DE102008047103B4 - Apparatus and method for three-dimensional imaging with THz radiation - Google Patents

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Frédéric Teppe
Michel Diakonov
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Abstract

Vorrichtung zur dreidimensionalen Erfassung eines Objekts mit elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung (3) mit
einer Strahlungsquelle (1) für Hochfrequenzstrahlung (3) mit einer Frequenz in einem Bereich von 100 GHz bis 10 THz,
einem Empfänger zur Erfassung der von der Strahlungsquelle (1) abgestrahlten Hochfrequenzstrahlung (3), der
ein Antennenelement (21) und
einen Feldeffekttransistor (FET1) zum Mischen der von der Strahlungsquelle (1) abgestrahlten Hochfrequenzstrahlung (3) mit einem Lokaloszillatorsignal aufweist, wobei der Feldeffekttransistor (FET1) eine Source (S), einen Drain (D) und ein Gate (G), aufweist, und
mit einer Signalquelle (5) zur Erzeugung eines elektrischen Modulationssignals,
wobei die Signalquelle (5) derart mit der Strahlungsquelle (1) verbunden ist, daß die Hochfrequenzstrahlung (1) mit dem Modulationssignal modulierbar ist und
wobei die Signalquelle (5) derart mit dem Gate (G) des Feldeffekttransistors (FET1) verbunden ist, daß die Sensitivität des Feldeffekttransistors (FET1) mit dem Lokaloszillatorsignal modulierbar ist, wobei das Lokaloszillatorsignal phasenstarr an das Modulationssignal gekoppelt...Device for the three-dimensional detection of an object with electromagnetic high frequency radiation (3) with
a radiation source (1) for high-frequency radiation (3) with a frequency in a range of 100 GHz to 10 THz,
a receiver for detecting the radio frequency radiation (3) emitted by the radiation source (1), the
an antenna element (21) and
a field effect transistor (FET1) for mixing the radio frequency radiation (3) radiated by the radiation source (1) with a local oscillator signal, the field effect transistor (FET1) having a source (S), a drain (D) and a gate (G), and
with a signal source (5) for generating an electrical modulation signal,
wherein the signal source (5) is connected to the radiation source (1) such 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) such that the sensitivity of the field effect transistor (FET1) can be modulated with the local oscillator signal, wherein the local oscillator signal is phase locked to the modulation signal ...

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur dreidimensionalen Erfassung eines Objekts mit elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung.The present invention relates to an apparatus and a method for three-dimensional detection of an object with electromagnetic high-frequency 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.Most purely electronic devices operating in the THz frequency range are based on GaAs or InP semiconductor technology. Recently, SiGe and CMOS semiconductor technologies have been shown to result in devices operating at frequencies up to 100GHz. At higher frequencies up to 1 THz and beyond, more complex quantum cascade laser systems are also used as sources, such as opto-electronic systems based on femtosecond short-pulse lasers or the mixing of 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 currently detected in the known systems with heterodyne mixers, for example Schottky diode mixers, photoconductive detectors or power detectors, such as photovoltaic detectors, bolometers or Golay cells.

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.However, all of the techniques described above have a considerable complexity of the source and detector components themselves and in their production, so that while they are used in research and development as well as in research-related applications, such as radio astronomy, but are not suitable for mass markets.

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.

Aus der WO 99/31755 ist eine Anordnung zum Empfangen und Mischen elektromagnetischer Wellen bekannt. Die Anordnung weist ein Antennenelement und einen Verstärkungstransistor auf. Die Anordnung schließt darüber hinaus Mittel zum Anlegen eines lokal erzeugten Oszillatorsignals und eines extern erzeugten Radiofrequenzsignals von einem Antennenelement an eine Gateelektrode des Verstärkungstransistors ein. Ein Ausgangssignal des Verstärkungstransistors ist eine Funktion der Radiofrequenz und dem lokal erzeugen Oszillatorsignal.From the WO 99/31755 An arrangement for receiving and mixing electromagnetic waves is known. The arrangement comprises an antenna element and a gain transistor. The arrangement further includes means for applying a locally generated oscillator signal and an externally generated radio frequency signal from an antenna element to a gate electrode of the amplification transistor. An output signal of the amplification transistor is a function of the radio frequency and the locally generated oscillator signal.

