DE3506268A1 - Verfahren und vorrichtung zur schmalbandfilterung eines millimeterwellenlaengestrahlungsbuendels - Google Patents

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Schmalbandfilterung eines Millimeterwellenlängestrahlungsbündels

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung der im Oberbegriff der Patentansprüche 1 bzw. 2 angegebenen Art.

Die Erfindung befaßt sich mit Millimeterwellenlängevorrichtungen, bei denen anisotrope, nichtlineare dielektrische Materialien benutzt werden, die eine elektrooptische Veränderlichkeit aufweisen, und insbesondere mit dem Entwurf und der Fertigung von Mikrowellen- und Radarbauteilen, die bei Millimeterwellenlängen, insbesondere Frequenzen in dem Bereich von 95 GHz, betreibbar sind.

Ferroelektrische Materialien sind seit der Entdeckung des Rochellesalzes für ihre Eigenschaften spontaner Polarisation

und Hysterese bekannt geworden, vgl. International Dictionary of Physics and Electronics, D. Van Nostrand Company, Inc., Princeton (1956). Andere Ferroelektrika einschließlich Bariumtitanat sind ebenfalls zum Gegenstand der Forschung geworden.

Die Anwendung der Eigenschaften von ferroelektrischen Materialien bei Millimeterwellenlängevorrichtungen und Radarsystemen ist jedoch weitgehend unerforschtes wissenschaftliches Terrain.

Bei Millimeterwellenlängen wird die übliche Mikrowellenpraxis durch die kleinen Abmessungen der Arbeitsbauteile, wie beispielsweise Wellenleiter und Resonatoren, behindert. Weiter gibt es einen beträchtlichen Mangel an geeigneten Materialien, aus denen die Bauteile hergestellt werden können. Darüber hinaus macht die Fertigungspräzision, die durch die kleinen Abmessungen der Bauteile verlangt wird, deren Herstellung schwierig und teuer. Ferritphasenschieber, die bei anderen Frequenzen benutzt werden, sind ungeeignet, und alternative Materialien sind allgemein nicht verfügbar.

Ferroelektrische Materialien sind demgemäß von besonderem Interesse, weil sich gewisse dielektrische Eigenschaften derselben unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes verändern. Insbesondere kann ein elektrooptischer Effekt durch die Einwirkung eines geeigneten elektrischen Feldes erzeugt werden. Weiter ist diesen Materialien eine durch die Einwirkung eines elektrischen Feldes hervorgerufene Orientierung und Umorientierung der ferroelektrischen Domänen gemeinsam.

Bekanntlich sind ferroelektrische Materialien Stoffe, die, wenn kein elektrisches Feld auf sie einwirkt, ein von null verschiedenes elektrisches Dipolmoment haben. Sie werden aus diesem Grund häufig als spontan polarisierte Materialien betrachtet. Viele ihrer Eigenschaften sind denen der ferro-

magnetischen Materialien analog, obgleich es sich gezeigt hat, daß der beteiligte molekulare Mechanismus unterschiedlich ist. Trotzdem ist die Unterteilung der spontanen Polarisation in unterschiedliche Domänen ein Beispiel für eine Eigenschaft, die sowohl ferromagnetische als auch ferroelektrische Materialien aufweisen.

Ein geeignet orientiertes doppelbrechendes Medium ändert die Polarisation von hindurchgehender Strahlung. Ein elektrisches Feld kann die Doppelbrechung des Mediums ändern und dadurch die Polarisationsänderung verändern und einen variablen Polarisator ergeben. Diese Änderung der Doppelbrechung wird als ein elektrooptischer Effekt angesehen, ein ähnlicher Effekt kann sich aber aus einer Verschiebung der Richtung der optischen Achse wie in dem Fall der Domänenumorientierung in Ferroelektrika ergeben.

