DE112008001139T5 - Gradienten-Index-Linse für Mikrowellenstrahlung - Google Patents
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Abstract
mehrere elektronische induktive kapazitive Resonatoren jeweils mit einer Resonanzfrequenz, wobei die Resonatoren in einem planaren Array mit voneinander beabstandeten Seitenkanten und voneinander beabstandeten Ober- und Unterkanten angeordnet sind,
wobei sich die Resonanzfrequenz der Resonatoren zwischen mindestens zwei der voneinander beabstandeten Kanten des Arrays ändert.
Description
- QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
- Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der US-Anmeldung mit der Seriennummer 11/748,551, die am 15. Mai 2007 eingereicht wurde und auf deren Inhalt hiermit Bezug genommen wird.
- HINTERGRUND DER ERFINDUNG
- I. 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.
- KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
- Die vorliegende Erfindung stellt eine Gradienten-Index-Linse für Mikrowellenstrahlung 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 einem planaren Array mit voneinander beabstandeten Seitenkanten und voneinander beabstandeten Ober- und Unterkanten angeordnet.
- Die Resonanzfrequenz der Resonatoren, und somit der Brechungsindex, ändert sich zwischen mindestens zwei der voneinander beabstandeten Seiten des 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.
- 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.
- KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
- 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 eine1 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 in4 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 in1 gezeigten Linse; -
8 zeigt eine7 ähnliche Ansicht, die aber die in2 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-Linse20 für Mikrowellenstrahlung mit Position am Ende einer Mikrowellenführung22 gezeigt. Wie unten ausführlicher beschrieben wird, ändert sich der Brechungsindex der Linse20 parabolisch von einer Seitenkante24 und zu ihrer anderen Seitenkante26 . Demzufolge wird unter Annahme, dass die einfallende Mikrowellenstrahlung, d. h. Strahlung im Bereich von 300 Megahertz bis 300 Gigahertz, auf die Linse20 trifft, die Brechung der Linse20 die Strahlung an der Stelle28 fokussieren. - Nun mit Bezug auf
2 wird eine abgeänderte Ausbildung der Gradienten-Index-Linse20' gezeigt, bei der sich der Brechungsindex für die Linse20' von einer Seitenkante24' und zu der anderen Seitenkante26' der Linse20 linear ändert. Eine solche Konfiguration für die Linse20 zieht eine Biegung oder Umleitung des durch die Mikrowellenführung22 und durch die Linse20' 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 Linse20 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 Linse20 mehrere elektronische induktive kapazitive Resonatoren (ELC-Resonatoren)30 , die jeweils in einem planaren Array32 angeordnet sind. Somit enthält das planare Array32 voneinander beabstandete Kanten34 und36 sowie eine obere Kante38 und untere Kante40 . Obwohl das planare Array32 in3 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 Array32 der ELC-Resonatoren30 umfassen kann, können ebenso zwei oder sogar mehr planare Arrays32 unter Ausbildung eines dreidimensionalen Arrays zusammen positioniert werden. Die gestapelten planaren Arrays32 sind sich im Wesentlichen untereinander gleich und da zusätzliche planare Arrays32 zusammengestapelt sind, aber um einen Abstand, der gleich der Breite eines ELC-Resonators30 ist, voneinander beabstandet sind, erhöht sich der Brechungsindex der Linse20 entsprechend. Demzufolge ändert sich die Anzahl planarer Arrays der ELC-Resonatoren30 in Abhängigkeit von den benötigten Fokus- oder Brechungseigenschaften für die Linse20 für die jeweilige Anwendung. -
4 und5 zeigen nun einen ELC-Resonator30 ausführlicher. Der ELC-Resonator enthält ein Substrat40 , welches eine im Allgemeinen rechteckige Form aufweist und aus einem im Wesentlichen nichtleitfähigen Material aufgebaut ist. Beispielsweise kann das Substrat40 ein nichtleitfähiges Hochfrequenzlaminat, Pyrex, Quarzglas, Glas oder auf Siliziumbasis sein. - Auf einer Seite
44 des Substrats40 ist aus einer elektrisch leitfähigen Folie ein Muster42 ausgebildet. Dieses Muster42 enthält weiterhin mindestens einen und bevorzugt zwei Teile46 , die länglich und voneinander beabstandet und zueinander parallel sind. - Ein gleichwertiger elektrischer Schaltkreis für den Resonator
30 ist in11 als ein LC-Schwingkreis mit einer Spule48 und zwei Kondensatoren50 gezeigt. Die Kondensatoren50 entsprechen weiterhin den Teilen46 des leitfähigen Folienmusters42 . - Wie gut bekannt ist kann sich die Resonanz des in
6 gezeigten LC-Schwingkreises durch Änderung des Werts der Kondensatoren50 ändern. Dementsprechend kann man die Resonanzfrequenz des in4 gezeigten ELC- Resonators30 durch Änderung der Länge der Teile46 des leitfähigen Folienmusters42 ändern, was wiederum die Kapazität des ELC-Resonators30 ändert. - Wie sich die Länge der Folienteile