Die EP 1 357 395 A1 offenbart eine Anordnung, in der ein und derselbe Oszillator verwendet wird, um das Trägersignal eines Hochfrequenztransmissionssignals zu erzeugen und auch, um ein Lokaloszillatorsignal zu erzeugen, das in den Mischer eines Empfängers eingespeist wird.The EP 1 357 395 A1 discloses an arrangement in which one and the same oscillator is used to generate the carrier signal of a radio frequency transmission signal and also to generate a local oscillator signal which is fed to the mixer of a receiver.

Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung 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 has for its object to provide an apparatus and a method for three-dimensional detection of an object with electromagnetic high-frequency radiation having a frequency in a range of 100 GHz to 10 THz.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung 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 device 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 with a phas is permanently modulated 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 one embodiment of the invention, the radiation source is arranged to emit high frequency electromagnetic 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.In this case, the radiation source can be set up so that the high-frequency radiation can be modulated directly with the modulation signal. Such a direct modulation of the radiated high-frequency radiation can generally be realized in the electrically driven high-frequency sources, for example (quantum cascade) lasers or diode sources, by directly modulating the current or voltage driving the source. Alternatively or additionally, the radiation source may have a modulator which is connected to the signal source, so that the radiation emitted by the radiation source high-frequency radiation after emission by the actual radiation source is a modulation impressed. Such modulators can be, for example, semiconductor components or else the components known from nonlinear optics, such as, for example, a Pockels cell.

Dabei ist je nach Ausführungsform die Strahlungsquelle so eingerichtet, daß entweder die Intensität der abgestrahlten Hochfrequenzstrahlung oder deren Frequenz oder beide modulierbar sind.Depending on the embodiment, the radiation source is set up so that either the intensity of the emitted high-frequency radiation or its frequency or both can be modulated.

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.In one embodiment of the invention, the antenna element is a high-frequency antenna resonating at the operating frequency of the radiation source, for example a dipole antenna or even a broadband antenna, which enables frequency tuning of the radiation source without losing the sensitivity on the receiver side.

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.The field effect transistor used as a mixer in the receiver is a field effect transistor having 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.A field effect transistor (FET) in the sense of the present invention is a unipolar transistor in which, in contrast to the bipolar transistors, only one charge type is involved in the current flow - depending on the design, the electrons or holes may be. The field-effect transistors are preferably switched largely without power or loss. A possible example of a field effect transistor according to the invention is a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET). In contrast to bipolar transistors (current-controlled), field-effect transistors are voltage-controlled circuit elements. The control takes place via the gate-source voltage, which is used to regulate the channel cross-section or the charge carrier density, ie. H. of the resistance of the semiconductor serves to switch or to amplify the electric current through the source-drain channel.

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.The field effect transistor operates in the inventive arrangement as a resistive mixer. For the purposes of this application, resistive mixers are understood as meaning both classical resistive mixers in which the modulation of the channel resistance occurs in the quasi-stationary limiting case and plasmonic resistive mixers in which collective carrier vibrations (plasmon) are excited in the 2-dimensional electron gas. The plasmons may be weakly attenuated or over-attenuated.

Die zu erfassende Hochfrequenzstrahlung wird in einer Ausführungsform über den Gate-Source-Kontakt in den Feldeffekttransistor eingespeist.The high-frequency radiation to be detected is fed in one embodiment via 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.It is expedient to use an embodiment in which the field effect transistor has the highest possible impedance at the target frequency of the high-frequency radiation via the source-drain channel. In order to meet this boundary condition, in one embodiment of the invention, the source-drain channel has a high-impedance termination for the high-frequency radiation to be received, at least on one side. In one embodiment, the high-frequency impedance of the source-drain channel at the target frequency is greater than 1 MΩ. The high impedance at the source-drain channel in one embodiment is externally, i. H. provided by the circuitry, but it may also be realized by the design of the transistor itself. For externally providing the high impedance, in one embodiment of the invention, the drain of the field effect transistor may be connected to an impedance matching element, preferably a waveguide with matching impedance.

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 one embodiment of the invention, the antenna element or a connection of the antenna element is connected to the gate of the field effect transistor. In such an embodiment, the drain is connected to a voltage integrator which generates an integrated voltage output signal that is proportional to the power of the high frequency radiation impinging on the antenna element. The integrated voltage also depends on the phase difference between the incident on the antenna element high-frequency radiation and the local oscillator signal.

