DE112008001139B4

DE112008001139B4 - Gradienten-Index-Linse für Mikrowellenstrahlung

Info

Publication number: DE112008001139B4
Application number: DE112008001139.7T
Authority: DE
Inventors: Bryan J. Justice; Vinh N. Nguyen; David R. Smith; Serdar Hakki Yonak
Original assignee: Toyota Motor Engineering and Manufacturing North America Inc; Duke University; Toyota Engineering and Manufacturing North America Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Duke University
Priority date: 2007-05-15
Filing date: 2008-05-15
Publication date: 2018-12-13
Anticipated expiration: 2028-05-16
Also published as: US7821473B2; WO2008144361A1; JP2010527565A; US20080284668A1; DE112008001139T5; JP5091310B2

Abstract

Gradientenindexlinse (20) für Mikrowellenstrahlung umfassend:
mehrere elektronische induktive kapazitive Resonatoren (30) jeweils mit einer Resonanzfrequenz, wobei die Resonatoren (30) in mindestens zwei identischen planaren Arrays (32) mit einer Vielzahl an Zeilen und Spalten an einer Schnittstelle jeder Zeile und Spalte angeordnet sind und wobei sich die Zeilen zwischen voneinander beabstandeten Seitenkanten (34, 36) des jeweiligen Arrays (32) erstrecken,
wobei sich die Resonanzfrequenz benachbarter Resonatoren (30) fortlaufend um einen vorher festgelegten Betrag schrittweise von einer Seitenkante (34) des jeweiligen Arrays zur anderen Seitenkante (36) des jeweiligen Arrays (30) ändert dadurch gekennzeichnet, dass
die mindestens zwei identischen planaren Resonatorarrays (32) um einen Betrag, der einer Breite eines Resonators entspricht voneinander beabstandet und in einer zueinander parallelen Beziehung angeordnet sind.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Mikrowellenlinsen und insbesondere eine Gradienten-Index-Mikrowellenlinse, die mehrere elektronische induktive kapazitive Resonatoren, die in einem planaren Array angeordnet sind, verwendet.
II. STAND DER TECHNIK
Das Gebiet der Metamaterialien erfreut sich immer größerer Beliebtheit. Solche Metamaterialen zeigen Eigenschaften in Reaktion auf elektromagnetische Strahlung, die von der Struktur der Metamaterialien und nicht von deren Zusammensetzung abhängen.
Meistens konzentriert sich das Interesse an Metamaterialien jedoch auf Metamaterialien, die einen negativen Brechungsindex aufweisen. Ein solcher negativer Brechungsindex ist möglich, wenn sowohl die Dielektrizitätskonstante als auch die Durchlässigkeit des Materials negativ sind.
Ein Problem der Metamaterialien mit negativem Index liegt jedoch darin, dass sie schwer aufzubauen sind und auch hohe Dämpfung einfallender Strahlung zur Folge haben. Ferner wurden noch keine der bisher bekannten Metamaterialien bei der Verwendung mit einer Gradienten-Index-Linse für Mikrowellenstrahlung eingesetzt.
Der Stand der Technik offenbart beispielsweise in der US 7,205,941 B2 Mikrowellenlinsen mit einer Vielzahl einzelner Zellen die in einem planaren Array 102 angeordnet sind. Die WO 2006/023195 A2 offenbart ein Metamaterial das aus einer Vielzahl einzelner Einheitszellen mit unterschiedlicher Permeabilität gebildet ist, um eine Gradientenindexlinse zu bilden.
Aus der US 6,791,432 B2 ist ferner ein LHM (left-handed medium) bekannt, das aus einem Array von Resonatoren gebildet ist, wobei es sich bei den Resonatoren beispielsweise um SRR (split ring resonators) handelt. Durch das gleichmäßige Einarbeiten leitfähiger Leitungen ergibt sich eine periodische Struktur, sodass eine ausreichende (magnetische) Kopplung zwischen den Resonatoren möglich ist. Aus der US 6,075,485 A schließlich ist FSS (Frequency Selective Surface) bekannt, mit periodisch angeordneten metallischen Stellen oder Zeilen die innerhalb eines dielektrischen Materials angeordnet sind.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt eine Gradienten-Index-Linse für Mikrowellenstrahlung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bereit, die die oben erwähnten Nachteile bisher bekannter Einrichtungen überwindet.
