem Gate als auch mit dem Drain des Feldeffekttransistors verbunden. Dies ermöglicht eine Verbesserung der Leistungserfassung des auf das Antennenelement einfallenden Hochfrequenzsignals. Auf diese Weise wird das Hochfrequenzsignal sowohl in den Gate-Source-Kontakt als auch in den Source-Drain-Kanal eingekoppelt. Beispiele für mögliche Hochfrequenzteiler umfassen eine zwischen Gate und Drain des Feldeffekttransistors angeordnete Kapazität, einen Impedanzteiler, etc. Die Auswahl des Teilers und seiner Bauelemente, z. B. zweier Impedanzen, ermöglicht es, die Phasenverschiebung zwischen den mit dem Gate und mit dem Drain verbundenen Anteile der Hochfrequenzstrahlung so anzupassen, dass eine optimale Signalüberhöhung erreicht wird und die Signalanteile in dem Feldeffekttransistor möglichst nicht destruktiv interferieren.In In one embodiment of the invention, the antenna element is over a high frequency divider with both the gate and the drain the field effect transistor connected. This allows a Improvement of power detection of the antenna element incident high frequency signal. In this way, the high frequency signal becomes both coupled into the gate-source contact as well as in the source-drain channel. Examples of possible high frequency dividers include an arranged between the gate and drain of the field effect transistor Capacitance, an impedance divider, etc. The selection of the divider and its components, for. B. two impedances enabled it, the phase shift between those with the gate and with the Drain connected portions of high frequency radiation to adapt that an optimal signal increase is achieved and the signal components in the field effect transistor as possible do not interfere destructively.

In einer Ausführungsform der Erfindung weist der Empfänger für ein einziges Antennenelement zwei Feldeffekttransistoren auf, wobei der erste Feldeffekttransistor einen Detektor-Transistor bildet und der zweite Feldeffekttransistor zur Kompensation des Signalanteils dient (Kompensationstransistor), welcher durch eine Gleichrichtung am Gate des Detektor-Feldeffekttransistors anliegenden Modula tionsspannung des Lokaloszillatorsignals hervorgerufen wird. Auch in einer solchen Ausführungsform wird das Lokaloszillatorsignal in das Gate des Detektor-Transistors gespeist und das Antennenelement ist beispielsweise ebenfalls mit dem Gate des Detektor-Transistors verbunden. Der zweite Kompensations-Transistor hingegen ist an seinem Gate lediglich mit dem Lokaloszillatorsignal versehen, so daß der Ausgang des Kompensations-Transistors ein Maß für das gleichgerichtete Modulationssignal am Gate des Transistors ist. Zieht man dann in einem Differenzverstärker das Signal des Kompensations-Transistors von dem Signalausgang des Detektor-Transistors ab, so wird der Effekt der Gleichrichtung des am Gate anliegenden Lokaloszillatorsignals kompensiert.In one embodiment of the invention, the receiver for a single antenna element comprises two field effect transistors, wherein the first field effect transistor forms a detector transistor and the second field effect transistor serves to compensate for the signal component (compensation transistor), which modula applied by a rectification at the gate of the detector field effect transistor tion voltage of the local oscillator signal is caused. Also in such an embodiment, the local oscillator signal is injected into the gate of the detec Tor transistor, for example, and the antenna element is also connected to the gate of the detector transistor. The second compensation transistor, however, is provided at its gate only with the local oscillator signal, so that the output of the compensation transistor is a measure of the rectified modulation signal at the gate of the transistor. If one then subtracts the signal of the compensation transistor from the signal output of the detector transistor in a differential amplifier, the effect of rectification of the local oscillator signal applied to the gate is compensated.

Eine solche Anordnung wird in einer Ausführungsform der Erfindung dadurch realisiert, dass vor dem Gate des Kompensations-Transistors ein Tiefpassfilter vorgesehen ist, welcher zwar die Modulationsfrequenz des Lokaloszillatorsignals durchläßt, jedoch die Frequenz des Hochfrequenzsignals filtert.A such arrangement is in an embodiment of the invention realized in that in front of the gate of the compensation transistor a low-pass filter is provided which, although the modulation frequency the local oscillator signal passes, but the Frequency of the high frequency signal filters.

Im folgenden wird nun beispielhaft beschrieben, wie mit Hilfe einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems ein Verfahren zur dreidimensionalen Erfassung eines Objekts mit elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung ausgeführt werden kann.in the The following will now be described by way of example, as with the aid of a Embodiment of the invention Systems a method for the three-dimensional detection of an object performed with electromagnetic high frequency radiation can be.

