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HINTERGRUND UND KURZE
BESCHREIBUNG VON STAND DER TECHNIK
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Diese
Erfindung bezieht sich auf eine Antenne, und näher bezieht sich diese Erfindung
auf eine Antenne, die die adaptive Steuerung der Strahlform und
der Peilwirkung der Antenne ermöglicht.
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Hintergrund der Erfindung
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Bekannte
herkömmliche
niedrigpreisige Richtantennen (directive antennas) weisen typischerweise
sogenannte Längsstrahler
oder Schüssel- oder
Trichtergestaltungen, um die geforderte Peilwirkung und Strahlform
zu erhalten, auf. Die Winkelrichtung wird durch die mechanische
Ausrichtung der Antenne bestimmt. Die Strahlform wird durch die
körperliche
Größe und geometrische
Form der Schüssel oder
des Trichters bestimmt. Andere bekannte Richtantennen können Antennen
mit phasengesteuerter Anordnung sein. Eine Antenne mit phasengesteuerter
Anordnung weist eine Mehrzahl von Sende- oder Empfangselementen
auf, von denen jedes im wesentlichen nicht gerichtet ist, aber deren
Zusammenwirkung ein hochgerichteter und steuerbarer Strahl sein
kann. Antennen mit phasengesteuerter Anordnung neigen dazu, groß, teuer
und komplex zu sein.
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Es
ist wohlbekannt, daß elektromagnetische Strahlung
gerichtet werden und auch sonst gesteuert werden kann durch Reflexion
von leitenden Oberflächen.
Beispiele der reflektiven Steuerung würden Anordnungsantennen und
Luftleiterantennen sein, und Schüsseln
so wie sie bei Mikrowellenempfängern und
Transpondern benutzt werden. Obwohl normalerweise mit metallischen
hochleitenden Flächen oder
Elementen verbunden, wurde gezeigt, daß halbleitende Materialien
auch benutzt werden können, um
elektromagnetische Strahlung zu reflektieren oder sonst abzuwandeln.
Darüber
hinaus kann der Grad der Leitfähigkeit
eines Leiters auf einfache Weise durch den Einfluß von einfallender
Beleuchtung durch Licht oder die elektrische Injektion von Trägern (T
S Mosis, „Optical
Properties of Semiconductors", Butterworth,
London (1959)) abgewandelt werden. Die Änderungsrate der Leitfähigkeit
(Rekombinationsrate) und die Menge der Energie, die erforderlich ist,
um den Vorgang aufrecht zu erhalten, wird durch die Lebensdauer
der freien Träger
bestimmt, die durch bekannte Oberflächenpassivierungstechniken, die
dazu dienen, kristalline Verschiebungen und Unreinheiten innerhalb
der Halbleiter wo freie Träger
rekombinieren können
zu vermindern, stark beeinflußt werden
kann. Typische Halbleiter, die sich in weitverbreiteter geschäftlicher
Anwendung befinden, sind zum Beispiel Si, GaAs, InGaAsP, InP.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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Eigenleitende
Halbleitermaterialien können mit
Verunreinigungen dotiert werden, um Materialien mit genau gesteuerter
Leitfähigkeit
zu erzeugen. Licht hinreichend kurzer Wellenlänge, wie es durch die Bandlücken-EV-Kennlinie des Halbleitermaterials bestimmt
werden kann, kann verwendet, um die Dichte freier Träger in besagten
Halbleitern zu erhöhen.
Der Stand der Technik zeigt, daß die
Intensivität einer
optischen Beleuchtung den komplexen Brechungsindex von Halbleitern ändert. Der
Mechanismus dieses Phänomens
wird durch fundermentale Drude Theorie beschrieben (s. z.B. I Shih, „Photo-Induced.
Complex Permittivity measurements of Semiconductors", 447 SPIE 94 (1984),
and B Bennett, „Carrier
Induced Change in Refractive Index of InP, GaAs, and InGaAs", 26 IEEE J. Quan.
Elec. 113 (1990)).