Kurz gesagt umfasst die Linse der vorliegenden Erfindung mehrere elektronische induktive kapazitive Resonatoren (ELC-Resonatoren), die jeweils ihre eigenen Resonanzfrequenzen aufweisen. Die Resonatoren sind in mindestens zwei identischen planaren Arrays mit einer Vielzahl an Zeilen und Spalten an einer Schnittstelle jeder Zeile und Spalte angeordnet, wobei sich die Zeilen zwischen voneinander beabstandeten Seitenkanten des jeweiligen Arrays erstrecken.
Die Resonanzfrequenz benachbarter Resonatoren, und somit der Brechungsindex, ändert sich fortlaufend um einen vorher festgelegten Betrag schrittweise von einer Seitenkante des jeweiligen Arrays zur anderen Seitenkante des jeweiligen Arrays. Beispielsweise kann Strahlenfokussierung dann erreicht werden, wenn sich die Resonanzfrequenz zwischen zwei voneinander beabstandeten Kanten parabolisch ändert. Umgekehrt hat die lineare Veränderung der Resonanzfrequenz von einer Kante und zu ihrer beabstandeten Kante eine Strahlenbiegung oder Strahlenumlenkung zur Folge. Erfindungsgemäß sind die mindestens zwei identischen planaren Resonatorarrays um einen Betrag, der einer Breite eines Resonators entspricht, voneinander beabstandet und in einer zueinander parallelen Beziehung angeordnet.
Jeder ELC-Resonator enthält sowohl ein im Wesentlichen nichtleitfähiges Substrat und ein leitfähiges Muster auf einer Seite des Substrats. Das leitfähige Muster ist ferner so angeordnet, dass es wie ein LC-Schwingkreis auf einfallende Mikrowellenstrahlung reagiert. Bei der Resonanzfrequenz ist der Resonator einfallender Strahlung gegenüber im Wesentlichen undurchlässig, lässt aber die Strahlung bei einem Brechungsindex bei einer von seiner Resonanzfrequenz verschobenen Frequenz durch.
Bei einer Ausbildung der Erfindung sind mindestens ein und vorzugsweise zwei längliche Teile des leitfähigen Streifens auf dem Substrat voneinander beabstandet und zueinander parallel, um einen Kondensator bei der Mikrowellenresonanzfrequenz zu simulieren. Somit ist zur Änderung der Resonanzfrequenz des ELC-Resonators die Länge des Teils des in dem Kondensator ausgebildeten leitfähigen Musters in Abhängigkeit der erwünschten Endfrequenz für den Resonator entweder verkürzt oder verlängert.
Vorzugsweise werden für die ELC-Resonatoren Metamaterialien mit einem positiven Brechungsindex verwendet. Ein solches Material mit positivem Index kann nicht nur leichter aufgebaut werden, sondern hat eine geringere Dämpfung der durch die Linse fallenden Mikrowellenstrahlung zur Folge.
Figurenliste
Mit Bezug auf die folgende ausführliche Beschreibung ergibt sich in Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung, wobei sich gleiche Bezugszeichen bei den mehreren Ansichten auf gleiche Teile beziehen.

1 ist eine schematische Obenansicht der Funktionsweise einer Ausbildung der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine 1 ähnliche Ansicht, die aber eine andere Funktionsweise der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine Draufsicht auf einen einzigen ELC-Resonator;
5 zeigt eine im Wesentlichen entlang den Linien 5-5 in 4 genommene Ansicht;
6 zeigt einen Graphen des Brechungsindexes als Funktion der kapazitiven Länge für den ELC-Resonator;
7 zeigt einen Graphen eines Brechungsfehlers als Funktion der Position auf der in 1 gezeigten Linse;
8 zeigt eine 7 ähnliche Ansicht, die aber die in 2 dargestellte Funktionsweise der Linse zeigt;
9 zeigt einen Graphen der S-Parameter für einen beispielhaften ELC-Resonator;
10 zeigt eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Linse unter Verwendung von Mikrofabrikationsmethoden; und
11 zeigt eine Draufsicht auf einen gleichwertigen Schaltkreis für einen ELC-Resonator.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Mit Bezug zuerst auf 1 wird eine Gradienten-Index-Linse 20 für Mikrowellenstrahlung mit Position am Ende einer Mikrowellenführung 22 gezeigt. Wie unten ausführlicher beschrieben wird, ändert sich der Brechungsindex der Linse 20 parabolisch von einer Seitenkante 24 und zu ihrer anderen Seitenkante 26. Demzufolge wird unter Annahme, dass die einfallende Mikrowellenstrahlung, d. h. Strahlung im Bereich von 300 Megahertz bis 300 Gigahertz, auf die Linse 20 trifft, die Brechung der Linse 20 die Strahlung an der Stelle 28 fokussieren.
