DE4130477A1

DE4130477A1 - Verfahren zur signaldetektion informationsbehafteter elektromagnetischer felder

Info

Publication number: DE4130477A1
Application number: DE19914130477
Authority: DE
Inventors: Lutz Dr Rothe; Joerg Merkel; Jens Richter
Original assignee: RBM ELEKTRONIK AUTOMATION GmbH
Current assignee: RBM ELEKTRONIK AUTOMATION GmbH
Priority date: 1991-09-13
Filing date: 1991-09-13
Publication date: 1993-03-18

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur selektiven, phasensteuerbaren und polarisationsanpaßbaren Signaldetektion nach dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1, insbesondere von höchstfrequenten Nachrichtensignalen vorzugsweise auf dem Sektor der satellitengestützten Informationsübertragung.

Konventionelle Strahlungserfassungssysteme setzen a priori die Existenz ungestörter ebener Wellenfelder voraus, d. h. die Überlagerung der Einzelfelder der Elemente gekoppelter Strahlergruppen wird als Interferenz gleichphasiger Teilfelder definierter Polarisation angenommen. Wird als Ausgangsphase betrachtet, daß reale Empfangsbedingungen mit den sich infolge von Depolarisationseffekten ausbildenden Interferenzfeldern einhergehen, ist der Zustand des ungestörten und eindeutig polarisierten elektromagnetischen Strahlungsfeldes als Sonderfall zu betrachten. Systeme mit üblicherweise phasenbezogener Anregung und vorgegebener eindeutiger Polarisationssensibilität weisen deshalb eine zustandsabhängige Fehlanpassung der Strahlersystemparameter an den Feldraum des realen Empfangsfeldes auf.

Adaptivitätsmerkmale bekannter Techniken sind auf die Möglichkeiten der elektronischen Strahlschwenkung bzw. Diagrammsynthese über gesteuerte digitale Phasendrehglieder sowohl in der Originalfrequenzebene als auch in einer durch amplitudenproportionale und phasenstarre Frequenzumsetzung erzeugten Zwischenfrequenzebene begrenzt.

Bekannte Möglichkeiten der Polarisationssteuerung planarer Strahlerelemente lassen lediglich eine Unterscheidung der gegensinnigen zirkularen sowie orthogonalen linearen Feldpolarisation zu und basieren auf der Anwendung gekoppelter binär steuerbarer Diodenkombinationen, deren Systemintegration jedoch mit einer lokal determinierten komplexen Belastung der aktiven Struktur verbunden ist bzw. die Konfigurierung zusätzlicher elementzugeordneter Steuerkreise erfordert.

Bekannt sind weiterhin planare Strahler, die auf der Grundlage der Microstrip-, Microslot-, Triplate oder dielektrischen Bildleitungstechnik zu Arrayanordnungen führen. Die elektromagnetische Anregung der Einzelelemente erfolgt hierbei gleichphasig oder definiert phasen- und amplitudenstarr. Möglichkeiten der selektiven magnetostatischen Polarisationssteuerung sind nicht bekannt.

Das Ziel der Erfindung besteht darin, systemintegrationsfähige Strahlersysteme hoher Richtwirkung vorzugsweise für den stationären oder mobilen Empfang satellitenübertragener Nachrichtensignale sowie in planarer Technik zu schaffen, deren Systemkonzeption eine Optimierung des Nutzsignal-Störsignal-Verhältnisses bezüglich des Phasen- und Polarisationszustandes des einfallenden höchstfrequenten Wellenfeldes zuläßt sowie eine Erweiterung des Funktionsumfanges gegenüber bekannten Lösungen ermöglicht.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, planare Strahlersysteme hoher Richtwirkung vorzugsweise für den stationären oder mobilen Empfang satellitenübertragener Funk- bzw. TV-Signale zu schaffen, deren Systemkonzeption eine Optimierung des Phasen- und Polarisationsverhaltens sowie der spektralen Sensivität ermöglicht. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß planare Gruppen gleichphasig erregter und in der Grundmode schwingender planarer Resonatoren in der Eigenschaft von Systemuntergruppen quasikontinuierlich über magnetostatische Oberflächenwellenkopplung und hierarchisch phasenbewertet werden. Die Ermittlung der gruppenzugeordneten statischen Vormagnetisierungsfelde des oberflächenwellenkoppelnden Anregungssystems der oberflächenwellengekoppelten Untergruppen erfolgt über die zyklische Komparation der Summenrichtspannungen des gekoppelten Resonatorsystems.