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Lev
S. Sadovnik, et al. (United States Patent No. 5 305 123, LIGHT CONTROLLED
SPATIAL AND ANGULAR ELECTROMAGNETIC WAVE MODULATOR; and United States
Patent No. 5 982 334, ANTENNA WITH PLASMA-GRATING) beleuteten die Oberfläche eines
Halbleiter-Wellenleiters um adaptive Brechungsgitter für winkel-
und räumliche
Steuerung der elektromagnetischen Strahlung zu erzeugen, und benutzten
auch örtlich
induziertes Plasma, um optisch gesteuerte Schalter (United States
Patent No. 5 796 881, LIGHTWEIGHT ANTENNA AND METHOD FOR THE UTILIZATION
THEREOF) zu erzeugen. Die gleichen Forscher benutzten PIN-Halbleiteraufbauten,
um Träger
in einen eigenleitetenden Leiter zu injizieren um eine Muster von örtlichen
Bereichen hoher Trägerdichte
zu erzeugen und dadurch ein Brechungsgitter zu bilden.
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Kurze Beschreibung der
Erfindung
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Es
ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Antenne zu schaffen, die
mit geringen Kosten hergestellt werden kann und die bei einer großen Vielzahl von
Anwendungen benutzt werden kann.
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Dementsprechend
ist in einer nicht beschränkenden
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eine Antenne geschaffen, die aufweist:
- (a) Halbleitereinrichtungen mit oberen und
unteren Oberflächen,
wobei die oberen und unteren Oberflächen ein Muster elektrisch
leitender Bereiche haben;
- (b) erste Erzeugungseinrichtungen zum Erzeugen leitender Plasmafäden geladener
Träger
zwischen den oberen und unteren leitenden Bereichen;
- (c) Funkfrequenz-Zuführeinrichtungen
zu ausgewählten
der leitenden Plasmafäden
um Funkfrequenzenergie an oder von den Halbleitereinrichtungen anzukoppeln;
und
- (d) zweite Erzeugungseinrichtungen um selektiv ein Muster leitender
Fäden zwischen
den Oberflächen
der Halbleitereinrichtungen zu erzeugen, um zu reflektieren und
dadurch zu fokussieren eine elektromagnetische Wellenfront, die
auf eine Kante dar Halbleitereinrichtung fällt zu mindestens einem Funkfrequenzzuführpunkt
innerhalb der Halbleitereinrichtungen;
wobei die Antenne
eine ebene dielektrische Linsenantenne mit gesteuerten leitenden
Elementen, die eine Richtantenne für den Empfang oder das Senden eines
Strahles von Funkfrequenzenergie in der Ebene der Halbleitereinrichtung
bilden, ist.
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Die
Antenne der vorliegenden Erfindung kann eine adaptive Antenne mit
geringen Kosten sein, die in der Lage ist, in einem weiten Bereich
von Anwendungen verwendet zu werden, darunter, z.B., Fernmeldewesen,
Radar und Verfolgen von Basisstationen aus Fahrzeugen zu Satelliten
oder anderen solchen beweglichen Verbindungen. Die Antenne der vorliegenden
Erfindung kann eine Breitbandantenne mit Mehrstrahlrichtungssteuerung
sein. Die Antenne der vorliegenden Erfindung kann relativ lange
Funkfrequenzwellenlängen
im Zentimeterbereich umfassen, durch Wellenlängen im Millimeterbereich zu
langen optischen Wellenlängen
so wie Infrarotwellenlängen.
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Die
erste Erzeugungseinrichtung wird benutzt, um örtlich die Trägerdichte
innerhalb eines Halbleitervolumens zu erhöhen um die leitenden Plasmafäden zu erzeugen.
Das leitende fadenförmige
Plasma ist wohlbegrenzt auf das Volumen zwischen den Oberflächenbereichen
hoher Leitfähigkeit und
es erlischt schnell in der Abwesenheit der ersten Erzeugungseinrichtungen.
Die örtlich
begrenzten leitenden Plasmafäden
können
erstens benutzt werden um einfallende elektromagnetische Strahlung
zu reflektieren oder absorbieren entsprechend ihrer Trägerkonzentration
innerhalb eines wellenleitenden Aufbaus so wie z.B. als eine ebene
kreisförmige Halbleiterlinse,
die eine 360°-Abdeckung
einer steuerbaren Strahlbreite und des Seitenkeulenpegels schafft.
Die örtlich
begrenzten leitenden Plasmafäden
können
zweitens benutzt werden, um eine Antennenzuführeinrichtung entsprechend
einem elektrischen Dipol oder ähnlicher
Funkfrequenzzuführung innerhalb
des Wellenleiteraufbaus zu schaffen.