Nun mit Bezug auf 2 wird eine abgeänderte Ausbildung der Gradienten-Index-Linse 20' gezeigt, bei der sich der Brechungsindex für die Linse 20' von einer Seitenkante 24' und zu der anderen Seitenkante 26' der Linse 20 linear ändert. Eine solche Konfiguration für die Linse 20 zieht eine Biegung oder Umleitung des durch die Mikrowellenführung 22 und durch die Linse 20' laufenden Mikrowellenstrahls nach sich.
Die Mikrowellenlinse 20 kann natürlich bei einer beliebigen Mikrowellenanwendung eingesetzt werden, bei der man die Strahlenfokussierung oder die Strahlführung der Mikrowellenstrahlung steuern muss. Die Linse 20 findet jedoch bevorzugt bei einem automotiven Radarsystem mit einer Mikrowellenquelle von ungefähr 24 bis 77 Gigahertz oder anderen Frequenzen, die für eine solche Anwendung erteilt sind, Verwendung.
Nunmehr mit Bezug auf 3 umfasst die Linse 20 mehrere elektronische induktive kapazitive Resonatoren (ELC-Resonatoren) 30, die jeweils in einem planaren Array 32 angeordnet sind. Somit enthält das planare Array 32 voneinander beabstandete Kanten 34 und 36 sowie eine obere Kante 38 und untere Kante 40. Obwohl das planare Array 32 in 3 als im Allgemeinen rechteckförmig gezeigt ist, versteht es sich, dass andere Formen verwendet werden können, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
Obwohl die Linse 20 der vorliegenden Erfindung ein einziges planares Array 32 der ELC-Resonatoren 30 umfassen kann, können ebenso zwei oder sogar mehr planare Arrays 32 unter Ausbildung eines dreidimensionalen Arrays zusammen positioniert werden. Die gestapelten planaren Arrays 32 sind sich im Wesentlichen untereinander gleich und da zusätzliche planare Arrays 32 zusammengestapelt sind, aber um einen Abstand, der gleich der Breite eines ELC-Resonators 30 ist, voneinander beabstandet sind, erhöht sich der Brechungsindex der Linse 20 entsprechend. Demzufolge ändert sich die Anzahl planarer Arrays der ELC-Resonatoren 30 in Abhängigkeit von den benötigten Fokus- oder Brechungseigenschaften für die Linse 20 für die jeweilige Anwendung.
4 und 5 zeigen nun einen ELC-Resonator 30 ausführlicher. Der ELC-Resonator enthält ein Substrat 40, welches eine im Allgemeinen rechteckige Form aufweist und aus einem im Wesentlichen nichtleitfähigen Material aufgebaut ist. Beispielsweise kann das Substrat 40 ein nichtleitfähiges Hochfrequenzlaminat, Pyrex, Quarzglas, Glas oder auf Siliziumbasis sein.
Auf einer Seite 44 des Substrats 40 ist aus einer elektrisch leitfähigen Folie ein Muster 42 ausgebildet. Dieses Muster 42 enthält weiterhin mindestens einen und bevorzugt zwei Teile 46, die länglich und voneinander beabstandet und zueinander parallel sind.
Ein gleichwertiger elektrischer Schaltkreis für den Resonator 30 ist in 11 als ein LC-Schwingkreis mit einer Spule 48 und zwei Kondensatoren 50 gezeigt. Die Kondensatoren 50 entsprechen weiterhin den Teilen 46 des leitfähigen Folienmusters 42.
Wie gut bekannt ist kann sich die Resonanz des in 6 gezeigten LC-Schwingkreises durch Änderung des Werts der Kondensatoren 50 ändern. Dementsprechend kann man die Resonanzfrequenz des in 4 gezeigten ELC-Resonators 30 durch Änderung der Länge der Teile 46 des leitfähigen Folienmusters 42 ändern, was wiederum die Kapazität des ELC-Resonators 30 ändert.
Wie sich die Länge der Folienteile 46 ändert, was somit die Resonanzfrequenz des ELC-Resonators 30 ändert, so ändert sich ebenfalls der Brechungsindex des ELCs 30 für eine gegebene festgelegte Mikrowellenfrequenz. Siehe 6, zum Beispiel, die einen Graphen des Brechungsindexes für einen ELC-Resonator 30 als Funktion der Länge der Folienteile 46 von ungefähr 0,5 Millimeter bis ungefähr 1,0 Millimeter zeigt. Der Brechungsindex des ELC-Resonators 30 ändert sich in diesem Beispiel von ungefähr 0,2 auf ungefähr 1,0.
