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Holografische Antenne Die vorliegende Erfindung betrifft eine holografische
Antenne für den Mikrowellenbereich, bestehend aus einem Hornstrahler und einem Mikrowellen-Hologramm.
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Zu Radarzwecken, sowie auch zur Satellitenüberwachung, werden Antennen
benötigt, deren Strahlungsdiagramm zeitlich veränderbar ist. Dabei ist es erforderlich,
daß die Änderung des Strahlungsdiagramms möglichst schnell und reproduzierbar erfolgt.
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Die aus der Optik bekannten Hologramme sind Beugungsgitter, deren
elektrische Parameter räumlich moduliert sind. Von einem einfallenden elektromagnetischen
Feld wird durch die Beugungsstruktur ein Teil ausgekoppelt, der die Rekonstruktion
eines von einem dreidimensionalen Körper reflektierten elektromagnetischen Feldes
darstellen kann.
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Eine Übertragung des holografischen Prinzips vom optischen auf den
Mikrowellenbereich ist grundsätzlich möglich. Eine Übertragungsleitung oder ein
Wellenleiter strahlt dabei ein Mikrowellenfeld auf das Hologramm, welches einen
Teil des Feldes abbeugt und dadurch ein Feld bestimmter Geometrie und Ausbreitungsrichtung
erzeugt.
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Eine holografische Antenne ist aus Proceedings of the IEEE, Vol. 56,
1968, S. 2165 - 2167 bekannt. Die in dieser Literaturstelle beschriebene holografische
Antenne besteht aus einem Hornstrahler und einem Mikrowellen-Oberflächenhologramm.
Ein Oberflächenhologramrn ist in der Lage, maximal 34 der einfallenden elektromagnetischen
Energie abzubeugen. Die beschriebene Anordnung weist nun keinerlei Möglichkeiten
auf, das
Strahlungsdiagramm mit der Zeit zu ändern. Will man also
einen rekonstruierten Strahl anderer Geometrie und Ausbreitungsrichtung haben, so
muß das Oberflächenhologramm gegen ein anderes ausgewechselt werden.
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Die Herstellung eines derartigen Mikrowellen-Oberflächenhologramms
erfolgt synthetisch mittels eines als Referenz-Wellenzentrum dienenden Hornstrahlers
und eines als Objekt-Wellenzentrum dienenden parabolischen Strahlers, deren Wellenfelder
zur Interferenz gebracht werden, oder dadurch, daß man diese Interferenz mittels
eines Rechners simuliert Der Intensitätsverlauf dieses Interferenzfeldes wird in
der Regel als Oberflächenrelief beispielsweise auf eine Paraffinplatte übertragen.
Die maximale Dicke der Paraffinplatte liegt dabei in der Größenordnung der Wellenlänge
#. Bringt man nun dieses Mikrowellen-Oberflächenhologramm an die Stelle des Interferenzfeldes,
an der die Intensitätsverteilung bestimmt wurde, und bestrahlt es mit dem ursprünglich
verwendeten Hornstrahler, so rekonstruiert das Hologramm die ursprüngliche Objektwelle
amplituden- und phasengetreu.
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Der vorliegenden Erfindung lag nun die Aufgabe zugrunde, eine holografische
Antenne anzugeben, die in der Lage ist, die gesamte einfallende elektromagnetische
Energie abzubeugen und deren Strahlungsdiagramm mit der Zeit veränderbar ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß das Mikrowellen-Hologramm
in einem Material aufgezeichnet ist, dessen Parameter elektrisch steuerbar sind
und daß das Hologrammmaterial mit Elektroden versehen ist, um die Materialparameter
zeitlich und räumlich zu modulieren.
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Das Mikrowellen-Hologramm ist vorzugsweise ein Volumenhologramm, so
daß man eine hundertprozentige Abbeugung der einfallenden elektromagnetischen Energie
erhält.
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Wie aus der Optik bekannt ist, weisen Volumenhologramme den
großen
Vorteil auf, einfach und billig in der Herstellung zu sein. Aufgrund ihrer homogenen
Struktur ist außerdem die Neigung zum Auftreten von unerwünschten Nebenzipfeln gering.