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Die
Antenne kann eine solche sein, in der die regelmäßige Matrix von Fäden in der
Form einer Mehrzahl von konzentrischen Ringen von Punkten ist, und
um dadurch die Simulation eines quasi-ebenen Reflektors zu ermöglichen.
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Die
Antenne kann eine solche sein, in der die ersten Erzeugungseinrichtungen
elektrische Vorspanneinrichtungen sind, um ein elektrisches Vorspannpotential
zwischen den besagten Elektroden an den oberen und unteren Oberflächen zu
schaffen. Das Halbleitermedium kann vorteilhaft eine Mehrzahl von
Bereichen von unterschiedlicher Verunreinigungsdotierung umfassen
um dadurch die Trägererzeugung
zu verbessern.
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Alternativ
kann die Antenne eine solche sein, in der die ersten Erzeugungseinrichtungen
optische Projektionssystem-erste-Erzeugungseinrichtungen sind, und
in dem die Antenne durch selektive Beleuchtung der Halbleitereinrichtungen
durch die Optische Projektionssystem-erste-Erzeugungseinrichtungen gesteuert wird.
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Die
optische Projektionssystem-erste-Erzeugungseinrichtungen können eine
Mehrzahl der optischen Fasern aufweisen, die Licht an die Oberfläche einer
Schicht der Halbleitereinrichtungen koppeln, wobei die optischen
Fasern so angeordnet sind, daß sie
eine Mehrzahl von Lichtinjektionspunkten in der Form einer wählbaren
Anordnung schaffen.
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Gewöhnlich wird
die Antenne eine flache kreisförmige
dielektrische Linsenantenne sein. Auch üblicherweise werden die Halbleitereinrichtungen
einer Halbleiterplatte sein. Die Halbleiterplatte kann selektiv
dotierte Regionen aufweisen. Bevorzugt ist die Halbleiterplatte
eine Scheibe, aber andere Formen für die Halbleiterplatte können angewandt
werden, falls erwünscht.
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Die
Antenne kann ein geformtes dielektrisches Medium, das zum Umfang
der Halbleitereinrichtungen konzentrisch ist, aufweisen, wodurch elektromagnetische
Kopplung zwischen der Antenne und einem externen Medium verbessert
wird.
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Die
Antenne kann eine solche sein, in der das Muster der leitenden Plasmafäden so gestaltet ist,
daß es
elektromagnetische Energie von einem externen Medium zu einer Punktzuführung innerhalb der
Halbleitereinrichtungen fokussiert, wobei eine Funkfrequenzzuführung am
Brennpunkt eine elektromagnetische Kopplung an oder von der Antenne
ermöglicht.
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Die
Vorrichtung kann eine solche sein, in der die leitenden Plasmafäden in Mustern
von Unteranordnungen angeordnet sind, so daß sie die Strahlform und die
Wirksamkeit der Antenne abwandeln. In diesem Falle können man
die leitenden Plasmafäden angeordnet
sein, um mehrfache Antennenstrahlen zu erzeugen.
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Die
Antenne kann eine solche sein, in der die leitenden Plasmafäden eine
Dichte haben, die gesteuert ist, um reflektierte Amplituden-Gewichtung
innerhalb einer Anordnung von Elementen zu ermöglichen.
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Die
Antenne kann einen toroidischen dielektrischen Ring in der Nähe des Umfanges
der Halbleitereinrichtungen aufweisen, wodurch elektromagnetische
Kopplung zwischen der Antenne und einem externen Medium erhöht wird.
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Die
Antenne kann einen Teil einer Mehrzahl von Antennen bilden, wobei
die Antennen in einer Anordnung angebracht sind, um die Höhensteuerung des
sich ergebenden Strahls im Zusammenwirken mit der Azimutsteuerung
zu ermöglichen.
In diesem Falle sind die Antennen vorzugsweise in einem Stapel angebracht,
aber andere Anordnungen können verwendet
werden, falls gewünscht.
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Die
Antenne kann eine solche sein, in der die leitenden Plasmafäden durch
andere Einrichtungen erzeugt werden, einschließlich Foto-Leitung, Strominjektion,
ferro-elektrische und ferro-magnetische Effekte.
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Die
Antenne kann eine solche sein, in der die Halbleitereinrichtungen
ein halbleitendes dielektrisches Medium polykristalliner oder amorpher
Form aufweisen.
