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Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Phasenarray-Vorrichtung mit einem Eingangspfad für ein elektromagnetisches Eingangssignal und einem optischen Phasenarray mit einem Aufteilnetzwerk zur Aufteilung des Eingangssignals in eine Vielzahl von optischen Pfaden, wobei in jedem optischen Pfad ein Phasenschieber einer Antenneneinheit mit einer Antenne vorgeschaltet ist.
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Stand der Technik
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Ein Nachteil derartiger integrierter optischer Phasenarrays des Standes der Technik ist, dass aufgrund von Fabrikationstoleranzen die absolute optische Phase in jedem optischen Pfad unbekannt ist. Zudem sorgen die Fabrikationstoleranzen dafür, dass die Phasenschieber leicht unterschiedliches Verhalten zeigen. Eine angelegte Spannung oder ein eingeprägter Strom führen also nicht stets zu dem identischen Phasenversatz. Zusätzlich variieren auch alle diese Parameter bei Temperaturänderungen im Betrieb des optischen Phasenarrays. Damit muss man für eine erste Kalibration des optischen Phasenarrays, wie auch für dessen Betrieb, die Phase in jedem Pfad oder aber mindestens die Phasendifferenz zwischen den einzelnen optischen Pfaden kennen. Diese Phasenbestimmung kann nach dem Stand der Technik jedoch kaum mit möglichst wenig nachgelagerter Signalverarbeitung umgesetzt werden.
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Aus der
EP 2 245 495 B1 ist System zum Kalibrieren einer Phase eines Sendepfades in einem optischen System bekannt, das Folgendes umfasst: einen Quellsender mit einem Ausgangsport; einen Koppler mit einem Eingangsport, der mit dem Ausgangsport des genannten Quellsenders gekoppelt ist und mehrere Ausgangsports aufweist; eine gleiche Mehrzahl von optischen Pfaden jeweils mit einem mit einem jeweiligen aus der Mehrzahl von Kopplerausgangsports gekoppelten ersten Ende und einem zweiten Ende; eine gleiche Mehrzahl von Phasenmodulatoren, wobei jeder der genannten Phasenmodulatoren mit einem entsprechenden der genannten optischen Pfade gekoppelt ist; und eine gleiche Mehrzahl von optischen Aperturen, die jeweils mit dem zweiten Ende der jeweiligen optischen Pfade gekoppelt sind.
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Aus der US 2019 / 0 219 888 A1 ist in optisches Phasenarray auf einem Chip bekannt, welches ein Array von photonischen Antenneneinheiten umfasst, die durch photonische Wellenleiter in Reihe geschaltet und in einem zweidimensionalen Array angeordnet sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine optische Phasenarray-Vorrichtung zur Verfügung gestellt, bei der die optische Phasenarray-Vorrichtung ein Reflexionselement aufweist, das dazu eingerichtet ist, mindestens einen Teil des Eingangssignals in den optischen Pfad zurück zu reflektieren.
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Vorteile der Erfindung
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Dies hat erfindungsgemäß den Vorteil, die optische Phasenarray-Vorrichtung mit beispielsweise mehreren hundert oder sogar tausend Antennen und Phasenschiebern robuster gegen Störeinflüsse aus der Umgebung zu machen. Auch kann eine Kalibrierung gegenüber Fabrikationstoleranzen der Phasenschieber durchgeführt werden. Zur Erreichung dieses Ziels ist es, wie beschrieben, notwendig, die tatsächlich erzeugte Phasenverschiebung in jedem optischen Pfad zu kennen. Dabei ist jedoch zu beachten, dass aus Gründen der Herstellungskosten eine solche Bestimmung der unterschiedlichen Phasenverschiebungen möglichst auf einem optischen Chip integriert werden sollte. Zugleich soll jedoch die Anzahl der elektrischen Verbindungen zu einer elektrischen Ausleseeinheit limitiert werden. Die erfindungsgemäße optische Phasenarray-Vorrichtung zielt mithin zum einen darauf, eine Bestimmung vorzunehmen, unter welchen Phasenschieber-Betriebspunkten eine feste Phasenbeziehung (typischerweise Gleichphasigkeit) zwischen den optischen Pfaden besteht. Zum anderen soll jedoch auch ermöglicht werden, den Phasengang eines jeden einzelnen Phasenschiebers über seine Eingangsgröße (beispielsweise die Betriebsspannung) zu charakterisieren.