In einer Ausführungsform wird beispielsweise die Hochfrequenzstrahlung der Strahlungsquelle mit einem sinusförmigen Modulationssignal amplitudenmoduliert. Das sinusförmige Modulationssignal, das zum Aufprägen einer Amplitudenmodulation auf die Hochfrequenzstrahlung verwendet wird, wird auch in das Gate des Feldeffekttransistors eingekoppelt, um der Gate-Elektrode das Modulationssignal aufzuprägen. Das Ausgangssignal des Feldeffekttransistors hängt vom Produkt aus der Sensitivität des Transistors und der Intensität der einfallenden elektromagnetischen Hochfrequenzstrahlung ab. Ist sowohl die einfallende Strahlung intensitätsmoduliert als auch die Sensitivität des Detektors mit dem gleichen, jedoch phasenverschobenen Modulationssignal moduliert, so enthält das Ausgangssignal des Detektors einen gleichgerichteten Spannungs- bzw. Stromanteil, der von der Phasendifferenz zwischen der dem Gate aufgeprägten Modulation und der Modulation des Hochfrequenzsignals abhängt.In In one embodiment, for example, the high-frequency radiation the radiation source with a sinusoidal modulation signal amplitude modulated. The sinusoidal modulation signal, the for impressing an amplitude modulation on the high-frequency radiation is also used in the gate of the field effect transistor coupled to impart the modulation signal to the gate electrode. The output signal of the field effect transistor depends on Product of the sensitivity of the transistor and the intensity the incident electromagnetic radio frequency radiation. Is both the incident radiation is intensity-modulated as well the sensitivity of the detector with the same, however phase-modulated modulation signal modulated so contains the output signal of the detector is a rectified voltage or current component, which depends on the phase difference between the gate impressed modulation and the modulation of the high-frequency signal depends.

Aufgrund der Abstammung von der gleichen Signalquelle sind die Modulation der Hochfrequenzstrahlung und die Modulation des Gates (Lokaloszillatorsignal), d. h. der Sensitivität des Feldeffekttransistors, phasenstarr aneinander gekoppelt. Die so bestimmte Phase der Modulation des Hochfrequenzsignals erlaubt die Rückberechnung des Abstands zwischen einem Objekt, welches die von der Strahlungsquelle abgestrahlte Hochfrequenzstrahlung reflektiert, und dem Feldeffekttransistor im Rahmen der Grenzen der 2π-Unbestimmtheit.by virtue of the descent from the same signal source are the modulation the high-frequency radiation and the modulation of the gate (local oscillator signal), d. H. the sensitivity of the field effect transistor, phase-locked coupled together. The so determined phase of the modulation of the High frequency signal allows the recalculation of the distance between an object which emits the radiation emitted by the radiation source High frequency radiation reflects, and the field effect transistor within the limits of 2π uncertainty.

Um die 2π-Unbestimmtheit zu umgehen, können in einer Ausführungsform die aus der Interferometrie bekannten Verfahren eingesetzt werden, beispielsweise können ein breites Spektrum an Modulationsfrequenzen (analog zur Weißlicht-Interferometrie) oder verschiedene Modulationssequenzen, insbesondere von einem sinusförmigen Verlauf abweichende Modulationen, zum Beispiel quasi zufällige Signalfolgen, verwendet werden.Around to circumvent the 2π uncertainty, can in one Embodiment of the method known from interferometry can be used, for example, a wide range at modulation frequencies (analogous to white light interferometry) or different modulation sequences, in particular of a sinusoidal Course deviating modulations, for example, quasi-random Signal sequences are used.

Die zuvor genannte Aufgabe wird daher auch durch ein Verfahren zur dreidimensionalen Erfassung eines Objekts mit elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung gelöst, das die folgenden Schritte aufweist: Erzeugen von elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung mit einer Frequenz im Bereich von 100 GHz bis 10 THz, Modulieren der Amplitude oder Frequenz der Hochfrequenzstrahlung mit einem Modulationssignal, Erfassen der modulierten Hochfrequenzstrahlung mit einem Empfänger, der ein Antennenelement und einen Feldeffekttransistor zum Mischen der von der Strahlungsquelle abgestrahlten Hochfrequenzstrahlung mit einem Lokaloszillatorsignal aufweist, wobei der Feldeffekttransistor eine Source, einen Drain und einen Gate aufweist, und Modulieren der Sensitivität des Feldeffekttransistors mit einem phasenstarr an das Modulationssignal gekoppelten Lokaloszillatorsignal.The The aforementioned object is therefore also by a method for three-dimensional Detecting an object with electromagnetic high-frequency radiation solved, comprising the following steps: generating electromagnetic high frequency radiation with a frequency in the Range from 100 GHz to 10 THz, modulating the amplitude or frequency the high-frequency radiation with a modulation signal, detecting the modulated radio frequency radiation with a receiver, the one antenna element and a field effect transistor for mixing the radiated from the radiation source high frequency radiation having a local oscillator signal, wherein the field effect transistor a source, a drain and a gate, and modulating the sensitivity of the field effect transistor with a phase-locked to the modulation signal coupled local oscillator signal.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung und der dazugehörigen Figuren deutlich.Further Advantages, features and applications of the present The invention will become apparent from the following description of embodiments the invention and the associated figures clearly.

1 zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Systems zur dreidimensionalen Erfassung eines Objekts gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 1 schematically shows the structure of a system according to the invention for the three-dimensional detection of an object according to an embodiment of the invention.