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Die
Antenne kann eine solche sein, in der das aktive Medium aus fotoleitendem
oder elektroleitendem Kunststoff ist.
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Die
Antenne kann eine solche sein, in der der Strahl der Funkfrequenzenergie,
der durch die Antenne gesteuert wird, Wellenlängencharakteristiken von Elektro-Optik
statt Mikrowellenfunkfrequenzen aufweist.
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Die
Antenne kann eine solche sein, die durch die Berechnung der Geometrie-
und Materialeigenschaften gestaltet wird, um spezifische Anwendungen,
die in Beziehung zum Fernmeldewesen, Radar, medizinischem Abtasten,
Inspektion oder anderen Formen der Unter-Oberflächen-Abbildung stehen, durchzuführen.
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Die
Antenne kann ergänzt
sein um eine gesteuerte Reflexion eines beleuchtenden Signals durch
Verändern
der Dichte des fadenförmigen
Plasmas, das die Plasmafäden
enthält,
zu erlauben, wobei die Antenne dann als ein Transponder, der in
der Lage ist, ein reflektiertes Signal sowohl zu richten als auch
zu modulieren, wirkt.
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Bei
niedrigeren Frequenzen, wo der Durchmesser der ebenen dielektrischen
Linsenantenne sich einer halben Wellenlänge (im Dielektrikum) nähert und
ihre Dicke sehr viel weniger als eine halbe Wellenlänge (im
Dielektrikum) beträgt,
beginnt die aktive Antenne als eine dielektrisch aufgeladene Steuerhohlraum-unterstützte-Schlitzantenne
zu arbeiten. Das heißt,
die oberen und unteren Oberflächen
der Halbleitereinrichtungen bilden einen wellenleitenden Aufbau,
der weiter durch eine leitende Plasmawand eingezwängt werden
kann um einen regkonfigurierbaren Hohlraum zu erzeugen. Dieser rekonfigurierbare
Hohlraum kann entweder durch eine Metallzuführung oder eine Plasmazuführung, die
zwischen die zwei hauptsächlichen
leitenden Oberflächen
der Halbleiterlinse verbunden sind, gespeist werden.
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Die
Halbleitereinrichtungen können
metallisiert sein. Die Stellung solch einer unausgewogenen Zuführung innerhalb
des rekonfigurierbaren Hohlraums wird weitgehend die Anpaßkennzeichen
der Zuführung
bestimmen. Im den Maße,
wie die Betriebsfrequenz sich erhöht, kann ein weiter Bereich rekonfigurierbarer
Hohlräume
nützlich
gebildet werden, um einen Bereich von Breitbandtrichterstrukturen
(zum Beispiel Vivaldi) aufzuweisen, die weiter eingestellt werden
können,
um komplexe reflektierende Oberflächen zu werden, die selektive
elektromagnetische Moden aufrecht erhalten können.
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Beschreibung
der Zeichnungen
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Ausführungsformen
der Erfindung werden jetzt nur als Beispiele und unter Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 die
fokussierende Wirkung einer dielektrischen Scheibe erläutert;
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2 erläutert, wie
der Brennpunkt in das Zentrum der dielektrischen Scheibe mittels
einer reflektierenden Ebene gebracht werden kann;
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3 und 4 in
Aufsichten bzw. Seitenansichten eine plasma-gespeiste kreisförmige Antenne
zeigen;
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5 und 6 in
Aufsichten bzw. Seitenansichten einen optisch gesteuerten Plasmaspiegel, der
Faseroptikplasmasteuereinrichtungen benutzt, zeigen;
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7 und 8 In
Aufsichten bzw. Seitenansichten einen elektrisch gesteuerten Plasmaspiegel,
der Strominjektionplasmasteuereinrichtungen benutzt, zeigen;
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9 schematisch
einen typischen Plasmaspiegelsteuerring zeigt;
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10 und 11 schematisch
die Verwirklichung von zwei- und vier-Element gerichteten Endstrahlereinspeisungen
zeigen;
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12 und 13 schematisch