Die Polarisationsänderung aufgrund der Doppelbrechung läßt sich folgendermaßen erklären. Strahlung im Millimeterwellenlängebereich teilt sich beim Auftreffen auf ein ferroelektrisches Medium, das eine geeignet ausgerichtete optische Achse hat, in Komponenten auf. Eine Komponente hat eine Polarisation, die zu der optischen Achse rechtwinkelig ist (der ordentliche Strahl), und die andere Komponente hat eine Polarisation, die zu der der ersten Komponente orthogonal und zu der optischen Achse abgewinkelt oder parallel ist (der außerordentliche Strahl). Die Brechungsindizes η und η des doppelbrechenden Materials bestimmen die unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten. Die austretenden Komponenten vereinigen sieh wieder, und zwar mit einer induzierten relativen Phasenverschiebung, die zu der Geschwindigkeitsdifferenz mal der Länge des Mediums proportional ist. Die Phasenverschiebung bestimmt den Polarisationszustand des Ausgangsstrahls: zirkulär, linear, elliptisch od. dgl.

Der Ausgangspolarisationszustand oder die induzierte Polarisationsänderung kann durch elektrooptisches Verändern der Doppelbrechung des Mediums verändert werden. Das erfolgt durch die Einwirkung eines anhaltenden elektrischen Feldes ausreichender Größe in geeigneter Richtung. Das elektrische Feld ändert die Brechungsindizes η und η in unterschiedlichem Ausmaß.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schmalbandfilterung von Millimeterstrahlung mit elektronisch veränderbarer Mittenfrequenz zu schaffen.

Diese Aufgabe ist durch die im Kennzeichen der Patentansprüche 1 bzw. 2 angegebenen Schritte bzw. Merkmale gelöst.

Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Schmalbandfilterung von Millimeterstrahlung mit elektronisch veränderbarer Mittenfrequenz.

Weiter schafft die Erfindung eine Millimeterwellenlängeschmalbandfiltervorrichtung für Radarsysteme zur Signalsteuerung.

Ferner schafft die Erfindung ein elektrisch gesteuertes ferroelektrisches Millimeterwellenlängeschmalbandfilter für Mikrowellenradarzwecke im Millimeterwellenlängebereich, das in bezug auf die Mittenfrequenz in einem kontinuierlichen Bereich von Frequenzen reversibel veränderbar ist.

Außerdem schafft die Erfindung ein Schmalbandfilter zur Verwendung in Millimiterwellenlängeradarsystemen.

Weiter schafft die Erfindung ein ferroelektrisches Millimeterwellenlängeschmalbandfilter/ das in der Lage ist, Mikrowellensignale in einem durchgehenden vorbestimmten Frequenzbereich zu verarbeiten.

Schließlich schafft die Erfindung ein ferroelektrisches Millimeterwellenlängeschmalbandfilter zum Verarbeiten von Mikrowellensignalen in einem Radarempfänger.

Gemäß der Erfindung wird ein ferroelektrisches Medium stufenweise in dem Strahlengang von Millimeterwellenlängestrahlung angeordnet, um ein kontinuierlich veränderbares Mikrowellenradarschmalbandfilter zu schaffen. Das ferroelektrische Material in jeder Stufe hat eine optische Achse, die orthogonal zu der Richtung der Wellenausbreitung angeordnet sein kann, und ist der koordinierten Einwirkung eines elektrischen Feldes in vorbestimmten Richtungen mittels jede Stufe überspannender Elektroden ausgesetzt.

Veränderbare elektrische Felder werden aufgebaut, indem unterschiedliche gewählte Spannungen aus einer Quelle über Leitungen an die Elektroden angelegt werden. Dadurch werden die Brechungseigenschaften der ferroelektrischen Medien geändert. Der Vorgang ist wiederholbar, und die Mittenfrequenz der Vorrichtung ist durch Einstellen des Wertes der an die Elektroden angelegten Spannungen präzise einstellbar.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 mehrere Stufen des ferroelektrischen

Filters mit Elektroden, die rittlings an deren Oberflächen angeordnet sind, wobei jede Stufe wenigstens einem einzelnen , gemeinsam benutzten Polarisationselement ausgesetzt ist, und

Fig. 2 die Frequenzverteilungseigenschaften

des Filters, und zwar stufenweise und insgesamt.