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 die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Phasenschieber auf, der eine auswählbar einstellbare Phasenverschiebung zwischen der zu erfassenden Hochfrequenzstrahlung und dem Lokaloszillatorsignal einfügt.In one embodiment, the device according to the invention has a phase shifter which inserts a selectably 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.In this case, the phase shifter is arranged in a preferred embodiment of the invention between the signal source for generating the modulation signal and the gate of the field effect transistor, so that the phase of the local oscillator signal relative to the phase of the incident on the antenna element radiofrequency radiation can be moved.

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 the high-frequency radiation is shifted. This can be done for example by a phase shifter, which shifts the modulation signal between the signal source and the radiation source.

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 insertion of a phase shift between the modulation of the detected high frequency radiation and the local oscillator signal makes it possible to detect the phase position of the modulation of the high frequency radiation relative to the local oscillator signal by measuring the quadrature components and thus a measure of the transit time or the path length of the electromagnetic high frequency radiation between the radiation source and to determine the recipient.

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, the antenna element is 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, the source of the field effect transistor is preferably connected to a current integrator, the voltage output of which depends on the power of the radio-frequency radiation incident on the antenna element. The resulting DC current is read out at the source-drain channel with low impedance. In addition, the voltage output of the current integrator is also dependent on 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 one embodiment of the invention, the receiver has a matrix-like arrangement of a plurality of antenna elements and field-effect transistors. Such an arrangement makes it possible to detect the radiation in a line-shaped or planar element, wherein in particular planar elements allow the detection of a two-dimensional image in the manner of a CCD or CMOS chip, while for each pixel a depth information can be detected simultaneously, so that a three-dimensional Illustration of the detected object is possible.

In einer Ausführungsform der Erfindung, bei welcher eine Mehrzahl von Antennenelementen und Feldeffekttransistoren den Empfänger der Vorrichtung 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 in which a plurality of antenna elements and field effect transistors form the receiver of the device, four field effect transistors are combined to form a different pixel. These four field effect transistors are preferably fed by the same antenna element, but may each be connected to a single antenna element. In one embodiment of the invention, the local oscillator signals, which are connected to the four field effect transistors of such a pixel, each shifted by 90 ° to each other, so that at the same time all quadrature components of the signal can be detected with a single pixel.

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 one embodiment of the invention, the antenna element is connected via a high frequency divider both to the gate and to the drain of the field effect transistor. This makes it possible to improve the power detection of the high-frequency signal incident on the antenna element. In this way, the high-frequency signal is coupled into both the gate-source contact and the source-drain channel. Examples of possible high frequency dividers include a capacitor disposed between the gate and drain of the field effect transistor, an impedance divider, etc. The selection of the divider and its components, e.g. B. two impedances, makes it possible, the phase shift between those with the gate and with the Drain associated portions of the high frequency radiation to adapt so that an optimal signal increase is achieved and the signal components in the field effect transistor interfere as possible destructive.

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 Modulationsspannung 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 for compensation of the signal component is used (compensation transistor), which by a rectification applied to the gate of the detector field effect transistor modulation voltage of the local oscillator signal is caused. Also in such an embodiment, the local oscillator signal is fed to the gate of the detector transistor and the antenna element is also connected, for example, 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.Such an arrangement is realized in one embodiment of the invention in that a low-pass filter is provided in front of the gate of the compensation transistor, which indeed passes the modulation frequency of the local oscillator signal, but filters the frequency of the high-frequency signal.

Im folgenden wird nun beispielhaft beschrieben, wie mit Hilfe einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Verfahren zur dreidimensionalen Erfassung eines Objekts mit elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung ausgeführt werden kann.In the following it will now be described by way of example how a method for the three-dimensional detection of an object with electromagnetic high-frequency radiation can be carried out with the aid of an embodiment of the device according to the invention.