die Verwirklichung einer Zweistrahl-Monopulsanordnung zeigen;
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14 die
Verwirklichung der Antenne der Erfindung als ein Verfolgungssystem
mit niedrigen Kosten erläutert;
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15 die
Verwirklichung der Antenne der Erfindung als ein Verfolgungssystem
mit großer
Verstärkung
mit Höhensteuerung
erläutert;
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16 die
Verwirklichung der Antenne der Erfindung als ein einfaches Element
eines Mikro-Radarsystems
erläutert;
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17 die
Verwirklichung der Antenne der Erfindung als ein Mikro-Radarsystem,
das eine senkrechte Anordnung von zylindrischen aktiven Antennen
benutzt, erläutert;
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18 die
Verwirklichung der Antenne der Erfindung als ein Mikro-Radarsystem,
das z.B. für
die Untersuchung von Mikro-Schaltkreisen verwendet wird, erläutert; und
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19 die
Verwirklichung der Antenne der Erfindung als ein Untersuchungssystem
erläutert.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Das
zugrundeliegende Prinzip der vorliegenden Erfindung wird in 1 erläutert. 1 zeigt, daß ein geformtes
dielektrisches Medium in der Form einer zylindrischen Scheibe 1 aus
brechendem Medium in enger Näherung
eine einfallende ebene Wellenfront 2 parallel zur Ebene
der Scheibe 1 veranlassen wird, an einem Brennpunkt 3 fokussiert
zu werden. Der Brennpunkt 3 liegt auf einem Kreis 4,
der zum Umfang der Scheibe 1 konzentrisch ist. Der Radius
des Brennkreises wird durch den Brechungsindex des Dielektrikums
bestimmt. Der Brennpunkt 3 kann auf das Zentrum der Linse
durch Reflexion von einer leitenden Fläche 5, die geeignet
angeordnet ist, wie in 2 erläutert, bezogen werden.
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3 und 4 zeigen
erste Erzeugungseinrichtungen in der Form einer Mehrzahl von Plasmazuführungen 6,
die um den Brennkreis herum angeordnet sind. Eine aktive „AN"-Plasmazuführung 7 ist an einem
Brennpunkt angeordnet und sie ermöglicht die elektromagnetische
Kopplung zum Brechungsmedium für
die Scheibe 1. Inaktive „AUS"-Plasmazuführungen,
die gezeigt sind, sollten die Fortpflanzung der elektromagnetischen
Strahlung nicht beeinflussen, unter Vermeidung von Strahlblockierung,
die ein bekanntes Problem in alternativen strahlformenden Geometrien
ist. Der leitende Plasmafaden in der Form der aktiven Plasmazuführung bildet
einen Funkfrequenzkoppler, der benutzt, werden kann, an die Linse
oder von ihr anzukoppeln. Ein Funkfrequenzsender oder -Empfänger 8 ist
an den Plasmafaden, der die Plasmazuführung bildet, angeschlossen.
Das Plasma wird in diesem Falle erregt, indem man Träger durch
eine elektrische Gleichstrom-Vorspanneinrichtung 9 erzeugt.
Alternativ, erläutert
in 5 und 6, kann ein optisches Projektionssystem
in der Form einer Anordnung von optischen Fasern 10 verwendet
werden, um Licht einer passend bestimmten Wellenlänge und
Energie an den ausgewählten
Brennpunkt zu koppeln. Funkfrequenzenergie kann an die Linse mittels
eines Funkfrequenzzuführpunktes
in der Form einer eingebetteten leitenden metallischen Zuführung 11 angekoppelt werden,
oder mittels eines gesteuerten leitenden Elements in der Form einer
Plasmazuführung.
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7 und 8 erläutern die
Erregung von zweiten Erzeugungseinrichtungen in der Form einer Anordnung
von Plasmafäden
unter Verwendung von Strominjektion 12 um eine reflektive
Ebene darzubieten. Die einfallende elektromagnetische Energie 13 wird
durch besagte Anordnung reflektiert um zwischen einer externen Wellenfront 14 und
einem Funkfrequenzzuführpunkt
in der Form einer Zuführung
am Scheibenmittelpunkt 15 zu koppeln.
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Vorteilhaft
kann die Plasmamatrix als eine Anordnung von Elektroden gebaut sein,
die einen Kreisring 16 wie in 9 erläutert bilden.
