DE3133966C2 - Antenna for receiving electromagnetic free space waves - Google Patents

Antenna for receiving electromagnetic free space waves

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Abstract

Antenne zum Empfang elektrischer und elektromagnetischer Wechselfelder im Frequenzbereich 10 Hz bis > 1 MHz, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrooptischer Kristall von einigen cm Länge zwischen den Resonatorspiegeln eines Fabry-Perot-Interferometers liegt, mit einem Laserstrahl beleuchtet wird und die Ausgangsintensität des geringfügig verstimmten Interferometers durch Brechungsindexschwankungen in dem Kristall, hervorgerufen durch die einfallenden äußeren Felder, moduliert und in an sich bekannter Weise in ein elektrisches Signal rückverwandelt und schmalbandig verstärkt wird.Antenna for receiving electrical and electromagnetic alternating fields in the frequency range 10 Hz to> 1 MHz, characterized in that an electro-optical crystal a few cm in length lies between the resonator mirrors of a Fabry-Perot interferometer, is illuminated with a laser beam and the output intensity of the slightly detuned interferometer is modulated by refractive index fluctuations in the crystal, caused by the incident external fields, and converted back into an electrical signal in a manner known per se and amplified in a narrow band.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antenne zum Empfang elektromagnetischer Freiraumwellen Im Frequenzbereich von 10 Hz bis > 1 MHz, bestehend aus einem Fabry-Perot-Interferometer mit einem zwischen seinen zwei Resonatorspiegeln angeordneten elektrooptischen Kristall von wenigen Zentimetern Länge, einer vor dem Interferometer angeordneten Lichtquelle und einer dahinter angeordneten Sammellinse, einem folgenden Lichtdetektor und Verstärker.The invention relates to an antenna for receiving electromagnetic free space waves in the frequency range from 10 Hz to> 1 MHz, consisting of a Fabry-Perot interferometer with one between its two Electro-optical crystal a few centimeters long arranged in resonator mirrors, one in front of the interferometer arranged light source and a collecting lens arranged behind it, a following light detector and amplifier.

Antennen dienen zum Abstrahlen oder Empfangen von elektromagnetischen Wellen. Dazu werden elektrische Leiter verwendet, deren Größe meist in der Größenordnung der Wellenlänge liegt. Mit wachsenden Wellenlängen werden auch die Antennen immer größer, oder die Antennen werden aus mehreren entfernt voneinander aufgestellten Elementen gebildet.Antennas are used to emit or receive electromagnetic waves. To do this, electrical Used conductors, the size of which is usually in the order of magnitude of the wavelength. With growing wavelengths the antennas are also getting bigger, or the antennas are separated from each other by several erected elements.

Bekannt sind Kristalle, die clektrooptlsche Eigenschaften haben, das heißt, deren optische Konstanten durch äußere elektrische Felder verändert werden.Crystals are known that have Clektrooptlsche properties, that is, their optical constants through external electric fields are changed.

Bei Kallumdlphosphat (KDP) z. B. variiert der Brechungsindex η für Licht mit einer von außen überlagerten elektrischen Feldstärke.With Kalumdlphosphat (KDP) z. B. varies the refractive index η for light with an externally superimposed electric field strength.

Bekannt sind aus der Spektroskopie Fabry-Perot-Interferometer, die aus zwei teilversplegelten Glasplatten bestehen, die In einem festen Abstand zueinander stehen. Fällt Licht in den Zwischenraum, so wird es zwischen beiden Platten hin und her reflektiert. Da die Platten nur teilversplegelt sind (R = 0,96), kann bei jedem Auftreffen auf eine Platte ein kleiner Teil des Lichts durch die Glasplatte hindurchtreten. Das eintretende Licht wird so in viele (bis zu 60) Parallelstrahlen konstanter Phasendifferenz aufgespalten. Werden die Lichtbündel mit einer Sammellinse vereinigt, so entstehen in der Brennebene durch Vielfachinterferenz helle und dunkle Ringe, je nach dem, ob die Teilstrahlen positiv oder negativ interferieren.Fabry-Perot interferometers are known from spectroscopy, which consist of two partially spliced glass plates exist, which are at a fixed distance from each other. If light falls into the space between, it becomes between reflected back and forth on both plates. Since the panels are only partially plastered (R = 0.96), everyone can When hitting a plate a small part of the light can pass through the glass plate. The incoming light is split into many (up to 60) parallel beams of constant phase difference. Become the bundle of light combined with a converging lens, light and dark appear in the focal plane through multiple interference Rings, depending on whether the partial beams interfere positively or negatively.