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Hierzu macht sich nun die erfindungsgemäße optische Phasenvorrichtung die Eigenschaften optischer Interferenz zunutze. Aus dieser kann auf die Phasenbeziehungen zwischen den optischen Pfaden geschlossen werden. Dies wiederum ermöglicht es, die existierenden Phasenverschiebungen zu messen und diese mit der gewünschten Phasenbeziehung zu vergleichen. Gegebenenfalls kann dann nachgesteuert werden.
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Hierzu wird nun mindestens ein Teil des Eingangssignals in den optischen Pfad zurück reflektiert. Dieser reziproke optische Pfad, wie er in der Regel in einer integrierten Optik, insbesondere in Silizium und in optischen Phasenarrays vorliegt, weist identische Propagationsgeschwindigkeiten des Eingangssignals in beiden Propagationsrichtungen auf. Damit erfährt die optische Welle des Eingangssignals, die in einem ersten optischen Pfad vom Eingang zu einer ersten Antenne propagiert, denselben Phasenversatz wie eine optische Welle, die auf einem demselben optischen Pfad rückwärts von der ersten Antenne zurück zum Eingang propagiert. Derselbe Bezug gilt für die übrigen optischen Pfade und Antennen der Vielzahl von optischen Pfaden und Antennen. Die Verwendung von Phasenschiebern, die eine zusätzliche Phasenverschiebung einstellen können, innerhalb der optischen Pfade ändert diese Zusammenhänge nicht.
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Auch ist es möglich, dass das reflektierte Eingangssignal im Eingangspfad ausgekoppelt und einem Nahfeldetektor zur Bestimmung der Phasenbeziehung des reflektierten Eingangssignals, vorzugsweise mittels einer Signalintensität des reflektierten Eingangssignals, zugeführt wird.
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Die Erfindung macht sich die Eigenschaft der optischen Reziprozität zunutze, um die Phase der Antennen einzustellen, ohne die Phasenverschiebung innerhalb der einzelnen optischen Pfade zu kennen. Hierzu dient das Reflexionselement der Antenneneinheit, das einen Teil des eingehenden Eingangssignals wieder zurück in den entsprechenden optischen Pfad schickt. Dort erfährt das Eingangssignal dieselbe Phasenverschiebung wie auf dem Hinweg. Das Summensignal, welches den Eingang in Rückwärtsrichtung verlässt, ergibt sich aus kohärenter Überlagerung aller reflektierten Kanäle. Die Intensität dieses Signals ermöglicht es, auf die Phasenbeziehung zwischen den reflektierten Signalen zu schließen. Damit kann dann auch auf die Phasenbeziehung an den Antennen geschlossen werden. Erfindungsgemäß wird das rückreflektierte Eingangssignal am Eingang ausgekoppelt und einem Nahfelddetektor zugeführt. Der Nahfelddetektor kann als Photodiode ausgeführt werden.
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In einer besonderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die optische Phasenarray-Vorrichtung einen Fernfelddetektor zur Bestimmung einer von dem Eingangssignal in einen vorbestimmten Raumwinkel, vorzugsweise 0°, abgestrahlten Intensität und/oder zur Bestimmung der Summenintensität über den gesamten Raumwinkel aufweist.
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Ein typischer und gewünschter Phasenbezug zwischen den an den Antennen ankommenden Eingangssignalen ist die Gleichphasigkeit - hier haben alle Eingangssignale die gleiche optische Phase. Dies entspricht senkrechter Abstrahlung der Vielzahl von Antennen. Gleichphasigkeit stellt sich durch identische optische Längen der Vielzahl von optischen Pfaden ein, bis auf ganzzahlige Vielfache der Mediumswellenlänge. Das Reflexionselement ist in der Antenneneinheit angeordnet. Die rückreflektierten Eingangssignale haben nun die zweifachen optischen Pfade zurückgelegt und die entsprechenden doppelten Phasen. Im Fall der gewünschten Gleichphasigkeit an den Antennen sind damit auch die Phasendifferenzen der rückreflektierten Eingangssignale gleich Null. Identische Phasen führen zu konstruktiver Interferenz. Damit wird sich eine maximale Messsignalstärke am Nahfelddetektor einstellen. Erfindungsgemäß wird die Messsignalstärke als Maß der Gleichphasigkeit herangezogen.