Die zweite Erzeugungseinrichtung in der Form einer pseudo-ebenen
oder gebogenen Reflexionsebene kann durch Wahl von geeigneten Plasmaelemten 17 simuliert
werden. Durch solche Einrichtungen wird verstanden werden, daß die sich
ergebende Antennengerichtheit direkt durch dynamische Wahl von passend
gesteuerten leitenden Elementen in der Form von Plasmaelemten gesteuert
werden kann. Durch Veränderung
der Länge
der reflektiven Ebene können
die sich ergebende Strahlbreite und Seitenkeulen der Antenne eingestellt
werden. Darüber
hinaus können
ausgewählte
Plasmaelemte eine verminderte Plasmadichte aufweisen, derart, daß die sich
ergebende Reflexivität
und Absorption wirkungsvoll abgewandelt werden. Die Erscheinung
der sog. Amplitudengewichtung kann dadurch vorteilhaft verwendet werden,
die räumliche
Abdeckung des sich ergebenden Antennenstrahls unter Verwendung gesteuerter leitender
Elemte abzuwandeln.
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in
einer alternativen Verwirklichung der vorliegenden Erfindung kann
eine Ansammlung von ausgewählten
gesteuerten leitenden Elementen in der Form von Plasmazuführungselementen
verwendet werden, um eine Richt-Längsstrahleranordnung zu bewirken. 10 und 11 erläutern das
Konzept des Stimulierens von Sätzen
von Plasmazuführpunkten 18, 19 um
eine Mehrelementlängsstrahleranordnung
zu erzeugen. Solche beschriebenen Gestaltungen können die Wirksamkeit der Antenne
verbessern.
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Die
Verwirklichung von bekannten Mehrelementantennentechniken so wie
sogenannten „Monopuls"-Verfolgungssystemen
kann durch die vorliegende Erfindung verwirklicht werden, so wie
schematisch in 12 und 13 erläutert. Funkfrequenzzuführpunkte 20, 21 sind
in geeigneter Weise räumlich
getrennt und zeitlich angetrieben um gewünschte zusammengesetzte Summen-22 und
Differenzstrahlen zu bewirken.
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Elektromagnetische
Kopplung zwischen einer Umgebung im freien Raum und dem Halbleitermedium,
das in der Halbleitereinrichtung der Antenne der vorliegenden Erfindung
verwendet wird, kann vorteilhaft durch Einbringen eines Zwischenmediums verstärkt werden.
Das Zwischenmedium für
Zwecke der Impedanzanpassung kann z.B. durch Einbringen eines toroidischen
dielektrischen Kreisringes verwirklicht werden, der ein kreisförmiges Toroid
um den Umfang der Halbleiterscheibe bildet. Die Geometrie und die
dielektrischen Kennwerte des anpassenden toroidischen Mediums werden
so gewählt,
daß sie die
Wirksamkeit der elektromagnetischen Kopplung verstärken. 14 erläutert die
Verwirklichung der vorliegenden Erfindung als ein preisgünstiges
Verfolgungssystem, das eine impedanzanpassende toroidische dielektrische
Linse 24 und die zweiten Erzeugungseinrichtungen in der
Form von plasmareflektorsteuerungselektronischen Einrichtungen 25 enthält.
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Die
vorliegende Erfindung kann vorteilhaft in der Form von einer Mehrzahl
der Antennen, die in einer Anordnung in der Form eines senkrechten
Stapels aufgebaut sind, verwirklicht werden. Getrennte Steuerung
der Phase oder der zeitlichen Verzögerung des Funkfrequenztreibersignals
an jedes Element des Stapels führt
zur Steuerung der Höheneinstellung
des vereinigten Ausganges oder durch Analogie des Empfangsmusters. 15 erläutert die Verwirklichung
der vorliegenden Erfindung als ein gestapeltes Anordnungssystem
mit elektronischen Steuereinrichtungen 26 zur Anwendung
so wie z.B. als eine Satellitenverfolgung von einer beweglichen Plattform.
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Aktive
Antenne können
in einer Anzahl von nichtmilitärischen
Fühleranwendungen,
darunter, z.B., medizinische Abtastungen, Erzeugnisuntersuchung,
Kollisionsvermeidungsradar, Sicherheit und Umfeldschutz und Anordnungs-
und Landesysteme, verwendet werden.