Aufgabe der Erfindung Ist es, eine Antenne zum Empfang elektrischer oder elektromagnetischer Wechselfelder im Frequenzbereich von 10 Hz bis > 1 MHz zu schaffen, die bei geringen Abmessungen auch für niedrigste Frequenzen eine ausreichende Empfindlichkeit besitzt.The object of the invention is to provide an antenna for receiving electrical or electromagnetic alternating fields to create in the frequency range from 10 Hz to> 1 MHz, with small dimensions also for the lowest Frequencies has sufficient sensitivity.

so Die Aufgabe wird durch eine Antenne gelöst, bei der ein elektrooptlscher Kristall von einigen cm Länge zwischen den Resonatorspiegeln eines Fabry-Perot-Interferometers liegt, mit einem Laserstrahl beleuchtet wird und die Ausgangsintensität des geringfügig verstimmten Interferometers durch Brechungsindexschwankungen in dem Kristall, hervorgerufen durch die einfallenden äußeren Felder, moduliert und in an sich bekannter Welse in ein elektrisches Signal rückverwandelt und schmalbandlg verstärkt wird.The problem is solved by an antenna with an electro-optical crystal of a few cm in length between the resonator mirrors of a Fabry-Perot interferometer is illuminated with a laser beam and the output intensity of the slightly detuned interferometer due to refractive index fluctuations in the crystal, caused by the incident external fields, modulated and in a manner known per se is converted back into an electrical signal and amplified in a narrow band.

Vorteile der Erfindung sind der ungewöhnlich große Frequenzbereich, die für lange Wellen Λ = 10' km extrem kleinen Abmessungen, die Möglichkeit Integriert zu bauen und die ausschließlich Verwendung schon vorhandener bekannter Bauteile.Advantages of the invention are the unusually large frequency range required for long waves Λ = 10 'km extremely small dimensions, the possibility of integrated construction and exclusive use existing known components.

Ausbildungen der Erfindung sind Gegenstände von Unteransprüchen.Developments of the invention are the subject matter of subclaims.

Die Erfindung wird anhand zweier Figuren näher erläutert.
F ι g. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Antenne,The invention is explained in more detail with reference to two figures.
Fig. 1 shows an antenna according to the invention,

Fig. 2 zeigt die Abhängigkeit der Ausgangsintensität eines Fabry-Perot-Interferometers von der Phasendifferenz zweier benachbarter Teilstrahlen.2 shows the dependence of the output intensity of a Fabry-Perot interferometer on the phase difference two adjacent partial beams.

Fig. 1 zeigt eine Lichtquelle 2, den Fabry-Perot-Resonator 3, bestehend aus den Glasplatten 4 und 5, die an den Flächen 6 und 7 teilverspiegelt sind, den elektrooptischen Kristall 8, eine Sammellinse 10, einen Llchtde- ^ tektor 12 und den Verstärker 14. Die Lichtquelle 2 (z.B. ein Laser, speziell ein Diodenlaser) sendet einen Lichtstrahl 9 einer bestimmten Wellenlänge mit einem Einfallswinkel nahe 0° In den Resonator 3. Dort erleidet dieser Vielfachreflexlonen und wird In viele parallele Teilstrahlen 11 aufgespalten. Die Phasendifferenz δ der einzelnen Teilstrahlen ist von der optischen Wegdifferenz d (7-6-7) und damit vom Brechungsindex η desFig. 1 shows a light source 2, the Fabry-Perot resonator 3 consisting of the glass panes 4 and 5, which are partially mirrored on the surfaces 6 and 7, the electro-optic crystal 8, a condenser lens 10, a Llchtde- ^ Tektor 12 and the amplifier 14. The light source 2 (e.g. a laser, especially a diode laser) sends a light beam 9 of a certain wavelength with an angle of incidence close to 0 ° into the resonator 3. The phase difference δ of the individual partial beams depends on the optical path difference d (7-6-7) and thus on the refractive index η des