2 zeigt eine erste Ausführungsform des Empfängers des erfindungsgemäßen Systems aus 1. 2 shows a first embodiment of the receiver of the system according to the invention 1 ,

3 zeigt eine alternative Ausführungsform des Empfängers aus 1. 3 shows an alternative embodiment of the receiver 1 ,

4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Empfängers, wobei das Hochfrequenzsignal mit dem Gate und der Source gekoppelt ist. 4 shows a further embodiment of the receiver, wherein the high frequency signal is coupled to the gate and the source.

5 zeigt eine alternative Ausführungsform des Empfängers des erfindungsgemäßen Systems mit einem Kompensations-Transistor. 5 shows an alternative embodiment of the receiver of the system according to the invention with a compensation transistor.

6 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Empfängers mit Kompensations-Transistor und einem zusätzlichen Shunt zwischen Gate und Drain der verwendeten Feldeffekttransistoren. 6 shows an alternative embodiment of a receiver with compensation transistor and an additional shunt between the gate and drain of the field effect transistors used.

7 zeigt eine alternative Beschaltung eines Empfängers mit zwei Feldeffekttransistoren. 7 shows an alternative wiring of a receiver with two field effect transistors.

In den Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.In the figures are the same elements with the same reference numerals.

1 zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Systems mit einer Strahlungsquelle 1, die ein elektromagnetisches Hochfrequenzsignal 3 mit einer Frequenz von 600 GHz abstrahlt. Die elektromagnetische Hochfrequenzstrahlung 3 beleuchtet ein Objekt 4, welches Teile der Strahlung 3 auf einen Empfänger 2 reflektiert. In der dargestellten Ausführungsform ist die Strahlungsquelle 1 ein Quantenkaskadenlaser. 1 schematically shows the structure of a system according to the invention with a radiation source 1 , which is an electromagnetic high-frequency signal 3 with a frequency of 600 GHz. The electromagnetic high-frequency radiation 3 Illuminates an object 4 which parts of the radiation 3 to a receiver 2 reflected. In the illustrated embodiment, the radiation source is 1 a quantum cascade laser.

Die Strahlungsquelle 1 prägt der abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung 3 eine sinusförmige Amplitudenmodulation mit einer Modulationsfrequenz von 10 MHz auf. Dazu ist der Quantenkaskadenlaser 1 mit einer Signalquelle 5 verbunden, die ein sinusförmiges Modulationssignal bei 10 MHz vorgibt.The radiation source 1 characterizes the radiated electromagnetic radiation 3 a sinusoidal amplitude modulation with a modulation frequency of 10 MHz. This is the quantum cascade laser 1 with a signal source 5 connected, which specifies a sinusoidal modulation signal at 10 MHz.

Die Signalquelle 5 ist darüber hinaus mit dem Gate G eines Feldeffekttransistors des Empfängers 2 verbunden. Durch die Modulation des Gates G des Feldeffekttransistors wird die Sensitivität des Transistors mit der gleichen Frequenz moduliert wie die Intensität der elektromagnetischen Strahlung 3. Aufgrund der Erzeugung in der gleichen Signalquelle 5 sind die Intensitätsmodulation der elektromagnetischen Strahlung 3 und die Modulation der Sensitivität des Transistors phasenstarr aneinander gekoppelt.The signal source 5 is also connected to the gate G of a field effect transistor of the receiver 2 connected. By modulating the gate G of the field effect transistor, the sensitivity of the transistor is modulated with the same frequency as the intensity of the electromagnetic radiation 3 , Due to the generation in the same signal source 5 are the intensity modulation of electromagnetic radiation 3 and the modulation of the sensitivity of the transistor are phase locked together.

In 2 ist eine erste Ausführungsform des Empfängers 2 des erfindungsgemäßen Systems schematisch dargestellt. Der Empfänger 2 weist eine Hochfrequenzantenne 21 auf, welche bei der Zielfrequenz von 600 GHz resonant ist. Ein Anschluss der Dipolantenne 21 ist mit dem Gate G des Detektor-Feldeffekttransistors FET1 verbunden.In 2 is a first embodiment of the receiver 2 of the system according to the invention shown schematically. The recipient 2 has a high frequency antenna 21 which resonates at the target frequency of 600 GHz. A connection of the dipole antenna 21 is connected to the gate G of the detector field effect transistor FET1.

Das Gate G des Transistors FET1 ist darüber hinaus über einen Phasenschieber 22 mit der Signalquelle 5 verbunden. Die Signalquelle 5 stellt eine Modulationsspannung mit einer Frequenz von 10 MHz bereit, wobei das gleiche Spannungssignal auch zum Modulieren der Hochfrequenzquelle 1 (siehe Schema aus 1) verwendet wird.The gate G of the transistor FET1 is also a phase shifter 22 with the signal source 5 connected. The signal source 5 provides a modulation voltage at a frequency of 10 MHz, the same voltage signal also being used to modulate the radio frequency source 1 (see scheme from 1 ) is used.