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Von
besonderer Wichtigkeit ist die Frequenz, bei der die Fühler arbeiten
können,
die sich in die Terahertz-(THz)-Bereiche erstrecken kann, z.B. größer als
100 GHz. Bei diesen Frequenzen werden Auflösungen unter einem Millimeter
möglich
und die Einfügung
der aktiven Antenne direkt auf dem Halbleitersubstrat führt zu einer
wirkungsvollen, völlig
integrierten Gestaltung zu sehr niedrigen Kosten.
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16 zeigt
Halbleitereinrichtungen und zweite Erzeugungseinrichtungen in der
Form eines THz-Mikroradar-Konzeptes auf einem einzelnen monolithischen
Substrat 27, wo Frequenzen von sehr kurzen Impulsen (z.B.
ps) erzeugt werden können
um ein kleines örtlich begrenztes
Volumen von umgebenden Raum (z.B. einen Zahn) abzubilden und ein Oberflächendetail
zu liefern (z.B. ein Loch). Das Substrat enthält zweite Erzeugungseinrichtungen
in der Form einer Steuereinrichtung 28 um die integrierte aktive
Antenne 29 zu steuern, wie vorher beschrieben, aber mit
einer integrierten photoleitenden Zuführung um einen steuerbaren
THz-Strahl zu erzeugen. Die Antenne wird optisch durch einen optischen
Synthesizer und einen optisch angepaßten Filter 30, der direkt
von einem Impulslaser 31 angetrieben wird, gespeist. Solche
Radare mit sehr hoher Auflösung können eine
sicherere Alternative zu Röntgenstrahlen
liefern.
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17 erläutert beispielhaft
wie ein 300 GHz photonischer Mikroradar erzeugt werden könnte, als ein
früher
Prototyp und Schritt zu völlig
integrierten Fassungen. Bei dieser Gestaltung wird der THz-Impuls
im Zentrum der kreisförmigen
Antenne durch Photostimulieren eines örtlichen Bandlückenübergangs
in einem eingebetteten kristallinen Werkstoff unter Verwendung eines
Lasers mit kurzen Impulsen erzeugt. Genauer treibt eine Impulssteuereinheit 32 einen
Festkörperlaser 33,
der seinerseits eine zylindrische Anordnung von Antennen 34 speist.
Das empfangene Signal wird in eine optische Form übersetzt und
durch einen Erbium-dotierten Faserverstärker verstärkt und direkt in eine optisch
angepaßte
Signalverarbeitung 36 gespeist.
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Somit
erzeugt das System einen steuerbaren Sende-/Empfangs-Impuls 37,
der tomographisch verarbeitet werden kann. Alternativ kann das THz-Signal
bei niedrigerer Frequenz erzeugt werden, z.B. 100 GHz, und verdreifacht
werden unter Verwendung einer nichtlinearen Vorrichtung. In diesem
Falle kann der ganze Vorgang elektronisch bewirkt werden.
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Im
wesentlichen kann die gleiche Art von Vorrichtung verwendet werden,
um örtlich
alle Arten von Körpergewebe
und Knochen zu durchdringen. Die Vorrichtung hat gegenüber Röntgenstrahlen
den Vorteil, daß sie
viel geringere Strahlungspegel erzeugt und daher potentiell weniger
schädlich
sowohl für
den Patienten als auch die Bedienperson ist. Bei hohen Graden der
Integration ist das System auch wahrscheinlich viel billiger als
entsprechende Röntgengeräte.
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Eine
Halbleitereinrichtung und zweite Erzeugungseinrichtungen in der
Form von THz-Mikroradaren können
auch benutzt werden für
die Untersuchung von kleinen Erzeugnissen und die Qualitätskontrolle. 18 erläutert wie
der Abtaststrahl 37 eines Mikroradars unter Verwendung
integrierter aktiver Antennen der Art die in 16 gezeigt
ist verwendet werden kann, um verkapselte integrierte Schaltungen 38 oder ähnliche
Gegenstände
zu untersuchen. Bei dieser Gestaltung teilt ein photonischer Strahlbildner
den optischen Impuls von einem Laser 40 auf Sendung. Der
gleiche Strahlbildner kann verwendet werden bei Empfang um das optische
Signal zu einer Verarbeitungs- und Steuereinheit 41 zur
Auswertung weiterzuleiten.