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Während gleiche Phasen an den Antennen zwingend zu gleichen Phasen am Detektor führen, gilt die Umkehrung nicht zwingend. Gleiche Phasen am Nahfelddetektor können auch erzeugt werden mittels einer Phasenverschiebung im einfachen Weg von 180°. Diese Phasenverschiebung addiert sich auf dem zweifachen optischen Pfad (Hinweg und Rückweg zu der Antenne beziehungsweise von der Antenne) zu einer Phasenverschiebung von 360° beziehungsweise 0°. Somit wird ein Phasenarray nach Kalibration auf die Reflexionsleistung, gemessen am Nahfelddetektor, relative Phasen zwischen den Antennen von Vielfachen von π aufweisen. Dies führt zu partieller destruktiver Interferenz im abgestrahlten Fernfeld. Damit reduziert sich die Leistung, wenn auch zu Emission in der gewünschten Richtung (0°). Eine weitere Eingangsgröße ist daher zur vollständigen Kalibration notwendig. Diese kann durch Messung der abgestrahlten Intensität in einen Raumwinkel, typischerweise 0°, oder aber der Summenintensität über den gesamten Winkelbereich gewonnen werden. Dabei wird keine winkelaufgelöste Messung der Fernfeldintensität benötigt, wie es eine konventionelle Phasenkalibration vorsieht. Die Fernfeldintensität wird mittels des Fernfelddetektors gemessen. Ist die optische Phasenarray-Vorrichtung die Abstrahleinheit eines Lidar-Systems, kann die Signalintensität eines beliebigen Objekts als zweite Kalibrationsgröße herangezogen werden. Dies ist bei konventioneller Phasenkalibration ohne Messung der Rückreflexion nicht möglich. Hier kann nämlich die Abstrahlung initial, vor der Kalibrierung, in alle Raumrichtungen gerichtet sein. Dabei ist auch theoretisch denkbar, dass der Fall kompletter destruktiver Interferenz eintritt. Dies kann der Fall sein, wenn alle Antennen paarweise elektromagnetische Strahlung mit einem relativen Phasenbezug von 180° emittieren. Das ist jedoch bei einer Vielzahl von oft mehreren 100 bis 1000 Antennen unwahrscheinlich. Dennoch kann im Fall von zu geringen Fernfeldintensitäten ein größeres Messsignal erlangt werden, indem einzelne Phasenschieber um 180° verstellt werden. Der Fernfelddetektor kann als Photodiode ausgeführt sein.
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Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass in den Eingangspfad zwischen den Nahfelddetektor und das optische Phasenarray ein Richtkoppler oder ein optischer Zirkulator eingekoppelt ist.
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In dieser Ausführungsform wird an den Eingang des Aufteilnetzwerks ein Richtkoppler oder optischer Zirkulator gekoppelt. Dieser weist nun einen neuen Eingang in das Gesamtsystem auf. Ebenso ist der Nahfelddetektor, der das Summensignal des rückreflektierten Eingangssignals in ein elektrisches Signal umwandelt mit dem Richtkoppler oder Zirkulator verbunden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Reflexionselement in der Antenneneinheit vorgesehen und als eine Sprunggeometrie ausgebildet ist, die an der Antenne und/oder dem optischen Pfad angeordnet ist.
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In dieser Ausführungsform wird die Antenne selbst als das Reflexionselement genutzt. Dies ist ohne weiteren Aufwand in der Herstellung zu realisieren, da reale Gitterantennen immer in gewissem Maße das elektromagnetische Eingangssignal zurück reflektieren. Alternativ oder zusätzlich kann jedoch ebenso eine explizit in den optischen Pfad eingeprägte Sprunggeometrie vorgesehen sein. Dabei können beispielsweise die Breite oder die Ätztiefe unmittelbar vor den Antennen derart zu einer Sprunggeometrie variiert werden, dass ein Teil des Eingangssignals daran reflektiert wird.