46 ändert, was somit die Resonanzfrequenz des ELC-Resonators30 ändert, so ändert sich ebenfalls der Brechungsindex des ELCs30 für eine gegebene festgelegte Mikrowellenfrequenz. Siehe6 , zum Beispiel, die einen Graphen des Brechungsindexes für einen ELC-Resonator30 als Funktion der Länge der Folienteile46 von ungefähr 0,5 Millimeter bis ungefähr 1,0 Millimeter zeigt. Der Brechungsindex des ELC-Resonators30 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 in1 gezeigt) fokussiert, sollte sich, nunmehr mit Bezug auf7 , der Brechungsindex, n, der einzelnen ELC-Resonatoren30 (in Graph51 gezeigt) parabolisch von einer Seite24 der Linse20 und zu ihrer gegenüberliegenden Seite26 ändern. Der Brechungsindex ändert sich durch Änderung der Länge des kapazitiven Teils46 des leitfähigen Folienmusters. - Damit eine Biegung oder Umleitung des Mikrowellenstrahls (wie in
2 gezeigt) erreicht wird, wird nunmehr mit Bezug auf8 der Brechungsindex, n, wie im Graphen53 von einer Seitenkante24' und zu der gegenüberliegenden Seitenkante26' der Linse20' linear geändert. Wie zuvor wird der Brechungsindex durch Steuern der Länge des kapazitiven Teils46 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 fres gezeigt. Der Graph des Parameters S21, der die Transmission der Mikrowellenstrahlung durch die Linse darstellt, erreicht somit einen Minimalwert bei der Resonanzfrequenz fres. Gleichzeitig erreicht die reflektierte Strahlung S11 einen Maximalwert bei der Resonanzfrequenz fres. Demzufolge findet bei der Resonanzfrequenz von ungefähr 10,7 Gigahertz praktisch keine Transmission der Strahlung durch den Resonator30 statt. - Umgekehrt erreicht der Graph S11 reflektierter Strahlung bei der Frequenz ftrans 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 Durchlassbereich70 von ungefähr 13 Gigahertz bis ungefähr 16,5 Gigahertz, wobei die übertragene Strahlung21 recht konstant ist. Solange die Linse20 in dem Durchlassbereich70 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 Resonators30 in der Linse20 bei etwas weniger als 77 Gigahertz oder im Bereich von 40 bis 60 Gigahertz liegt. Ferner kann der Aufbau der Linse20 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 Substrat80 und auf diesem Substrat80 strukturiertem Leiter82 gezeigt. Das Leitermuster82 wird dann gegebenenfalls von einer nichtleitfähigen Schicht84 überdeckt. - Danach kann diese Baugruppe unter Bildung einer Linse oder eines zweiten Substrats
86 , das im Wesentlichen dem ersten Substrat80 gleicht und auf die nichtleitfähige Schicht84 gelegt wird, gestapelt werden. Ein Leiter88 , der im Wesentlichen dem Leiter82 gleicht, wird dann auf das zweite Substrat86 aufgebracht oder strukturiert. Eine nichtleitfähige Beschichtung90 wird dann über das leitfähige Muster88 aufgebracht und der obige Prozess wird je nach Anzahl der erwünschten Schichten in der Linse20 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 Linse20 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.
- Zusammenfassung
- Gradientenindexlinse für Mikrowellenstrahlung Eine Gradientenindexlinse für Mikrowellenstrahlung. Die Linse enthält mehrere mit einem elektrischen Feld gekoppelte Resonatoren, wobei jeder Resonator eine Resonanzfrequenz aufweist. Die Resonatoren sind in einem planaren Array mit voneinander beabstandeten Seitenkanten und voneinander beabstandeten Ober- und Unterkanten angeordnet. Die Resonanzfrequenz der Resonatoren ändert sich zwischen mindestens zwei beabstandeten Kanten des Arrays gemäß den erwünschten Eigenschaften der Linse.
Claims (9)
- Gradientenindexlinse für Mikrowellenstrahlung umfassend: mehrere elektronische induktive kapazitive Resonatoren jeweils mit einer Resonanzfrequenz, wobei die Resonatoren in einem planaren Array mit voneinander beabstandeten Seitenkanten und voneinander beabstandeten Ober- und Unterkanten angeordnet sind, wobei sich die Resonanzfrequenz der Resonatoren zwischen mindestens zwei der voneinander beabstandeten Kanten des Arrays ändert.
- Linse nach Anspruch 1, wobei sich die Resonanzfrequenz des Resonators zwischen den voneinander beabstandeten Seitenkanten des Arrays und den voneinander beabstandeten Ober- und Unterkanten des Arrays ändert.
- Linse nach Anspruch 1 und umfassend mindestens zwei im Wesentlichen identische planare Resonatorarrays, wobei die Arrays in einer voneinander beabstandeten und zueinander parallelen Beziehung angeordnet sind.
- Linse nach Anspruch 3, wobei die planaren Arrays um einen Betrag, der einer Breite eines Resonators entspricht, voneinander beabstandet sind.
- Linse nach Anspruch 1, wobei jeder Resonator eine rechteckige Form aufweist mit einer Breite, die weniger als ein Sechstel der Wellenlänge der Resonanzfrequenz des Resonators beträgt.
- Linse nach Anspruch 1, wobei jeder Resonator mindestens einen Kondensator umfasst, der aus zwei voneinander beabstandeten und parallelen leitungsfähigen Streifen auf einem Substrat gebildet ist, wobei die Länge der leitungsfähigen Streifen die Resonanzfrequenz des Resonators festlegt.
- Linse nach Anspruch 2, und wobei jeder Resonator mindestens zwei Kondensatoren umfasst, wobei jeder Kondensator von zwei voneinander beabstandeten und parallelen leitungsfähigen Streifen auf einem Substrat gebildet ist.
- Linse nach Anspruch 1, wobei die Linse in einem automotiven Radarsystem verwendet wird.
- Linse nach Anspruch 8, wobei die Resonatoren einen Durchlassbereich um die Resonanzfrequenz im Bereich von 24 GHz–77 GHz herum aufweisen.
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