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 one embodiment, for example, the high-frequency radiation of the radiation source is amplitude-modulated with a sinusoidal modulation signal. The sinusoidal modulation signal used to impose amplitude modulation on the radio frequency radiation is also coupled into the gate of the field effect transistor to impress the modulation signal to the gate electrode. The output signal of the field effect transistor depends on the product of the sensitivity of the transistor and the intensity of the incident electromagnetic high frequency radiation. If both the incident radiation is intensity-modulated and the sensitivity of the detector is modulated with the same but out-of-phase modulation signal, then the output of the detector will include a rectified voltage component based on the phase difference between the gate applied modulation and the modulation of the radio 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.Due to the descent from the same signal source, the modulation of the high frequency radiation and the modulation of the gate (local oscillator signal), i. H. the sensitivity of the field effect transistor, phase-locked together. The phase of the modulation of the high-frequency signal thus determined allows the back-calculation of the distance between an object which reflects the high-frequency radiation emitted by the radiation source and the field-effect transistor within the limits of the 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.In order to avoid the 2π uncertainty, the methods known from interferometry can be used in one embodiment, for example a broad spectrum of modulation frequencies (analogous to white light interferometry) or different modulation sequences, in particular modulations deviating from a sinusoidal curve, 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 above object is therefore also achieved by a method for three-dimensional detection of an object with electromagnetic high-frequency radiation, comprising the following steps: generating electromagnetic high-frequency radiation having a frequency in the range of 100 GHz to 10 THz, modulating the amplitude or frequency of the high-frequency radiation a modulation signal, detecting the modulated high frequency radiation with a receiver comprising an antenna element and a field effect transistor for mixing the radiated high frequency radiation from the radiation source with a local oscillator signal, the field effect transistor having a source, a drain and a gate, and modulating the sensitivity of the field effect transistor 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 invention will become apparent from the following description of embodiments of the invention and the associated figures.

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, like elements are designated by like 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.Analogously, a circuit can be implemented in which the current instead of the voltage represents the measured variable.

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 + Um des Gates G. Dazu wird der konstanten Vorspannung U0 das Modulationssignal Um der Signalquelle 5 hinzugefügt, wobei U0 so angepaßt wird, daß die maximale Antwort bei der Spannung U0 – Um erhalten wird. Da die einfallende Hochfrequenzstrahlung 3 mit der gleichen Frequenz ωmod 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 Um 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 with the same frequency ω mod as the gate G, the voltage ΔU applied to the drain D is a periodic one Time-dependent function of the total phase shift Δφ + φ 0 between the intensity modulation of the incident 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 ΔUintegrated 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 satisfied if and only if the maximum of the modulated signal impinges on the transistor P-FET at the same instant to which its 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/2ωmod. 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 A1, A2, A3 and A4, 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 CD 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 CD, CB der Feldeffekttransistoren FET1 bzw. FET2 vorgesehen. Die Shunt-Widerstände werden verwendet, um einen Strom über die Source-Drain-Kanäle der Feldeffekttransistoren FET1 und FET2 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 FET1 and FET2 provided. The shunt resistors are used to draw a current across the source-drain channels of the field effect transistors FET1 and FET2, 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 CD, CB bzw. RD, RB 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 elements C D , C B and R D , R B connected to the field-effect transistors FET1 and FET2 are identical in order to allow the most complete possible compensation of the voltages or currents achieved 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 CD bzw. CB 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 purposes of the original disclosure, it is to be understood that all such features as will become apparent to those skilled in the art from the present description, drawings, and claims, even if concretely described only in connection with certain other features, both individually and separately any combination with other of the features or feature groups disclosed herein are combinable, unless this has been expressly excluded or technical conditions make such combinations impossible or pointless. On the comprehensive, explicit representation of all conceivable combinations of features is omitted here only for the sake of brevity and readability of the description.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

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
CB, CD C B , C D
Kapazitätcapacity
RB, RD 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

Claims (15)