Die Filteranordnung, die in Fig. 1 gezeigt ist, enthält abgestufte Blöcke oder Elemente 7 aus ferroelektrischem Material, die einer einfallenden polarisierten Strahlung 9 ausgesetzt sind. Die Ausbreitungsrichtung der einfallenden Strahlung ist durch einen Pfeil K angegeben. Die Polarisationsart wird durch einen Eingangspolarisator 8 bestimmt. Schichten eines geeigneten bekannten Anpassungsmaterials sind vorzugsweise auf die Eingangs- und die Ausgangsseite jedes Materialblockes aufgebracht, um Reflexionseffekte zu minimieren.

Die Strahlung ist beispielshalber durch eine Frequenz von 95 GHz gekennzeichnet, die einer Millimeterwellenlänge von 3,16 entspricht. Die Blöcke 7 sind hier quaderförmig, wobei jede ihrer Oberflächen zu der unmittelbar gegenüberliegend angeordneten Oberfläche insgesamt parallel ist. Andere geometrische Formen wären gleichermaßen verwendbar, solange die einander gegenüberliegenden Seiten parallel sind.

Die Vorrichtung hat Elektrodenpaare 11, 22 und 33, die orthogonal zu den optischen Achsen der Blöcke 7 dargestellt sind, aber je nach dem verwendeten Material anders orientiert sein könnten. Jedes Mitglied eines besonderen Elektrodenpaares ist rittlings an einer der entgegengesetzten Seiten eines ferroelektrischen Blockes 7 angeordnet, wobei jedes Elektrodenpaar, das einer besonderen Stufe zugeordnet ist, zu einer gesondderten optischen Achse orthogonal ist und wobei jede optische Achse einer anderen Stufe zugeordnet ist.

In Fig. 1 werden die Elektrodenpaare 11, 22 und 33 mit einem gewählten Spannungswert aus einer Spannungssteuerquelle 12 gleichzeitig aktiviert, der die gewünschte besondere MittenfrequenzverSchiebung ergibt.

Jede Stufe kann als ein gesondertes Unterfilter 11', 22' bzw.

33' aufgefaßt werden, wobei jedes Unterfilter einen ausgerichteten Polarisator 11' ·, 22'' bzw. 33" aufweist, der unmittelbar hinter ihm angeordnet ist. Die Polarisatoren sind rechtwinkelig zu der Ausbreitungsrichtung angeordnet und so orientiert, daß sie die Strahlung in einer gleichen oder ausgerichteten Achse polarisieren. Die Polarisatoren sind bei der hier beschriebenen Ausführungsform Linearpolarisatoren.

Die Größe des eingeprägten elektrischen Feldes kann auf einen Wert in der Größenordnung von 10 kV/cm ansteigen. Nicht mehr als 30 oder 40 kV/cm sollten benutzt werden, um einen dielektrischen Durchschlag zu vermeiden.

Andere Elektrodenanordnungen können im Rahmen der Erfindung benutzt werden. Beispielsweise könnten die Elektrodenpaare vertikal statt horizontal angeordnet werden. In diesem Fall würden jedoch die optischen Achsen der verschiedenen Stufen zu den Ebenen der Elektroden, die das einwirkende elektrische Feld erzeugen, parallel sein. Außerdem könnten die Elektrodenpaare in Anpassung an ein besonderes Material unter irgendeinem anderen Winkel angeordnet sein.

Fig. 1 zeigt deutlich, daß die Blöcke 7 in der Dicke variieren, wobei jede Dicke ein ganzzahliges Vielfaches einer vorgewählten Mindestdicke ist, die so gewählt wird, daß sich eine bestimmte Gesamtbandbreitencharakteristik ergibt.

Gemäß der Darstellung in Fig. 2 können für eine besondere Kombination von Dicken der Elemente aus doppelbrechendem Material, das einer Eingangsstrahlung im Millimeterbereich ausgesetzt ist, dickenbezogene Ausgangsfrequenzgänge, sowohl einzeln als auch kombiniert, so gebildet werden, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Ein relativ dünnes Element 7 hat die größte Bandbreites des Frequenzganges, wie es in dem

Teil a in Fig. 2 gezeigt ist. Der Teil a gibt mehr als eine Bandbreite für den in Fig. 2 gewählten Frequenzbereich an, und jede Bandbreite kann als interessierende Bandbreite benutzt oder gewählt werden.