In der Praxis sollte der ELC eine Breite von nicht mehr als einem Sechstel der Mikrowellenlänge und bevorzugt weniger als einem Zehntel der Mikrowellenlänge aufweisen.
Damit die Linse 20 den Strahl auf eine Stelle (wie in 1 gezeigt) fokussiert, sollte sich, nunmehr mit Bezug auf 7, der Brechungsindex, n, der einzelnen ELC-Resonatoren 30 (in Graph 51 gezeigt) parabolisch von einer Seite 24 der Linse 20 und zu ihrer gegenüberliegenden Seite 26 ändern. Der Brechungsindex ändert sich durch Änderung der Länge des kapazitiven Teils 46 des leitfähigen Folienmusters.
Damit eine Biegung oder Umleitung des Mikrowellenstrahls (wie in 2 gezeigt) erreicht wird, wird nunmehr mit Bezug auf 8 der Brechungsindex, n, wie im Graphen 53 von einer Seitenkante 24' und zu der gegenüberliegenden Seitenkante 26' der Linse 20' linear geändert. Wie zuvor wird der Brechungsindex durch Steuern der Länge des kapazitiven Teils 46 des leitfähigen Folienmusters gesteuert.
Es versteht sich natürlich, dass andere Arten der Manipulation des Mikrowellenstrahls durch Ändern des Brechungsindexes von einer Seitenkante und zu der anderen Seitenkante der Linse 20 erreicht werden können.
Nunmehr mit Bezug auf 9 wird ein Graph der S-Parameter für einen einzigen ELC-Resonator mit einer Resonanzfrequenz von ungefähr 10,7 Gigahertz bei der Resonanzfrequenz f_res gezeigt. Der Graph des Parameters S21, der die Transmission der Mikrowellenstrahlung durch die Linse darstellt, erreicht somit einen Minimalwert bei der Resonanzfrequenz f_res . Gleichzeitig erreicht die reflektierte Strahlung S11 einen Maximalwert bei der Resonanzfrequenz f_res . Demzufolge findet bei der Resonanzfrequenz von ungefähr 10,7 Gigahertz praktisch keine Transmission der Strahlung durch den Resonator 30 statt.
Umgekehrt erreicht der Graph S11 reflektierter Strahlung bei der Frequenz f_trans von ungefähr 14,2 Gigahertz ein Minimum. Zu dieser Zeit erreicht die Menge der durch die Linse 20 übertragenen Strahlung nicht nur ein Maximum, sondern bildet außerdem einen Durchlassbereich 70 von ungefähr 13 Gigahertz bis ungefähr 16,5 Gigahertz, wobei die übertragene Strahlung 21 recht konstant ist. Solange die Linse 20 in dem Durchlassbereich 70 über die gesamte Linse arbeitet, kann demnach eine Minimaldämpfung der übertragenen Strahlung erreicht werden.
Vorzugsweise findet die Linse 20 bei automotivem Radar bei einer Frequenz von ungefähr 77 Gigahertz Verwendung, so dass die Resonanzfrequenz eines jeweiligen Resonators 30 in der Linse 20 bei etwas weniger als 77 Gigahertz oder im Bereich von 40 bis 60 Gigahertz liegt. Ferner kann der Aufbau der Linse 20 bei Linsen, die im Bereich von ungefähr 77 Gigahertz verwendet werden, durch Mikrofabrikation erreicht werden.
Zum Beispiel wird unter Bezug auf 10 eine beispielhafte Herstellung einer Linse zur Verwendung mit einer 77-Gigahertz-Mikrowellenquelle mit einem ersten Substrat 80 und auf diesem Substrat 80 strukturiertem Leiter 82 gezeigt. Das Leitermuster 82 wird dann gegebenenfalls von einer nichtleitfähigen Schicht 84 überdeckt.
Danach kann diese Baugruppe unter Bildung einer Linse oder eines zweiten Substrats 86, das im Wesentlichen dem ersten Substrat 80 gleicht und auf die nichtleitfähige Schicht 84 gelegt wird, gestapelt werden. Ein Leiter 88, der im Wesentlichen dem Leiter 82 gleicht, wird dann auf das zweite Substrat 86 aufgebracht oder strukturiert. Eine nichtleitfähige Beschichtung 90 wird dann über das leitfähige Muster 88 aufgebracht und der obige Prozess wird je nach Anzahl der erwünschten Schichten in der Linse 20 wiederholt.