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Erfindungsgemäß ist das Reflexionselement als ein zwischen den Phasenschieber und die Antenne eingekoppelter erster Richtkoppler, oder vorzugsweise ein Zirkulator, und ein zweiter Richtkoppler ausgebildet.
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In dieser Ausführungsform sind zwischen dem Phasenschieber und der Antenne zwei Richtkoppler derart verschaltet, dass eine partielle Rückreflexion des Eingangssignals erfolgt. Die beiden Richtkoppler sind dabei möglichst nahe an der Antenne angeordnet. Dabei kann das Koppelverhältnis des zweiten Richtkopplers von 50:50 verschieden sein. Damit kann der Reflexionsgrad bestimmt werden. Hierbei ist bevorzugt sicherzustellen, dass die beiden optischen Pfade zwischen dem ersten Richtkoppler und dem zweiten Richtkoppler so ausgelegt sind, dass das reflektierte Eingangssignal konstruktiv interferiert. Der erste Richtkoppler kann durch einen Zirkulator ersetzt werden.
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Ebenso ist vorteilhaft, dass ein erstes reflektiertes Eingangssignal an einem dritten Richtkoppler ausgekoppelt und mit einem zweiten reflektierten Eingangssignal an einem vierten Richtkoppler überlagert und an einem, vorzugsweise balancierten, Nahfelddetektor detektiert wird.
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In einer weiteren Ausführungsform wird kohärente Detektion als Detektionsprinzip genutzt. Dazu wird ein Teil des am Eingang vor dem optischen Phasenarray eingekoppelten Eingangssignals am dritten Richtkoppler ausgekoppelt und mit dem rückreflektierten Eingangssignal am vierten Richtkoppler überlagert. Diese Überlagerung wird mit dem Nahfelddetektor detektiert, der vorzugsweise balanciert sein kann. Dadurch ergeben sich Vorteile in der Empfindlichkeit und die Möglichkeit, kleinere Abweichungen in der Phase, sowie kleinere Reflexionsintensitäten, erfassen zu können. Eine Ausführungsform kann dabei auch vorsehen, den kohärenten Empfänger eines frequenzmodulierten Dauerstrich-Lidars (FMCW-Lidar) als Nahfelddetektor zu nutzen. Dabei wird die Reflexionsintensität nahe der Entfernung 0 auf der Entfernungsachse des Lidar-Systems als Maß der Gleichphasigkeit herangezogen.
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Auch betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kalibrierung einer optischen Phasenarray-Vorrichtung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Einkoppeln eines elektromagnetischen Eingangssignals in den Eingangspfad; Messen des reflektierten Eingangssignals an dem Nahfelddetektor und Bestimmen der Intensität des reflektierten Eingangssignals; Variieren der Einstellung eines ersten Phasenschiebers zur Variation der optischen Länge in dem entsprechenden optischen Pfad; erneutes Messen des reflektierten Eingangssignals an dem Nahfelddetektor und erneutes Bestimmen der Intensität des reflektierten Eingangssignals; Wiederholen der beiden letztgenannten Schritte, bis die bestimmte Intensität maximal ist.
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Dabei ist von Vorteil, dass das Verfahren folgende weitere Schritte aufweist: Variieren der Einstellung eines zweiten Phasenschiebers zur Variation der optischen Länge in dem entsprechenden optischen Pfad unter Beibehaltung der Einstellung des ersten Phasenschiebers; Messen des reflektierten Eingangssignals an dem Nahfelddetektor und Bestimmen der Intensität des reflektierten Eingangssignals; Wiederholen der beiden letztgenannten Schritte, bis die bestimmte Intensität maximal ist; Wiederholen aller vorherigen Schritte für alle übrigen Phasenschieber.
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Hiernach sind alle Phasen an den Antennen Vielfache von π. Das Licht wird unter einem Winkel von 0° emittiert, wenn auch durch partielle destruktive Interferenz gedämpft.