Die Auswirkung einer doppelten Dicke des ferroelektrischen Materials auf ein Strahlungsbündel ist in dem Teil b in Fig. 2 gezeigt. Diese Frequenzbänder sind halb so breit wie diejenigen des dünneren Referenzmaterials, weshalb sich mehrere ihrer Berge und Täler mit mehreren Bergen und Tälern des dünneren Materials decken. Demgemäß ist nur der Durchgang eines kleineren oder begrenzten Teils der Strahlung möglich. Fig. 2 bestätigt dies und zeigt eine Verschmälerung des Durchlaßbereiches. Es ist deutlich zu erkennen, daß die äußeren Frequenzen der Strahlung, die am weitesten von der Mittenfrequenz entfernt sind, durch das dickere Material behindert werden.

Der Teil c in Fig. 2 dehnt dieses Prinzip weiter aus und zeigt die Ausgangscharakteristik der Frequenzen, die durch das dickste der drei ferroelektrischen Elemente hindurchgehen, das viermal so dick ist wie das schmälste Element. Fig. 2 zeigt wieder die Ausrichtung der Berge und Täler, und zwar mit demselben Effekt wie vorher: eine weitere Verschmälerung der Durchlaßbandbreite.

Die kombinierte Ausgangscharakteristik der Stufen ist in dem Teil d in Fig. 2 gezeigt. Die Mittenfrequenzen der in dem Teil a durchgelassenen Bänder sind dieselben. Jedoch ist die Durchlaßbreite, d.h. die durchgelassene Bandbreite, relativ verkürzt. Durch Weglassen einer der Stufen kann die Gesamtbandbreite vergrößert werden, und durch Hinzufügen weiterer Stufen, deren Dicke ein ganzzahliges Vielfaches ist, kann die Bandbreite noch schmaler gemacht werden.

Ungeachtet dessen, welche Verbund- oder resultierende Bandbreite schließlich gewählt wird, ist diese eine feste Grösse, die von den gewählten ferroelektrischen Elementen 7 und von deren besonderen physikalischen Breiten abhängig ist.

Besonders bedeutsam an der Anordnung ist zusätzlich zu den oben bereits gemachten Angaben, daß die Mittenfrequenz der Durchlaßbandbreiten wahlweise steuerbar verändert, modifiziert oder verschoben werden kann, und zwar im Verhältnis zu einem quer gerichteten elektrischen Feld, das durch Anlegen einer Spannungsdifferenz an die die Elemente 7 überspannenden Elektroden aufgebaut wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Referenzbreite für das schmälste Element 7 gewählt,und jedes weitere Element 7 ist doppelt so breit wie ein anderes Element. Die Elemente sind in aufsteigender Folge der Breite dargestellt, was aber für die Erfindung nicht wesentlich ist. Nachdem die Breite der Elemente festgelegt worden ist, können diese in dem Strahlengang beliebig verteilt werden.

Die Verschiebung der Mittenfrequenz wird als das Ergebnis einer durch das elektrische Feld hervorgerufenen Änderung der Doppelbrechung des ferroelektrischen Materials betrachtet. Das ferroelektrische Material weist eine gleichmäßige Domänenorientierung auf, die mit der optischen Achse zusammenfällt, was eine kontinuierliche Vergrößerung oder Verkleinerung der Mittenfrequenzen der durchgelassenen Bandbreiten gemäß der Polarität des aufgebauten elektrischen Feldes gestattet.

Die ferroelektrischen Materialien, die benutzt werden, können als polykristalline Gemische hergestellt werden, die besonders brauchbar sind. Insbesondere sind Gemische in einem inerten, isotropen Medium für Bauteileentwickler

von Interesse. Polykristalline Gemische werden bevorzugt, weil es schwierig ist, einzelne große Kristalle wachsen zu lassen. Beispielsweise kann ein isotropes Medium mit niedrigem Brechungsindex mit orientierten Eindomänenkristallen eines bestimmten Ferroelektrikums in geeigneten Konzentrationen willkürlich dotiert werden, was dem Medium beträchtliche elektrooptische Eigenschaften der gewünschten Art verleiht. Strukturierte Verbundmaterialien könnten ebenfalls als ferroelektrisches Material benutzt werden.