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Im
Zusammenwirken mit einem Abfragesystem kann die Antenne der vorliegenden
Erfindung, z.B. wie in 13–16 erläutert, auch
als ein passiver Transponder verwendet werden, worin die Funkfrequenzzuführpunkte
in der Form von leitenden Plasmafäden 5 oder der eingebetteten
Zuführung 11 einzeln
oder gemeinsam moduliert oder impedanzbeladen werden in einer solchen
Weise, daß sie
die gerichtete Reflexivität
der Antenne ändern.
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Als
ein Beispiel einer solche Verwirklichung zeigt 19 ein
Abfragesystem 42, eine gerichtete Sende- und Empfangssteuereinrichtung 44 und
ein Transpondersystem 43 mit einer Empfangs- und Reflexionssteuereinheit 45.
Indem zuerst der Ankunftswinkel eines empfangenen Ankunftssignals
bestimmt wird und dann unter dem bestimmten Winkel mit einer modulierten
Reflexion geantwortet wird, kann eine Nachrichtenverbindung zwischen
dem Abfragesystem 42 und der antwortenden Antenne 43 eingerichtet
werden. Somit richtet die transpondierende Antenne 43 im
Zusammenwirken mit ihrer gesteuerten Einheit 45 modulierte
Antworten zurück
zu der abfragenden Bodenstation ohne die Notwendigkeit für oder die
Kosten von einer leistungsverbrauchenden Sendevorrichtung, und bei
vermindertem Strahlungsrisiko für
diejenigen, die sich nahe dem Transponder befinden. Das Antwort-Sendegerät kann auch
verwendet werden, um das Signal zu anderen Empfängern oder bekannten Winkelstellungen
(nicht gezeigt) zu reflektieren.
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Wie
aus der obigen Beschreibung der Zeichnungen erkannt werden wird,
ist die Antenne der vorliegenden Erfindung in der Lage, zweite Erzeugungseinrichtungen
in der Form einer reflektierenden Einrichtung des Steuerns des Richtfaktors
(directivity) zu schaffen, und dadurch den Verlust und die Bandbreitenbegrenzung
bekannter Antennen mit phasengesteuerter Anordnung zu vermeiden.
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Die
Antenne der Erfindung ist eine adaptive Antenne. Somit ist die Antenne
derart, daß ein
elektromagnetischer Strahl vorteilhaft in eine bestimmte Richtung
gerichtet werden kann, wobei die Energie in weitem Maße innerhalb
einer vorbestimmten Winkelausdehnung begrenzt ist. Umgekehrt kann
eine solche Antenne als ein Element eine Empfängers, der über die gleiche Winkelabdeckung
Empfang hat, benutzt werden. Die Antenne der vorliegenden Erfindung
kann kompakt und grob sein, mit der Möglichkeit für eine Herstellung und Wartung
bei geringen Kosten.
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Wie
oben angegeben, ist das wesentliche Element der strahlbildenden
Einrichtungen die Erzeugung eines reflektiven Fadens oder Plasmas
innerhalb eines halbleitenden Mediums. Eine photoinjizierte oder
elektrisch-injizierte hohe Dichte von geladenen Trägern beeinflußt die Fortpflanzung
einer elektromagnetischen Welle durch Abwandlung der dielektrischen
absoluten Dielektrizitätskonstante
des Mediums innerhalb jenes Volumens. Bei einer hinreichenden und
leicht berechneten Dichte von Trägern ergibt
sich eine wirksame Reflexion der elektromagnetischen Welle. Eine
auswählbare
Anordnung in der Form eines Musters von leitenden Bereichen wird
innerhalb des Halbleitervolumens gebildet, derart, daß es einen
elektrischen Strahl veranlaßt,
günstig über einen
bestimmten und gesteuerten räumlichen
Winkel gesendet oder empfangen zu werden.
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Die
Antenne der vorliegenden Erfindung ermöglicht somit, daß eine kompakte
(Festkörper-)Antenne
an eine angezielte Stellung im Raum gerichtet wird oder diese dynamisch
verfolgen kann, die typischerweise ein erdgebundener oder im Umlauf
befindlicher Sender, Empfänger
oder Antworteinrichtung sein könnte.
Die Antenne der vorliegende Erfindung findet somit Anwendungen auf
dem Gebiet der mobilen Nachrichtenverbindungen, der weltweiten Ortsbestimmung
durch Satellit, der Nachrichtenverbindungsverteilung „auf dem
letzten Kilometer",
Kollisionsvermeidung und wirksamen Bereitbanddatenübermittlung
so wie WAP.