Kristalls 8 abhängig. Der Brechungsindex η variiert mit dem elektrischen Feld der einfallenden elektromagnetischen Strahlung, die empfangen wird. Die Phasendifferenz <5 bestimmt die durchgelassene Gesamtinte isitat J des Lichtes gemäß der Gleichung 1:Crystal 8 dependent. The refractive index η varies with the electric field of the incident electromagnetic radiation that is received. The phase difference <5 determines the total transmitted intensity J of the light according to equation 1:

Gleichung 1: J -J0 Equation 1: J -J 0

1 + -^- sin* δ
)2 1 + - ^ - sin * δ
) 2

Il mit J0 = einfallende Intensität ,0 Il with J 0 = incident intensity, 0

jw R = Reflexionsvermögen der Flächen 6, 7jw R = reflectivity of surfaces 6, 7

£ Gleichung 2: δ = Phasendifferenz = £ Equation 2: δ = phase difference =

*■* ■

f£ η = Brechungsindex innerhalb des Resonators f £ η = refractive index within the resonator

ff d = Plattenabstandff d = plate spacing

p. Xl = Lichtwellenlänge p. Xl = wavelength of light

%%

IiS Gleichung 1 gibt die Intensität der von der Sammellinse 10 vereinigten Teilstrahlen an. Diese Intensität wirdIiS equation 1 specifies the intensity of the partial beams combined by the converging lens 10. This intensity will

;- von dem Strahlungsdetektor 12 (z. B. einer Photodiode) registriert, d. h. in ein elektrisches Signal übersetzt und- Registered by the radiation detector 12 (e.g. a photodiode), d. H. translated into an electrical signal and

an einen schmalbandigen Verstärker geleitet.
! Der nicht ganz senkrechte Lichteinfall der Fig. 1 wurde nur aus Gründen der Anschaulichkeit gewählt undrouted to a narrowband amplifier.
! The incidence of light in FIG. 1, which is not entirely perpendicular, was selected and only for reasons of clarity

ist für die Funktion unwesentlich. Die Antenne arbeitet auch bei senkrechtem Einfall. Da alle Teilstrahlen dann auf einer Linie liegen, kann dann die Linse 10 weggelassen werden.is not essential for the function. The antenna also works at normal incidence. Since all partial beams then lie on a line, the lens 10 can then be omitted.

Fig. 2 zeigt die Abhängigkeit der Intensität hinter dem Resonator von der Phasendifferenz 5, ist also eine graphische Darstellung der Gleichung 1.Fig. 2 shows the dependence of the intensity behind the resonator on the phase difference 5, so it is a graphical representation of equation 1.

Eingezeichnet ist der »Arbeitspunkt« 14 auf der Flanke eines Maximums 16. Der Resonator ist also nicht exakt auf die Licht wellenlänge abgestimmt, sondern etwas verstimmt. Schon eine geringe Änderung von δ bewirkt wegen der für R nahe 1 sehr stellen Flanke des Maximums 16 eine relativ große Änderung in der Intensität des Lichts. Darüber hinaus bewirkt eine kleine Änderung von n, hervorgerufen durch die einfallenden elektromagnetischen Felder, wegen d » kL eine relativ große Änderung von δ und damit Insgesamt auch eine große Änderung von J. The "working point" 14 is drawn in on the flank of a maximum 16. The resonator is therefore not precisely tuned to the light wavelength, but rather detuned somewhat. Even a slight change in δ causes a relatively large change in the intensity of the light because of the very close edge of the maximum 16 for R close to 1. In addition, a small change in n, caused by the incident electromagnetic fields, causes a relatively large change in δ because of d » k L and thus, overall, a large change in J.

So lassen sich einfallende elektromagnetische Felder mit einer Stärke von 10 μν/m als Intensitätsänderungen von 10(l noch sicher detektieren.In this way, incident electromagnetic fields with a strength of 10 μν / m can still be reliably detected as changes in intensity of 10 (l.

Bei einer bevorzugten Ausführung werden die Endflächen des elektromagnetischen Kristalls 8 verspiegelt und ersetzen so die beiden Glasplatten 4 und 5. Dieser kompakte Aufbau hält auch bei mechanischen Erschütterungen den erforderlichen festen Abstand d der Spiegel ein.In a preferred embodiment, the end faces of the electromagnetic crystal 8 are mirrored and thus replace the two glass plates 4 and 5. This compact structure maintains the required fixed distance d between the mirrors even in the event of mechanical vibrations.