In einer weiteren Ausführungsform können die einzelnen Elemente aus Einkristallen ferroelektrischen Materials aufgebaut oder, einfacher, aus dielektrischen Gemischen hergestellt werden. Die Gemische können beliebig sein und einzelne ferroelektrische Kristalle verteilt in einem inerten dielektrischen Füllstoff aufweisen oder aus strukturierten Elementen bestehen, beispielsweise aus ebenen Platten aus polykristallinem Ferroelektrikum, die mit Platten des Füllstoffes abwechseln.

-AH-

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Claims (6)

Patentansprüche :

1. Verfahren zur Schmalbandfilterung eines Millimeterwellenlängestrahlungsbündels, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Richten eines Millimeterwellenlängestrahlungsbündels durch mehrere Stufen eines Materialmediums, die«parallele Eingangsund Ausgangswände sowie ein Paar entgegengesetzte Seiten haben, wobei eines der Paare horizontal und das andere Paar vertikal angeordnet ist, wobei das Medium doppelbrechend ist und eine optische Achse hat, die rechtwinkelig zu der Ausbreitungsrichtung des Millimeterwellenlängestrahlungsbündels angeordnet ist, und wobei die Dicke des Materialmediums in der Wellenausbreitungsrichtung ein ganzzahliges Vielfaches eines gewählten Referenzwertes ist/

Zuordnen wenigstens eines Elektrodenpaares zu jeder Stufe, und zwar rittlings an jedem Materialmedium, wobei jede Elektrode zu der entsprechenden optischen Achse orthogonal ist; Anordnen von ausgerichteten Linearpolarisatoren rittlings an

jedem Medium in der Wellenausbreitungsrichtung; und Aufbauen eines elektrischen Feldes zwischen jedem Elektrodenpaar und dadurch Einwirkenlassen der Feldstärke auf das Materialmedium zum kontinuierlichen Modifizieren der Brechungseigenschaften des Mediums im Verhältnis zu der Feldstärke, wodurch das Bandbreitenspektrum des Millimeterwellenlängestrahlungsbündels kontinuierlich verschoben wird.

2. Vorrichtung zur Schmalbandfilterung eines Millimeterwellenlängestrahlungsbündels/ gekennzeichnet durch:

mehrere Stufen eines Materialmediums (7)/ die jeweils parallele Eingangs- und Ausgangswände sowie ein Paar entgegengesetzte Seiten haben, wobei eines der Paare horizontal und das andere vertikal angeordnet ist, wobei das Medium doppelbrechend ist und eine optische Achse hat, die orthogonal zu der Richtung (K) der Wellenausbreitung angeordnet ist, und wobei die Dicken des Materialmediums (7) in der Ausbreitungsrichtung ganzzahlige Vielfache eines gewählten Referenzwertes sind;

mehrere Paare von Linearpolarisatoren (8, 11 ' ' , 22'', 33''), von denen ein Paar jedem Medium rittlings zugeordnet und zu der Ausbreitungsrichtung rechtwinkelig ist; wobei jedes Medium mit einem Elektrodenpaar (11, 22, 33) versehen ist, von denen jedes Paar rittlings an einem der Materialmedien (7) angeordnet ist, wobei die Elektroden zu einer entsprechenden optischen Achse orthogonal sind; und eine elektrische Einrichtung (12) zur Zufuhr von elektrischer Energie zu den Elektrodenpaaren gemeinsam, wodurch ein kontinuierlich veränderbares und steuerbares elektrisches Feld in bezug auf jedes Medium aufbaubar ist, um das Medium zu modifizieren und die Mittenfrequenz des Bündels der übertragenen Millimeterwellenlängestrahlung zu verschieben, die durch die Materialmedien (7) hindurchgeht.

3. Verfahren bzw. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicken der Materialmedien (7) geometrische Vielfache des Referenzwertes sind.

4. Verfahren bzw. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialmedien (7) in einer Folge aufsteigender Dicke angeordnet sind.

5. Verfahren bzw. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Materialmedium (7) ferroelektrisch ist.

6. Verfahren bzw. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Materialmedium Bariumtitanat enthält.