Unabhängig von ihrer eingeprägten Polarisation werden die einfallenden und zu detektierenden elektromagnetischen Wellenfelder in ihre linearen bzw. zirkularen Partialfelder zerlegt. Die Polarisationssensibilität wird erzeugt, indem ein entlang der Aperturnormalen gekoppeltes Arraysystem synthetisiert wird, dessen planare Resonatoren paarweise in vertikaler Struktur jeweils räumlich orthogonal mit gemeinsamer Flächennormale im Drehpunkt der Flächenresonatoren in der E₀₁-Mode bzw. E₁₀-Mode elektromagnetisch angeregt werden. Die in dieser Form entstehenden getrennten elektromagnetischen Anregungsebenen bzw. Anregungsnetzwerke ermöglichen die getrennte Erfassung der linearen horizontalen bzw. vertikalen sowie zirkular links- bzw. rechtsdrehenden Strahlungsfeldkomponenten. In gleicher Weise lassen sich damit sowohl das Achsenverhältnis als auch der Polarisationswinkel eines allgemein elliptisch polarisierten hochfrequenten Strahlungsfeldes unter der Bedingung der Ortsunabhängigkeit des Polarisationszustandes über der Strahlerapertur erfassen.

Eine strahlerelementinterne Polarisationssensiblität wird über die ortsselektive, durch lokale Vormagnetisierung YIG-gekoppelter planarer Resonatoren erzeugte Änderung der internen elektromagnetischen Feldverteilung der gekoppelten Flächenstrahler erzielt.

Die Festlegung der spektralen Eigenschaften bzw. des Amplitudenspektrums des resultierenden Strahlers erfolgt vorzugsweise über die kapazitive Belastung in der Ebene des elektrischen Feldes der E₀₁-Mode bzw. E₁₀-Mode angeregter planarer Resonatoren jeweils durch Resonatoren diskret versetzter Eigenfrequenz, wobei deren Diskretisierungsgrad und Kopplungsverhalten mittels des zu synthetisierenden Amplitudenspektrums des Strahlungsfeldes festgelegt werden.

Über die Steuerung der resultierenden Resonanzbedingung der YIG-gekoppelten Resonatorstrahler mittels extern erzeugter statischer Vormagnetisierungsfelder am Ort des Resonators wird die selektive spektrale Durchstimmung als Funktion der statischen externen Vormagnetisierung möglich. Die selektive Steuerung der Resonanzbedingung bzw. selektive Änderung des spektralen Verstimmungsgrades ermöglicht in gleicher Weise die Steuerung der Amplitudenbelegung über der Strahlerapertur und damit die Erzeugung von Richtdiagrammen hoher Nebenminimadämpfung sowie die amplitudenadaptive Diagrammsynthese.

Kontinuierliche sowie diskrete spektrale Modifizierungen sind über eine ortsveränderliche sowie über der Strahlerapertur homogen verteilten dielektrischen Belastung des gekoppelten Gesamtstrahlersystems möglich.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll an einem Beispiel näher erläutert werden.

Auf der Grundlage der Dünnschicht-Microstriptechnik wird ein Resonatorarray synthetisiert, dessen Resonanzbedingung über einen magnetisierungssensiblen und epitaktisch auf einem Gallium-Gadolinium-Granatträger erzeugten Yttrium- Eisen-Granat-Film als Resonatorstrukturträger vormagnetisierungsunabhängig gesteuert wird.