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Vorzugsweise ist das Hologramm in einem Medium aufgezeichnet, das
aus mindestens zwei Materialien unterschiedlicher Dielektrizitätskonstanten besteht.
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Bei einer ersten vorzugsweisen Ausgestaltung nach der Erfindung ist
das Material mit der höheren Dielektrizitätskonstanten ein ferroelektrisches Material.
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Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Gedankens ist das Material ein fotoleitendes Material.
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Die Elektroden sind vorzugsweise segmentiert, wobei jedes Elektrodensegment
separat ansteuerbar ist.
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Die erfindungsgemäße holografische Antenne kann entweder eine zweidimensionale
Struktur aufweisen, wobei die Modulation der Materialparameter in einer Ebene erfolgt
oder dreidimensicnal ausgeführt sein, wobei eine räumliche Modulation der Materialparameter
stattfindet.
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Grundsätzlich entspricht der Aufbau des Hologramms dem einer Übertragungsleitung,
wobei der die Energie aussendende Teil ein in seinen elektrischen Eigenschaften
modulierbares Material enthält, das in Abhangigkeit von diesen Eigenschaften ein
abgebeugtes elektromagnetisches Feld erzeugt.
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Im folgenden soll die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert
werden.
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Es zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung einer zweidimensionalen
Antenne,
Figur 2 ein praktisches Ausführungsbeispiel einer zweidimensionalen
Antenne, Figur 3 ein praktisches Ausführungsbeispiel einer dreidimensionalen Antenne
und Figur 4 die Modulationsanordnung für eine zweidimensionale Antenne.
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Die in Figur 1 dargestellte schematische Anordnung einer zweidimensionalen
Antenne entspricht in ihrem Aufbau einer Übertragungsleitung. Die von einem Mikrowellengenerator
kommende elektiromagnetische Energie wird bei der verengten Stelle 1 eingespsist
und durchsetzt den strahlenden Teil 2. Mit L ist die Länge des strahlenden Teils
bezeichnet. Der gewünschte hbstrahlungswinkel sei #. Dies entspricht einer Ausbreitungsrichtung
im Material, die einen Winkel # , mit der Ordinate einschiießt. Der Abstrahlungswinkel
C ist nun, wie weiter unten dargelegt, eine Funktion des Verlaufs der Kurven gleicher
Dielektri zitztslronstantea D und ihrer Periode #.
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Eine Aussage über die Modulation der .aterialparameter, und damit
des Mikrjowellen-Hologramms selbst, erhält man auss der klassischen Hologrammtheorie.
Für den einfachen Fall eine Abstrahlen unter einen bestimmten Winkel #, der einer
Ausbreitungsrichtung #1 der elektromagnetischen Welle im Material entspricht, gilt
das Brechungsgenetz
wobei £: r die relative Dielektjrizitätskonstante des Materials bedeutet. Das Feld
ist gegeben durch F = e - jk (sin #' x - cos #'y) wobei k ein die Ausbreitung im
Material kennzeichnender Faktor ist. Ist dieses einfallende elektromagnetische Feld
eine ebene Welle, die durch Ei = e -jkx
dargestellt werden kann,
so erhält man die gewünschte Modulation der Materialparameter aus dem Interferenzmuster
dieser beiden Felder. Die entsprechende Dielektrizitätskonstante des Materials ergibt
sich damit zu
wobei
ist und α den Grad der Modulation angibt. Die Kurven gleicher Dielektrizitätskonstante
entsprechen dabei Linien mit der Steigung = sin #' -1/ cos In diesem Fall ist die
Struktur periodisch mit der Periode
Die Abstrahlungsrichtung der Welle ist somit eine Funktion des Verlaufs der Dielektrizitätskonstanten
und ihrer Periode im Material.
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Analoge Überlegungen gelten für eine dreidimensionale Antenne mit
räumlicher Modulation der Materialparameter und damit beliebiger dreidimensionaler
Abstrahlungsrichtungen der Welle.