Vorrichtung zur dreidimensionalen Erfassung eines Objekts mit elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung (3) mit einer Strahlungsquelle (1) für Hochfrequenzstrahlung (3) mit einer Frequenz in einem Bereich von 100 GHz bis 10 THz, einem Empfänger zur Erfassung der von der Strahlungsquelle (1) abgestrahlten Hochfrequenzstrahlung (3), der ein Antennenelement (21) und einen Feldeffekttransistor (FET1) zum Mischen der von der Strahlungsquelle (1) abgestrahlten Hochfrequenzstrahlung (3) mit einem Lokaloszillatorsignal aufweist, wobei der Feldeffekttransistor (FET1) eine Source (S), einen Drain (D) und ein Gate (G), aufweist, und mit einer Signalquelle (5) zur Erzeugung eines elektrischen Modulationssignals, wobei die Signalquelle (5) derart mit der Strahlungsquelle (1) verbunden ist, daß die Hochfrequenzstrahlung (1) mit dem Modulationssignal modulierbar ist und wobei die Signalquelle (5) derart mit dem Gate (G) des Feldeffekttransistors (FET1) verbunden ist, daß die Sensitivität des Feldeffekttransistors (FET1) mit dem Lokaloszillatorsignal modulierbar ist, wobei das Lokaloszillatorsignal phasenstarr an das Modulationssignal gekoppelt ist.Device 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) such that the sensitivity of the field effect transistor (FET1) can be modulated with the local oscillator signal, wherein the local oscillator signal is phase locked to the modulation signal. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Phasenschieber (22) aufweist, welcher eine auswählbare Phasenverschiebung zwischen der zu erfassenden Hochfrequenzstrahlung (3) und dem Lokaloszillatorsignal einfügt.Device 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. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Antennenelement (21) mit dem Gate (G) des Feldeffekttransistors (FET1) verbunden ist.Device according to claim 1 or 2, characterized in that the antenna element ( 21 ) With the gate (G) of the field effect transistor (FET1) is connected. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Drain (D) mit einem Spannungsintegrator (24) verbunden ist.Device according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the drain (D) is connected to a voltage integrator ( 24 ) connected is. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Antennenelement (21) mit dem Drain (D) des Feldeffekttransistors (FET1) verbunden ist.Device 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). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Source (S) oder der Drain (D) des Feldeffekttransistors (FET1) mit einem Stromintegrator (25) verbunden ist.Device 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. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gate (G) des Feldeffekttransitors (FET1) mit einer Gleichspannungsquelle (23) verbunden ist.Device 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. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine matrixförmige Anordnung einer Mehrzahl von Antennenelementen (21) und Feldeffekttransistoren (FET1) aufweist.Device 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). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils vier Feldeffekttransistoren (FET1) ein Bildelement (Pixel) bilden.Device according to one of Claims 1 to 8, characterized in that in each case four field-effect transistors (FET1) form a picture element (pixel). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Antennenelement (21) über einen Teller (26) sowohl mit dem Gate (G) als auch mit dem Drain (D) des Feldeffekttransistors (FET1) verbunden ist.Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the antenna element ( 21 ) over a plate ( 26 ) is connected both to the gate (G) and to the drain (D) of the field effect transistor (FET1). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalquelle (5) mit einem ersten Feldeffekttransistor (FET1) und einem zweiten Feldeffekttransistor (FET2) verbunden ist.Device 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). Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Signalquelle (5) und dem zweiten Feldeffekttransistor (FET2) ein Tiefpassfilter (26) vorgesehen ist.Apparatus 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. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Drain (D) oder die Source (S) des ersten Feldeffekttransistors (FET1) und des zweiten Feldeffekttransistors (FET2) jeweils mit einem Eingang eines Differenzverstärkers (27) verbunden ist.Device according to Claim 11 or 12, characterized in that the drain (D) or the source (S) of the first field-effect transistor (FET1) and the second field-effect transistor (FET2) are each connected to an input of a differential amplifier ( 27 ) connected is. Verfahren zur dreidimensionalen Erfassung eines Objekts (4) mit elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung (3) mit den Schritten Erzeugen von elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung (3) mit einer Frequenz im Bereich von 100 GHz bis 10 THz, Modulieren der Amplitude oder Frequenz der Hochfrequenzstrahlung (3) mit einem Modulationssignal, Erfassen der modulierten Hochfrequenzstrahlung (3) mit einem Empfänger (2), der ein Antennenelement (21) und einen Feldeffekttransistor (FET1) zum Mischen der von der Strahlungsquelle (1) abgestrahlten Hochfrequenzstrahlung (3) mit einem Lokaloszillatorsignal aufweist, wobei der Feldeffekttransistor (FET1) eine Source (S), einen Drain (D) und ein Gate (G) aufweist, und Modulieren der Sensitivität des Feldeffekttransistors (FET1) mit dem Lokaloszillatorsignal, wobei das Lokaloszillatorsignal phasenstarr an das Modulationssignal gekoppelt ist.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 comprising 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 the local oscillator signal, the local oscillator signal being phase locked to the local oscillator signal Modulation signal is coupled. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Modulierens der Sensitivität des Feldeffekttransistors (FET1) durch Modulieren der Spannung am Gate (G) des Feldeffekttransistors (FET1) erfolgt.Method according to Claim 14, characterized in that the step of modulating the sensitivity of the field effect transistor (FET1) is carried out by modulating the voltage at the gate (G) of the field effect transistor (FET1).
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