Unabhängig von ihrer eingeprägten Polarisation werden die einfallenden Wellenfelder in ihre zirkularen Partialfelder zerlegt, indem ein entlang der Aperturnormalen gekoppeltes achtelementiges Strahlersystem synthetisiert wird, dessen planare Resonatoren paarweise in vertikaler Struktur jeweils räumlich orthogonal mit gemeinsamer Flächennormale im Drehpunkt der Flächenresonatoren E- und H-identischen Richtdiagramms in der E₀₁-Mode bzw. E₁₀-Mode elektromagnetisch angeregt werden. Sowohl die resonatorbezogenen getrennt erfaßbaren linear polarisierten Partialfelder als auch die superponierten Signale der Resonatorpaare werden über Gradientenverfahren bewertet, wobei der Zyklus der Resonatoransteuerung bzw. der Phasenansteuerung über ein MSW-gesteuertes Kopplungsnetzwerk erfolgt.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll an einem weiteren Beispiel erläutert werden.

Mittels fotolithografischem Verfahren wird ein über einem epitaktisch auf einem Gallium-Granatträger erzeugten Yttrium-Eisen-Granat-Film angeordnetes achtelementiges Array von Flächenresonatoren in Microstriptechnik synthetisiert. Der Yttrium-Eisen-Granat-Film wird hierbei über das Verfahren der Flüssigphasen-Epitaxie als einkristalline Struktur erzeugt. Das achtelementige Resonatorarray wird in zwei Untergruppen, bestehend aus jeweils vier Flächenresonatoren konfiguriert, wobei die Anregung der Flächenresonatoren über breitbandig angepaßte Wellenleitertransformatoren mit Dolph-Tschebyschev- Charakteristik in Microstriptechnik erfolgt und derart ausgelegt ist, daß die Untergruppen mit jeweils entkoppelten Polarisationen angeregt werden. Die Anregung der Untergruppen mit jeweils orthogonalen Polarisationen erfolgt derart, daß entweder über Umwegwellenleiter um 90° versetzte linear polarisierte Felder für den Fall der Zirkularpolarisation am Ort der Einzelresonatoren oder für den Fall der Linearpolarisation linear polarisierte Felder in der Weise angeregt werden,daß die Untergruppen jeweils Strahlungsfelder gegensinniger zirkularer Umlaufrichtung bzw. orthogonaler Schwingungsrichtung erzeugen.

Die Kopplung der Einzelresonatoren einer Untergruppe erfolgt derart, daß jeweils zwei Flächenresonatoren phasengleich gespeist und die damit entstehenden Resonatorpaare mittels magnetostatischer Oberflächenwellen erregt werden, wobei die Steuerung der statischen Vormagnetisierungsfelder an den Orten der Kopplung der Anregungswellenleiter über zugeordnete Signalprozessoren auf der Grundlage der Signalbewertung mittels des Gradientenverfahrens ermittelt wird. Die Kopplung der Untergruppen jeweils orthogonaler Polarisation basiert auf der Oberflächenwellenanregung mit einem gegenüber dem Kopplungszyklus identischer Polarisation versetzten Steuerzyklus bzw. -kreis, auf der Grundlage der Signalbewertung mittels des Gradientenverfahrens. Die spektrale Durchstimmbarkeit der Anordnung wird mittels der Steuerung der Resonanzbedingung der Flächenresonatoren über statische Vormagnetisierungsfelder, die am Ort der Flächenresonatoren am Ort erzeugt werden, synthetisiert.