Weiterhin ist das Gate G des Feldeffekttransistors FET1 mit einer Gleichspannungsquelle 23 verbunden. Die an dem Gate G des Feldeffekttransistors FET1 anliegende Gleichvorspannung der Vorspannungsquelle 23 ist so gewählt, dass die Modulation der Signalquelle 5 die Sensitivität des Transistors FET1 zwischen hoch und gering moduliert. Der Drain des Feldeffekttransistors FET1 ist mit einem Spannungsintegrator 24 verbunden, welcher die am Drain anliegende Spannung integriert und ein Spannungssignal ausgibt, welches proportional zu der Leistung der auf das Antennenelement 21 einfallenden Hochfrequenzstrahlung ist und welches gleichzeitig eine Funktion der Phasendifferenz zwischen den Phasenlagen des empfangenen Hochfrequenzsignals und des Modulations- bzw. Lokaloszillatorsignals, welches von der Signalquelle 5 stammt, ist.Furthermore, the gate G of the field effect transistor FET1 with a DC voltage source 23 connected. The DC bias voltage of the bias voltage source applied to the gate G of the field effect transistor FET1 23 is chosen so that the modulation of the signal source 5 the sensitivity of the transistor FET1 is modulated between high and low. The drain of the field effect transistor FET1 is connected to a voltage integrator 24 connected, which integrates the voltage applied to the drain and outputs a voltage signal which is proportional to the power of the antenna element 21 incident high-frequency radiation and which simultaneously a function of the phase difference between the phase angles of the received high-frequency signal and the modulation or local oscillator signal, which from the signal source 5 is, is.

Analog kann eine Schaltung implementiert werden, bei welcher der Strom statt der Spannung die Messgröße darstellt.Analogous For example, a circuit can be implemented in which the current instead of voltage represents the measurand.

Ein Phasenschieber 22 ermöglicht es nun, die Phasenlage des von der Signalquelle 5 stammenden am Gate G des Feldeffekttransistors FET1 anliegenden Modulations- bzw. Lokaloszillatorsignals gegenüber der Phase der Amplitudenmodulation auf dem Antennenelement 21 auftreffenden Hochfrequenzstrahlung zu verschieben. Auf diese Weise lassen sich mit Hilfe von vier Messungen alle Quadraturkomponenten des einfallenden Hochfrequenzsignals erfassen und so die Phasenlage in Bezug auf das Lokaloszillatorsignal bestimmen. Dabei wird zwischen jeder Messung die Phasenlage des Lokaloszillatorsignals mit Hilfe des Phasenschiebers 22 um 90° verschoben.A phase shifter 22 now allows the phase angle of the signal source 5 originating at the gate G of the field effect transistor FET1 modulating or local oscillator signal relative to the phase of the amplitude modulation on the antenna element 21 to shift incident high-frequency radiation. In this way, with the help of four measurements all quadrature components of the incident high-frequency signal can be detected and thus determine the phase position with respect to the local oscillator signal. In this case, between each measurement, the phase position of the local oscillator signal using the phase shifter 22 shifted by 90 °.

Wenn mit Hilfe der Gleichspannungsquelle 23 eine konstante Vorspannung U₀ zwischen der Source S und dem Gate G des Feldeffekttransistors FET1 angelegt wird, führt die einfallende Hochfrequenzstrahlung 3 zum Auftreten eines konstanten Drain-Potentials ΔU. Der Transistor P-FET kann zwischen einem eingeschalteten Zustand (hohe Sensitivität) und einem nahezu ausgeschalteten Zustand (keine Sensitivität) geschaltet werden durch Modulieren der Vorspannung U₀ + U_m des Gates G. Dazu wird der konstanten Vorspannung U₀ das Modulationssignal U_m der Signalquelle 5 hinzugefügt, wobei U₀ so angepaßt wird, daß die maximale Antwort bei der Spannung U₀ – U_m erhalten wird. Da die einfallende Hochfrequenzstrahlung 3 mit der gleichen Frequenz ω_mod moduliert ist wie das Gate G, ist die am Drain D anliegende Spannung ΔU eine periodische zeitabhängige Funktion, die von der Gesamtphasenverschiebung Δφ + φ₀ zwischen der Intensitätsmodulation der einfallenden elektromagnetischen Hochfrequenzstrahlung 3 und der Modulation U_m des Gates G abhängt, wobei Δφ die Phase der Gate-Modulation und φ₀ die Phase der Modulation der auf den Transistor einfallenden Hochfrequenzstrahlung 3 ist.If using the DC voltage source 23 a constant bias voltage U _{0 is applied} between the source S and the gate G of the field effect transistor FET1, performs the incident high frequency radiation 3 for the occurrence of a constant drain potential ΔU. The transistor P-FET can be switched between an on state (high sensitivity) and a nearly off state (no sensitivity) by modulating the bias voltage U ₀ + U _{m of} the gate G. For this, the constant bias U _{0 is} the modulation signal U _m source 5 is added, where U ₀ is adjusted so that the maximum response at the voltage U ₀ - U _{m is} obtained. Because the incident high frequency radiation 3 is modulated at the same frequency ω _mod as the gate G, the voltage ΔU applied to the drain D is a periodic time-dependent function, which is the total phase shift Δφ + φ ₀ between the intensity modulation of the incident high-frequency electromagnetic radiation 3 and the modulation U _{m of} the gate G, where Δφ is the phase of the gate modulation and φ _{0 is} the phase of the modulation of the radio-frequency radiation incident on the transistor 3 is.