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Schließlich ist von Vorteil, dass das Verfahren folgende weitere Schritte aufweist: Messen des emittierten Eingangssignals an dem Fernfelddetektor und Bestimmen der Intensität des emittierten Eingangssignals; Variieren der Phase eines ersten Phasenschiebers um +π oder -π und erneutes Messen des emittierten Eingangssignals an dem Fernfelddetektor und erneutes Bestimmen der Intensität des emittierten Eingangssignals; Auswählen der Phasenschiebereinstellung mit maximaler Intensität; Wiederholen der beiden letztgenannten Schritte für alle übrigen Phasenschieber.
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Nach diesem Verfahren ist die optische Phasenarray-Vorrichtung in der Lage, in die 0°-Richtung abzulenken. Um weitere Ablenkwinkel zu erreichen, ist es notwendig, die Phasenantwort aller Phasenschieber zu kennen. Dazu kann die Fernfeld- oder Rückreflexionsintensität genutzt werden. Diese weisen eine Intensitätsperiodizität mit der Phasenantwort mit Perioden von 2π beziehungsweise π (Rückreflexion) auf. Die Phase kann nun aus den kosinusförmigen Intensitäten rückgerechnet werden. Dazu wird je ein Phasenschieber durchgestimmt. Alle anderen verleiben in der 0°-Stellung. Dieser Vorgang wird für alle Phasenschieber wiederholt.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer optischen Phasenarray-Vorrichtung;
- 2 eine beispielhafte Ausführung der optischen Phasenarray-Vorrichtung nach einer ersten Ausführungsform;
- 3 eine beispielhafte alternative Ausführungsform der optischen Phasenarray-Vorrichtung der 2
- 4 eine beispielhafte Ausführungsform einer Antenne in einer erfindungsgemäßen optischen Phasenarray-Vorrichtung;
- 5 eine beispielhafte Ausführungsform eines optischen Pfads mit einer Sprunggeometrie in einer erfindungsgemäßen Phasenarray-Vorrichtung;
- 6 ein System aus zwei Richtkopplern zwischen einem Phasenschieber und einer Antenne in einer erfindungsgemäßen Phasenarray-Vorrichtung; und
- 7 eine beispielhafte Ausführung der optischen Phasenarray-Vorrichtung nach einer weiteren Ausführungsform.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der 1 ist eine optische Phasenarray-Vorrichtung 1 gezeigt. Die optische Phasenarray-Vorrichtung 1 weist einen Eingangspfad 2 auf, der zu einem Aufteilnetzwerk 3 führt. In dem Aufteilnetzwerk 3 wird ein Eingangssignal 4 in eine Vielzahl von optischen Pfaden 5 aufgeteilt. In jedem der optischen Pfade 5 ist ein Phasenschieber 6 angeordnet. Am Ende des optischen Pfads 5 ist eine Antenneneinheit 7 angeordnet. Es wird ein optisches Phasenarray 8 gebildet.
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Derartige optische Phasenarray-Vorrichtungen 1 nach der vorliegenden Erfindung machen sich nun folgenden Effekt zunutze. Ein in Bezug auf die Propagationsrichtung des Eingangssignals 4 reziproker optischer Pfad 5 weist für das Eingangssignal 4 identische Propagationsgeschwindigkeiten auf. Damit erfährt das Eingangssignal 4 bei einem Durchlaufen des optischen Pfads 5 von dem Eingangspfad 2 zu der Antenneneinheit 7 denselben Phasenversatz wie in der umgekehrten Propagationsrichtung. Die Verwendung von Phasenschiebern 6 ändert daran nichts. Die Verwendung von Phasenschiebern 6 kann jedoch genutzt werden, um eine zusätzliche Phasenverschiebung einzustellen.