Claims

1. Verfahren zur selektiven, phasensteuerbaren und polarisationsanpaßbaren Signaldetektion informationsbehafteter elektromagnetischer Felder des Höchstfrequenzbereichs mittels planarer Strahler, bestehend aus einem gekoppelten System planarer Wellenleiterresonatoren und strukturiert auf der Basis der Dünnschicht-Microstrip- oder Microslottechnik, dadurch gekennzeichnet, daß

a) planare Strahlergruppen gleichphasig erregter planarer Resonatoren definierter Schwingbedingungen in der Eigenschaft von Systemuntergruppen quasikontinuierlich über magnetostatische Oberflächenwellenkopplung und hierarchisch phasenbewertet werden;
b) die Einzelstrahler der Systemuntergruppen untereinander galvanisch bzw. oberflächenwellengekoppelt werden;
c) die planaren Resonatorstrahler mittels vormagnetisierbarer und in Abhängigkeit von der spektralen Charakteristik des zu erzeugenden Strahlungsfeldes galliumdotierter oder -undotierter Yttrium-Eisen-Granat (YIG)-Schichten gekoppelt werden.
d) einfallende elektromagnetische Wellenfelder unabhängig von ihrer eingeprägten Polarisation in ihre linearen bzw. zirkularen Partialfelder zerlegt bzw. separiert werden,
e) die separierten elektromagnetischen Partialfelder getrennt bewertet und superponiert ausgekoppelt werden,
f) die Steuervektoren der gruppenzugeordneten statischen Vormagnetisierungsfelder des oberflächenwellenkoppelnden Anregungssystems der oberflächenwellengekoppelten Untergruppen über die zyklische Komparation der Summen richtspannungen des gekoppelten Strahlersystems ermittelt werden,
g) die Phasen- und Polarisationssteuerung zeitlich seriell sowie zyklisch erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein entlang der Aperturnormalen gekoppeltes Arraysystem synthetisiert wird, dessen planare Resonatoren in vertikaler Struktur jeweils räumlich orthogonal mit gemeinsamer Flächennormale im Drehpunkt der Flächenresonatoren in der E₀₁-Mode bzw. E₁₀-Mode elektromagnetisch angeregt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mittels zwei separierter elektromagnetischer Anregungsebenen bzw. Anregungsnetzwerke die getrennte Erfassung der linearen bzw. vertikalen sowie zirkular links- bzw. rechtsdrehenden Strahlungsfeldkomponenten erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl das Achsenverhältnis als auch der Polarisationswinkel eines allgemein elliptisch polarisierten und einfallenden hochfrequenten Strahlungsfeldes erfaßt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Polarisationszustand des hochfrequenten elektromagnetischen Strahlungsfeldes eines planaren Einzelstrahlers über die ortsselektive, durch lokale Vormagnetisierung YIG-gekoppelter planarer Resonatoren erzeugte Änderung der elektromagnetischen Feldverteilung der gekoppelten Flächenstrahler gesteuert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in vertikaler Struktur jeweils paarweise orthogonal versetzten und ebenenseparat elektromagnetisch gespeisten Flächenresonatoren für den Fall der zeitlich 90° versetzten Anregung E- und H- Ebenenidentität der Richtdiagramme aufweisen (E-Ebene: Ebene des elektrischen Feldvektors, H-Ebene: Ebene des magnetischen Feldvektors).

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Linear- oder Zirkularpolarisation des Strahlungsfeldes erregte Resonatoren in der Ebene des elektrischen Feldes der E₀₁-Mode bzw. E₁₀-Mode jeweils kapazitiv durch Resonatoren diskret versetzter Eigenfrequenz belastet werden, deren Diskretisierungs- und Kopplungsgrad durch das zu synthetisierende Amplitudenspektrum des Strahlungsfeldes bestimmt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Resonanzbedingung der YIG-gekoppelten Resonatorstrahler über ein extern erzeugtes Vormagnetisierungsfeld am Ort bzw. an den Orten des/der jeweiligen planaren Resonators erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitudenbelegung über der Apertur über die Steuerung der Resonanzbedingungen bzw. den spektralen Verstimmungsgrad der planaren Elementarstrahler erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß entlang der Flächennormalen des Aperturstrahlers eine kontinuierlich bzw. diskontinuierlich ortsveränderliche und über der Apertur homogen verteilte dielektrische Belastung des gekoppelten Resonatorsystems erfolgt.