Obwohl die Linse der vorliegenden Erfindung als eine Linse mit festgelegten Linseneigenschaften beschrieben wurde, sollte man daraus keine unnötige Einschränkung ziehen. Stattdessen kann die Linse als eine aktive Linse aufgebaut werden, bei der man die Brechungseigenschaften der Linse durch MEMS, RF MEMS oder andere Mittel ändern kann, um die Linse in Abhängigkeit von Systemvoraussetzungen zu ändern oder einzustellen. Eine aktive Linse lässt sich zum Beispiel bei einem automotiven Radarsystem zur Lenkung, zum Zoomen oder zu einer sonstigen Steuerung der Projektion des Radarstrahls verwenden.
Aus dem Vorhergehenden kann festgestellt werden, dass die vorliegende Erfindung eine einfach, aber dennoch effektive elektromagnetische Gradienten-Index-Linse für Mikrowellenstrahlung bereitstellt. Da die Linse ein Array aus elektronischen induktiven kapazitiven Resonatoren verwendet, kann die Linse 20 relativ leicht hergestellt werden. Ferner werden die zuvor bekannten Dämpfungsverluste bei Metamaterialien mit negativem Index vermieden, da die Linse 20 einen positiven Brechungsindex aufweist.
Obwohl die Linse 20 als zweidimensionale Linse beschrieben wurde, versteht sich natürlich, dass die vorliegende Erfindung auch als dreidimensionale Linse funktioniert, wobei sich der Brechungsindex nicht nur zwischen den beiden Seitenkanten der Linse, sondern ebenfalls zwischen der oberen Kante und der unteren Kante der Linse ändert.
Nachdem diese Erfindung nun hiermit beschrieben wurde, werden Fachleuten des zugehörigen Gebiets viele Abänderungen offensichtlich werden, ohne vom Erfindungsgedanken, wie er durch den Bereich der angehängten Ansprüche definiert wird, abzuweichen.

Claims

Gradientenindexlinse (20) für Mikrowellenstrahlung umfassend: mehrere elektronische induktive kapazitive Resonatoren (30) jeweils mit einer Resonanzfrequenz, wobei die Resonatoren (30) in mindestens zwei identischen planaren Arrays (32) mit einer Vielzahl an Zeilen und Spalten an einer Schnittstelle jeder Zeile und Spalte angeordnet sind und wobei sich die Zeilen zwischen voneinander beabstandeten Seitenkanten (34, 36) des jeweiligen Arrays (32) erstrecken, wobei sich die Resonanzfrequenz benachbarter Resonatoren (30) fortlaufend um einen vorher festgelegten Betrag schrittweise von einer Seitenkante (34) des jeweiligen Arrays zur anderen Seitenkante (36) des jeweiligen Arrays (30) ändert dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei identischen planaren Resonatorarrays (32) um einen Betrag, der einer Breite eines Resonators entspricht voneinander beabstandet und in einer zueinander parallelen Beziehung angeordnet sind.
Linse nach Anspruch 1, wobei sich die Resonanzfrequenz des Resonators (30) zwischen den voneinander beabstandeten Seitenkanten (34, 36) des Arrays und den voneinander beabstandeten Ober- und Unterkanten (38, 40) des Arrays (32) ändert.
Linse nach Anspruch 1, wobei jeder Resonator (30) eine rechteckige Form aufweist mit einer Breite, die weniger als ein Sechstel der Wellenlänge der Resonanzfrequenz des Resonators (30) beträgt.
Linse nach Anspruch 1, wobei jeder Resonator (30) mindestens einen Kondensator (50) umfasst, der aus zwei voneinander beabstandeten und parallelen leitungsfähigen Streifen auf einem Substrat (40, 80) gebildet ist, wobei die Länge der leitungsfähigen Streifen die Resonanzfrequenz des Resonators festlegt.
Linse nach Anspruch 2, und wobei jeder Resonator (30) mindestens zwei Kondensatoren (50) umfasst, wobei jeder Kondensator (50) von zwei voneinander beabstandeten und parallelen leitungsfähigen Streifen auf einem Substrat (40, 80) gebildet ist.
Linse nach Anspruch 1, wobei die Linse (20) in einem automotiven Radarsystem verwendet wird.
Linse nach Anspruch 6, wobei die Resonatoren (30) einen Durchlassbereich um die Resonanzfrequenz im Bereich von 24 GHz - 77 GHz herum aufweisen.