Die Autokorrelationsfunktion ΔU_integrated erreicht ein Maximum, wenn die einfallende Hochfrequenzstrahlung 3 und die Oszillationen der am Gate G anliegenden Spannung eine Phasendifferenz von nπ aufweisen, wobei n eine ungerade Zahl ist. Diese Bedingung ist genau dann erfüllt, wenn das Maximum des modulierten Signals zu dem gleichen Zeitpunkt auf den Transistor P-FET auftrifft, zu dem dessen Gate G so vorgespannt ist, daß die Sensitivität maximal ist.The autocorrelation function ΔU _integrated reaches a maximum when the incident high frequency radiation 3 and the oscillations of the voltage applied to the gate G have a phase difference of nπ, where n is an odd number. This condition is met if and only if the maximum of the modulated signal at the same time point to the transistor P-FET, to whose gate G is biased so that the sensitivity is maximum.

Wenn das Objekt 4 aus 1 mit der von der Strahlungsquelle 1 abgestrahlten intensitätsmodulierten Hochfrequenzstrahlung 3 beleuchtet wird, weist die auf den Feldeffekttransistor FET1 auftreffende Strahlung eine Phasenverschiebung Δφ auf, die proportional zum Abstand d zwischen dem Feldeffekttransistor FET1 und dem Objekt ist. Der Abstand d beträgt d = c·Δφ/2ω_mod. Die Autokorrelationsfunktion für ein Objekt 4 in einem bestimmten Abstand, welcher eine Phasenverschiebung Δφ einfügt, kann aus vier Abtastpunkten A₁, A₂, A₃ und A₄, die jeweils um 90° zueinander phasenverschoben sind, rekonstruiert werden, wobei die folgende Gleichung verwendet wird: Δφ = arctan (A2 – A4)/(A1 – A3). If the object 4 out 1 with that of the radiation source 1 radiated intensity modulated radio frequency radiation 3 is illuminated, the incident on the field effect transistor FET1 radiation has a phase shift Δφ, which is proportional to the distance d between the field effect transistor FET1 and the object. The distance d is d = c · Δφ / 2ω _mod . The autocorrelation function for an object 4 at a certain distance, which introduces a phase shift Δφ, can be reconstructed from four sampling points A ₁ , A ₂ , A ₃ and A ₄ , each phase-shifted by 90 ° to each other, using the following equation: Δφ = arctane (A 2 - A 4 ) / (A 1 - A 3 ).

In 3 ist eine zu der Ausführungsform aus 2 alternative Ausgestaltung des Empfängers 2' dargestellt. Im Gegensatz zu der Ausführungsform aus 2 ist das Antennenelement 21 mit dem Source-Drain-Kanal verbunden statt mit dem Gate G. Das gleichgerichtete Signal wird mit Hilfe eines Stromintegrators erfasst, dessen Ausgangsspannung proportional zu der auf das Antennenelement 21 einfallenden Leistung der Hochfrequenzstrahlung ist und die von der Phasendifferenz zwischen der Hochfrequenzstrahlung und dem Lokaloszillatorsignal abhängt.In 3 is one to the embodiment of 2 alternative embodiment of the receiver 2 ' shown. In contrast to the embodiment of 2 is the antenna element 21 The rectified signal is detected by means of a current integrator whose output voltage is proportional to that of the antenna element 21 incident power of the high frequency radiation and which depends on the phase difference between the high frequency radiation and the local oscillator signal.

4 zeigt eine Ausführungsform des Empfängers 2'', der eine Kombination der in 2 und 3 gezeigten Kopplungen der Antennen 21 an den Feldeffekttransistor FET1 darstellt. Zum Ankoppeln des Antennenelements 21 an den Feldeffekttransistor FET1 über dessen Gate und den Source-Drain-Kanal ist zwischen Antennenelement 21 und Feldeffekttransistor FET1 ein Hochfrequenzteiler 26 aus zwei Impedanzen Z₁, Z₂ vorgesehen, der das Hochfrequenzsignal, das von dem Antennenelement 21 empfangen wird auf das Gate und den Drain des Feldeffekttransistors FET1 leitet. Wie in 2 erfolgt eine Spannungsintegration des Ausgangssignals des Feldeffekttransistors FET1 am Drain des Transistors FET1. Die komplexen Impedanzen des Teilers 26 sind so gewählt, dass sich die über das Gate und den Drain in den Feldeffekttransistor FET1 eingekoppelten Teile des Hochfrequenzsignals konstruktiv überlagern. 4 shows an embodiment of the receiver 2 '' , which is a combination of in 2 and 3 shown couplings of the antennas 21 represents the field effect transistor FET1. For coupling the antenna element 21 to the field effect transistor FET1 via its gate and the source-drain channel is between the antenna element 21 and field effect transistor FET1 a high frequency divider 26 of two impedances Z ₁ , Z ₂ , which is the high-frequency signal emitted by the antenna element 21 is received on the gate and the drain of the field effect transistor FET1 passes. As in 2 a voltage integration of the output signal of the field effect transistor FET1 takes place at the drain of the transistor FET1. The complex impedances of the divider 26 are chosen so that the coupled via the gate and the drain in the field effect transistor FET1 parts of the high-frequency signal overlap constructively.