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Ein praktisches Ausführungsbeispiel einer derartigen Antenne ist in
Figur 2 dargestellt. Bei 1 wird wieder die elektromagnetische Energie in die Übertragungsleitung
eingespeist, in deren strahlenden Teil sich zwei Materialien verschiedener Dielektrizitätskonstanten
#0 und #1 befinden. #1 sei dabei größer als #@. @ Eine einfache Realisierung erhält
man durch Anbringen von Streifen 3, 4, 5 eines Materials mit einer hohen Dielektrizitätskonstanten.
Diese Streifen sind in einem bestimmten Winkel zur Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen
welle angeordnet. An jedem der aielektrischen
Streifen 3, 4, 5 wird
nun ein Teil der auftreffenden elektromagnetischen Welle reflektiert, wie es durch
die Doppelpfeile 6, 7, 8 dargestellt ist. Der Reflexionswinkel #γ ist dabei
gleich dem Einfallswinkel #i. Der Reflexionsfaktor der einzelnen dielektrischen
Streifen bestimmt dabei, wie schnell die gesamte elektromagnetische Energie von
der Antenne abgestrahlt-wird und damit auch die Strahlbreite.
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Um nun die Abstrahlrichtung steuern zu können, muß die Dielektrizitätskonstante
der Streifen 3, 4, 5 moduliert werden.
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Dazu eignet sich als Material für die Streifen 3, 4, 5 ein ferroelektrisches
Material, dessen Dielektrizitätskonstante durch das Anlegen eines elektrischen Potentials
verändert werden kann. Im einfachsten Fall werden auf die beiden Seiten der Streifen
3, 4, 5 Elektroden aufgebracht. Werden die Elektroden segmentiert, so läßt sich
jedes Element einzeln ansteuern.
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Ist jedoch die Dielektrizitätskonstante # des ferroelektrischen Materials
im Vergleich zur Dielektrizitätskonstante #0 des Materials zwischen den Streifen
3, 4, 5 zu groß, so ist es vorteilhaft, das ferroelektrische Material in gemahlener
Form mit einem nicht-polaren Bindematerial zu vermengen. Dadurch wird die Dielektrizitätskonstante
der Mischung herabgesetzt.
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In Figur 3 ist eine Anordnung einer dreidimensionalen holografischen
Antenne dargestellt. Mit 9 ist ein Hornstrahler bezeichnet und mit 11 eine holografische
Linse, die aus dem Zusammenfügen mehrerer Elemente 22, 32 und 42 entsprechend der
Figur 2 aufgebaut ist. Mit 10 ist die Abstrahlrichtung der abgebeugten elektromagnetischen
Wellen bezeichnet.
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Anstatt die einzelnen Teilchen hoher Dielektrizitätskonstante statistisch
mit einen nichtpolaren Bindematerial zu vermengen, kann man auch die Streifen 3,
4, 5 (Fig. 2) aus abwechselnd
aufgebrachten Schichten von ferroelektrischem
Material und Bindematerial bilden, wie es in Figur 4 dargestellt i(3t Hierbei ist
mit 15 nicht-polares Bindematerial bezeichnet, auf dessen beiden Seiten Elektroden
12 und 13 aufgebracht sind.
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Auf die Elektrode 13 wird eine dünne Schicht eines ferroelektrischen
Materials 16, beispielsweise durch Vakuumbedampfung, aufgebracht. Die Schicht 16
wiederum trägt eine Elektrode 14.
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Außer ferroelektrischen Materialien kommt jedes andere Material in
Frage, das einen Parameter aufweist, der moduliert werden kann. 13eispiele sind
Ferrite, deren Permeabilität durch Magnetfelder gesteuert werden kann, halbleiterübergänge,
die elektrisch geschaltet werden können und lichtempfindliche Materialien, deren
dielektrische Konstante oder Leitfähigkeit durch Licht gesteuert werden kann. Ein
anderes Beispiel sind in geeignete Materialien eingebettete Schleifen- oder Dipolelemente,
deren Streueigenschaften gesteuert werden können.
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6 P a t e n t a n s p r ü c h e 4 Figuren