Als Lichtquelle 2 dient ein integriert angebrachter Diodenlaser, als Lichtdetektor 12 ein integrierter Halblei- ^> terdetektor. Zur Erhöhung der Auflösung können Rückkopplungsschaltungen verwendet werden.An integrated diode laser is used as the light source 2, and an integrated semiconductor device is used as the light detector 12 terdetector. Feedback circuits can be used to increase the resolution.

Zum Herausfiltern von Störungen, die durch Wellenlängenschwankungen der Lichtquelle verursacht sind, können zwei erfindungsgemäße Antennen verwendet werden, von denen eine elektrisch abgeschirmt 1st, und die beiden Ausgangssignale rechnerisch miteinander verglichen werden.To filter out interference caused by fluctuations in the wavelength of the light source, two antennas according to the invention can be used, one of which is electrically shielded, and the two output signals are computationally compared with one another.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (5)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Antenne zum Empfang elektromagnetischer Freiraumwellen im Frequenzbereich von 10 Hz bis > 1 MHz, bestehend aus einem Fabry-Perot-Interferometer mit einem zwischen seinen zwei Resona'.orsple-1. Antenna for receiving electromagnetic free space waves in the frequency range from 10 Hz to > 1 MHz, consisting of a Fabry-Perot interferometer with a between its two Resona'.orsple- S geln angeordneten elektrooptischen Kristall von wenigen Zentimetern Länge, einer vcr dem Interferometer angeordneten Lichtquelle und einer dahinter angeordneten Sammellinse, einen folgenden Lichtdetektor und Verstärker, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall (8) mit einem von der Lichtquelle (2) ausgehenden und von außen senkrecht auf den ihr benachbarten Resonatorspiegel (4) einfallenden Laserstrahl (9) beleuchtet wird und die Ausgangsintensität des geringfügig verstimmten Interferometers (3) durch "> Brechungsindexschwankungen in dem Kristall (8), hervorgerufen durch einfallende äußere elektromagnetische Felder, moduliert und über den Lichtdetektor (12) in ein leitungsgebundenes elektrisches Signal rückverwandelt und im Verstärker (U) schmalbandlg verstärkt wird.Electro-optic crystal arranged on a rock, a few centimeters long, one in front of the interferometer arranged light source and a collecting lens arranged behind it, a following light detector and Amplifier, characterized in that the crystal (8) with one emanating from the light source (2) and from the outside perpendicular to the adjacent resonator mirror (4) incident laser beam (9) is illuminated and the output intensity of the slightly detuned interferometer (3) "> Refractive index fluctuations in the crystal (8), caused by incident external electromagnetic Fields, modulated and converted back into a wired electrical signal via the light detector (12) and is amplified in the amplifier (U) in a narrow band. 2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endflächen des elektrooptischen Kristalls (8) verspiegelt und als Resonatorspiegel (4, 5) verwendet werden.2. Antenna according to claim 1, characterized in that the end faces of the electro-optical crystal (8) and used as a resonator mirror (4, 5). •5 3. Antenne nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle (2) ein Diodenlaser verwendet wird, der unmittelbar mit dem Fabry-Perot-Resonator (3) verbunden ist und als Detektor (12) ein ebenfalls integrierter Halbleiterdetektor verwendet wird.• 5 3rd antenna according to claims 1 or 2, characterized in that the light source (2) is a diode laser is used, which is directly connected to the Fabry-Perot resonator (3) and as a detector (12) an integrated semiconductor detector is also used. 4. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das schmalbandlg verstärkte Ausgangssignal zur Frequenzmodulation der Eingangsintensität rückgekoppelt wird.4. Antenna according to one of claims 1 to 3, characterized in that the narrow band increased Output signal for frequency modulation of the input intensity is fed back. 5. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei parallele Resonatoren betrieben werden, von denen der eine zur Kompensation von wellenlängenschwankungsbedlngten Störungen elektrisch abgeschirmt Ist.5. Antenna according to one of claims 1 to 4, characterized in that two parallel resonators operated, one of which is used to compensate for disturbances caused by wavelength fluctuations Is electrically shielded.
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