Die Ausführungsformen der 5 bis 7 zeigen Empfänger 2''', 2'''', 2''''' mit einer Anordnung von zwei Feldeffekttransistoren FET1, FET2 pro Antennenelement 21, wobei ein erster Feldeffekttransistor FET1 jeweils als Detektor-Transistor, d. h. als Mischerelement dient, während der zweite Feldeffekttransistor FET2 die Funktion eines Kompensations- bzw. Abgleichstransistor übernimmt. Das gleichgerichtete Gatemodulationssignal bzw. Lokaloszillatorsignal sorgt am Ausgang des Feldeffekttransistors FET1 für einen Gleichspannungsanteil bzw. Offset der keine Signifikanz für das zu erfassende Hochfrequenzsignal 3 aufweist. Die in 5 bis 7 dargestellten Ausführungsformen ermöglichen es, diesen Offset zu kompensieren bzw. zu subtrahieren.The embodiments of the 5 to 7 show receiver 2 ''' . 2 '''' . 2 ''''' with an arrangement of two field-effect transistors FET1, FET2 per antenna element 21 , wherein a first field effect transistor FET1 each serves as a detector transistor, ie as a mixer element, while the second field effect transistor FET2 performs the function of a compensation or tuning transistor. The rectified gate modulation signal or local oscillator signal provides at the output of the field effect transistor FET1 for a DC component or offset of no significance for the high-frequency signal to be detected 3 having. In the 5 to 7 illustrated embodiments make it possible to compensate or subtract this offset.

Wie in 4 ist auch bei der Ausführungsform aus 5 das Antennenelement 21 sowohl mit dem Gate G des Feldeffekttransistors FET1 (Detektor-Transistor) verbunden als auch über eine Kapazität C_D mit dem Source-Drain-Kanal des Feldeffekttransistors FET1 gekoppelt. Gleichzeitig ist auch das Modulationssignal der Signalquelle 5 mit dem Gate G verbunden, um in dem Feldeffekttransistor FET1 ein Mischsignal der beiden Signale zu erzeugen. Bei der in 5 gezeigten Ausführungsform ist das Gate G des Feldeffekttransistors FET1 zusätzlich mit dem Gate G des Feldeffekttransistors FET2 verbunden. Dabei ist vor dem Gate des Feldeffekttransistors FET2 ein Tiefpaßfilter vorgesehen, so daß die Hochfrequenzstrahlung vollständig herausgefiltert wird und nur das Modulations- bzw. Lokaloszillatorsignal der Signalquelle 5 das Gate G des Feldeffekttransistors FET2 erreicht.As in 4 is also off in the embodiment 5 the antenna element 21 both connected to the gate G of the field effect transistor FET1 (detector transistor) and coupled via a capacitance C _D to the source-drain channel of the field effect transistor FET1. At the same time is also the modulation signal of the signal source 5 connected to the gate G to generate in the field effect transistor FET1 a mixed signal of the two signals. At the in 5 In the embodiment shown, the gate G of the field effect transistor FET1 is additionally connected to the gate G of the field effect transistor FET2. In this case, a low-pass filter is provided in front of the gate of the field effect transistor FET2, so that the high frequency radiation is completely filtered out and only the modulation or local oscillator signal of the signal source 5 reaches the gate G of the field effect transistor FET2.

Bei allen Ausführungsformen der 5 bis 7 sind die Feldeffekttransistoren FET1 und FET2 bauartgleich, so daß der zweite Feldeffekttransistor FET2, welcher nicht mit dem Hochfrequenzsignal gespeist wird, lediglich auf Grundlage des Modulationssignals ein Gleichrichtungssignal erzeugt, welches dem entsprechenden Offset des Signals des Feldeffekttransistors FET1 entspricht. Wird in dem nachgeschalteten Differenzverstärker 27 nun das Ausgangssignal des Feldeffekttransistors FET2 von dem Ausgangssignal des Feldeffekttransistors FET1 abgezogen, so erhält man ein aufintegrierbares Spannungssignal, welches um den von der Gleichrichtung des Modulationssignals stammenden Offset bereinigt ist. Das mit Hilfe eines Spannungsintegrators 24 aufintegrierte Signal ist dann wieder proportional zur einfallenden Hochfrequenzleistung und abhängig von der Differenz der Phasenlagen von Hochfrequenzstrahlung und Modulations- bzw. Lokaloszillatorsignal.In all embodiments of the 5 to 7 are the field effect transistors FET1 and FET2 identical in construction, so that the second field effect transistor FET2, which is not fed with the high frequency signal, generates only on the basis of the modulation signal, a rectification signal corresponding to the corresponding offset of the signal of the field effect transistor FET1. Will in the downstream differential amplifier 27 now the output signal of the field effect transistor FET2 subtracted from the output signal of the field effect transistor FET1, we obtain an aufintegrierbares voltage signal, which is adjusted by the derived from the rectification of the modulation signal offset. That with the help of a voltage integrator 24 integrated signal is then again proportional to the incident high-frequency power and dependent on the difference of the phase positions of high-frequency radiation and modulation or local oscillator signal.