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Um nun die Phase an der Antenneneinheit 7 einzustellen, weist die Antenneneinheit 7 ein Reflexionselement 9 auf. Dieses Reflexionselement 9 reflektiert einen Teil des einlaufenden Eingangssignals 4 zurück in den optischen Pfad 5. Dort erfährt das reflektierte Eingangssignal 10 dieselbe Phasenverschiebung wie auf dem Hinweg als Eingangssignal 4. Das Summensignal, welches den Eingangspfad 2 in Rückwärtsrichtung verlässt, ergibt sich aus der kohärenten Überlagerung aller reflektierten optischen Pfade 5. Die Intensität des Signals ermöglicht es, auf die Phasenbeziehung zwischen den reflektierten Signalen zu schließen. Damit kann dann auch auf die Phasenbeziehung an der Antenneneinheit 7 geschlossen werden. Das reflektierte Eingangssignal 10 kann am Eingangspfad 2 ausgekoppelt und an einem Nahfelddetektor 11 detektiert werden.
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In 2 ist hierzu dargestellt, wie ein Richtkoppler 12 am Eingang des Aufteilnetzwerks 3 zur Auskopplung des reflektierten Eingangssignals 10 vorgesehen ist. Dieser weist nun einen zweiten Eingangspfad 13 auf, der einen neuen Eingang in das Gesamtsystem darstellt. Weiter ist der Richtkoppler 12 mit dem Nahfelddetektor 11 gekoppelt. Der Nahfelddetektor 11 erfasst das Summensignal des reflektierten Eingangssignals 10 und wandelt es in ein elektrisches Signal um. Der Richtkoppler 12 kann durch einen Zirkulator 14 ersetzt werden. Dies ist in 3 dargestellt.
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In 4 ist nun eine Detailansicht der Antenneneinheit 7 mit einer Antenne 15 gezeigt. Hier ist das Reflexionselement 9 in der Antenneneinheit 7 ausgebildet. Dazu weist die Antenne 15 eine Gitterstruktur als Sprunggeometrie 16 auf. Diese Sprunggeometrie 16 erzeugt aus dem Eingangssignal 4 ein reflektiertes Eingangssignal 10. Die Antennen 15 müssen dabei nicht noch für die Zwecke der Erfindung hergestellt werden. Reale Gitterantennen weisen stets einen gewissen Grad an Reflexion des Eingangssignals 4 auf, der für die genannten Zwecke genutzt werden kann. Ebenso ist es jedoch möglich, als Sprunggeometrie 16 eine sprunghafte Änderung im Aufbau des optischen Pfads 5 vorzusehen. Dies ist in 5 dargestellt. Die sprunghafte Änderung kann zum Beispiel durch Variation der Breite oder Ätztiefe unmittelbar vor der Antenne 15 erzielt werden.
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In 6 ist als Reflexionselement 9 die folgende Kombination vorgesehen. Zwischen dem Phasenschieber 6 und der Antenneneinheit 7 sind ein erster Richtkoppler 17 und ein zweiter Richtkoppler 18 angeordnet. Der erste Richtkoppler 17 und der zweite Richtkoppler 18 sind dabei möglichst nahe an der Antenneneinheit 7 angeordnet. Sie sind derartig verschaltet, dass eine partielle Rückreflexion des Eingangssignals 4 erfolgt. Dabei kann das Koppelverhältnis des zweiten Richtkopplers 18 von 50:50 verschieden sein. Damit kann der Reflexionsgrad bestimmt werden. Dabei werden die optischen Pfade zwischen dem ersten Richtkoppler 17 und dem zweiten Richtkoppler 18 so ausgelegt, dass das reflektierte Eingangssignal 10 konstruktiv interferiert.
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Schließlich ist in 7 eine Ausführungsform mit kohärenter Detektion gezeigt. Dazu wird ein Teil des an einem dritten Eingangspfad 19 eingekoppelten Eingangssignals 4 an einem dritten Richtkoppler 20 ausgekoppelt. Es wird sodann mit dem reflektierten Eingangssignal 10 an einem vierten Richtkoppler 21 überlagert. Das Summensignal wird an dem Nahfelddetektor 11 detektiert, der hier vorzugsweise als balancierter Detektor ausgebildet sein kann. Hierdurch ergeben sich Vorteile in der Empfindlichkeit und die Möglichkeit, kleinere Abweichungen in der Phase, sowie kleinere Reflexionsintensitäten zu erfassen.