Bei der Ausführungsform aus 6 ist gegenüber der Ausführungsform aus 5 ein zusätzlicher Shunt über die Kapazitäten C_D, C_B der Feldeffekttransistoren FET 1 bzw. FET 2 vorgesehen. Die Shunt-Widerstände werden verwendet, um einen Strom über die Source-Drain-Kanäle der Feldeffekttransistoren FET 1 und FET 2 zu ziehen und so die Gleichrichtungseffizienz für das Hochfrequenzsignal zu erhöhen.In the embodiment of 6 is opposite to the embodiment 5 an additional shunt across the capacitances C _D , C _{B of} the field effect transistors FET 1 and FET 2 is provided. The shunt resistors are used to draw a current across the source-drain channels of the field-effect transistors FET 1 and FET 2, thus increasing the rectification efficiency for the high-frequency signal.

Anzumerken ist, dass in allen Ausführungsformen aus 5 bis 7 die mit den Feldeffekttransistoren FET1 und FET2 verschalteten Elemente C_D, C_B bzw. R_D, R_B identisch sind, um eine möglichst vollständige Kompensation der durch die Gleichrichtung des Lokaloszillatorsignals erzielten Spannungen bzw. Ströme zu ermöglichen.It should be noted that in all embodiments 5 to 7 the with the field effect Transistors FET1 and FET2 connected elements C _D , C _B and R _D , R _{B are} identical in order to allow as complete as possible compensation of the voltages or currents obtained by the rectification of the local oscillator signal.

Bei der Ausführungsform aus 7 ist das Antennenelement statt mit den Gates der Feldeffekttransistoren FET1, FET2 mit deren Drains verbunden. Erst die optionalen Kapazitäten C_D bzw. C_B ermöglichen eine zusätzliche Kopplung des Modulationssignals an die Gates G. Eine solche Schaltung bewirkt, dass die Amplitude des Stroms über den Source-Drain-Kanal proportional zur Hochfrequenzleistung ist, wenn die Hochfrequenzleistung nicht moduliert ist. Wird die Hochfrequenzleistung hingegen moduliert, enthält die Amplitude des Stroms über den Source-Drain-Kanal Information über die relative Phasendifferenz zwischen Lokaloszillatorsignal und der Trägerwellenmodulation.In the embodiment of 7 the antenna element is connected to its drain instead of the gates of the field-effect transistors FET1, FET2. Only the optional capacitances C _D and C _B allow an additional coupling of the modulation signal to the gates G. Such a circuit causes the amplitude of the current through the source-drain channel to be proportional to the high frequency power when the high frequency power is not modulated. On the other hand, when the high-frequency power is modulated, the amplitude of the current through the source-drain channel includes information about the relative phase difference between the local oscillator signal and the carrier wave modulation.

Für Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, dass sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen Zusammenstellungen mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen unmöglich oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarer Merkmalskombinationen wird hier nur der Kürze und der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.For Purpose of the original disclosure is pointed out that all features, as they result from the present Description, the drawings and the claims for develop a specialist, even if they are specifically only in Context with certain other features have been described, both individually and in any combination with others the features or feature groups disclosed here can be combined unless expressly excluded or technical conditions such combinations impossible or make pointless. On the comprehensive, explicit representation of all conceivable combinations of features is here only for brevity and omitted for the sake of readability of the description.

Während die Erfindung im Detail in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung dargestellt und beschrieben wurde, erfolgt diese Darstellung und Beschreibung lediglich beispielhaft und ist nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht, so wie er durch die Ansprüche definiert wird. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt.While the invention in detail in the drawings and the foregoing Description has been presented and described, this representation takes place and description are exemplary only and not limited the scope of protection, as he claims by the claims is defined. The invention is not limited to the disclosed embodiments limited.

Abwandlungen der offenbarten Ausführungsformen sind für den Fachmann aus den Zeichnungen, der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen offensichtlich. In den Ansprüchen schließt das Wort ”aufweisen” nicht andere Elemente aus, und der unbestimmte Artikel ”eine” oder ”ein” schließt eine Mehrzahl nicht aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in unterschiedlichen Ansprüchen beansprucht sind, schließt ihre Kombination nicht aus. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht.modifications The disclosed embodiments are for the Expert in the drawings, the description and the attached Claims obvious. In the claims that concludes Word does not "have" other elements, and the indefinite article "one" or "one" includes one The majority are not. The mere fact that certain Characteristics claimed in different claims, does not exclude their combination. Reference numerals in the Claims are not intended as a limitation of the scope thought.

11: Strahlungsquelleradiation source
2, 2', 2'', 2''', 2'''', 2'''''2, 2 ', 2' ', 2' '', 2 '' '', 2 '' '' ': Empfängerreceiver
33: HochfrequenzsignalRF signal
44: Objektobject
55: Signalquellesource
2121: Antennenelementantenna element
2222: Phasenschieberphase shifter
2323: Vorspannungsquellebias
2424: Spannungsintegratorvoltage integrator
2525: Stromintegratorcurrent integrator
2626: TiefpassfilterLow Pass Filter
2727: Differenzverstärkerdifferential amplifier
FET1FET1: Detektor-FeldeffekttransistorDetector field effect transistor
FET2FET2: Kompensations-FeldeffekttransistorCompensation field effect transistor
SS: Sourcesource
DD: Draindrain
GG: Gategate
C_B, C_D C _B , C _D: Kapazitätcapacity
R_B, R_D R _B , R _D: Shuntshunt
Z₁, Z₂ Z ₁ , Z ₂: Impedanzimpedance
A₁, A₂, A₃, A₄ A ₁ , A ₂ , A ₃ , A ₄: Abtastpunktesampling

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2002/033817 [0006]

Claims

System for three-dimensional detection of an object with electromagnetic high-frequency radiation ( 3 ) with a radiation source ( 1 ) for high-frequency radiation ( 3 ) having a frequency in the range of 100 GHz to 10 THz, a receiver for detecting the radiation source ( 1 ) radiated high frequency radiation ( 3 ), which is an antenna element ( 21 ) and a field effect transistor (FET1) for mixing the radiation source ( 1 ) radiated high frequency radiation ( 3 ) having a local oscillator signal, the field effect transistor (FET1) having a source (S), a drain (D) and a gate (G), and having a signal source ( 5 ) for generating an electrical modulation signal, wherein the signal source ( 5 ) in such a way with the radiation source ( 1 ), that the high frequency radiation ( 1 ) is modulated with the modulation signal and wherein the signal source ( 5 ) is connected to the gate (G) of the field effect transistor (FET1) in such a way that the sensitivity of the field effect transistor (FET1) can be modulated with a local oscillator signal coupled in a phase-locked manner to the modulation signal.

System according to claim 1, characterized in that it comprises a phase shifter ( 22 ), which has a selectable phase shift between the high-frequency radiation ( 3 ) and the local oscillator signal.

System according to claim 1 or 2, characterized in that the antenna element ( 21 ) is connected to the gate (G) of the field effect transistor (FET1).

System according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the drain (D) is connected to a voltage integrator ( 24 ) connected is.

System according to one of claims 1 to 4, characterized in that the antenna element ( 21 ) is connected to the drain (D) of the field effect transistor (FET1).

System according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the source (S) or the drain (D) of the field effect transistor (FET1) is connected to a current integrator ( 25 ) connected is.

System according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the gate (G) of the field effect transistor (FET1) is connected to a DC voltage source ( 23 ) connected is.

System according to one of claims 1 to 7, characterized in that it has a matrix-like arrangement of a plurality of antenna elements ( 21 ) and field effect transistors (FET1).

System according to one of claims 1 to 8, characterized in that in each case four field effect transistors (FET1) form a picture element (pixel).

System according to one of claims 1 to 9, characterized in that the antenna element ( 21 ) via a divider ( 26 ) is connected both to the gate (G) and to the drain (D) of the field effect transistor (FET1).

System according to one of Claims 1 to 10, characterized in that the signal source ( 5 ) is connected to a first field effect transistor (FET1) and a second field effect transistor (FET2).

System according to claim 11, characterized in that between the signal source ( 5 ) and the second field effect transistor (FET2) a low-pass filter ( 26 ) is provided.

System according to claim 11 or 12, characterized in that the drain (D) or the source (S) of the first field effect transistor (FET1) and of the second field effect transistor (FET2) are each connected to an input of a differential amplifier ( 27 ) connected is.

Method for the three-dimensional detection of an object ( 4 ) with electromagnetic high-frequency radiation ( 3 ) with the steps of generating electromagnetic high-frequency radiation ( 3 ) having a frequency in the range of 100 GHz to 10 THz, modulating the amplitude or frequency of the high-frequency radiation ( 3 ) with a modulation signal, detecting the modulated high-frequency radiation ( 3 ) with a receiver ( 2 ), which is an antenna element ( 21 ) and a field effect transistor (FET1) for mixing the radiation source ( 1 ) radiated high frequency radiation ( 3 ) having a local oscillator signal, the field effect transistor (FET1) having a source (S), a drain (D) and a gate (G), and modulating the sensitivity of the field effect transistor (FET1) with a phase locked to the modulation signal coupled local oscillator signal.

Method according to claim 14, characterized in that that the step of modulating the sensitivity of the field effect transistor (FET1) by modulating the voltage at Gate (G) of the field effect transistor (FET1) takes place.