DE69203044T2

DE69203044T2 - Mikrowellenantenne mit optoelektronisch gesteuertem Absuchen.

Info

Publication number: DE69203044T2
Application number: DE69203044T
Authority: DE
Inventors: Georges Cachier
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1991-06-18
Filing date: 1992-05-21
Publication date: 1995-11-02
Anticipated expiration: 2012-05-22
Also published as: EP0519772B1; US5262796A; FR2678112B1; FR2678112A1; EP0519772A1; DE69203044D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mikrowellenantenne, die zur Ausrichtung ihres Strahls ein Netz von Elementarreflektoren mit aktiven Elementen enthält, so daß man frei aufgrund eines optischen Steuersignals die Länge des Eindringens der Mikrowellen in die Reflektoren des Netzes verändern kann, um von einem Elementarreflektor zum anderen variierende Phasenverschiebungen zu erzeugen und die gewünschte Ausrichtung des Antennenstrahls zu gewährleisten.
Eine bekannte derartige Antenne besitzt einen Reflektor mit einem Substrat aus einem dielektrischen Material geringer Mikrowellenverluste, das für Licht durchlässig ist, wie z.B. Siliziumoxid SiO&sub2; oder kristallisiertes Aluminiumoxid Al&sub2;O&sub3;. Die den Mikrowellen ausgesetzte Seite des Substrats ist mit gegeneinander durch ein elektrisch isolierendes Material isolierten Fotoleiterelementen bedeckt, auf denen ggf. eine für die Mikrowellen transparente und für Licht undurchlässige Schicht ausgebreitet ist. Die Fotoleiterelemente sind matrixartig angeordnet, mit einem Rasterabstand von λ/2, um die Vielfachreflexionswinkel zu vermeiden, wobei λ die Wellenlänge der betrachteten Mikrowellen ist. Die andere Seite des Substrats, die den Mikrowellen nicht ausgesetzt ist, ist mit einer lichtdurchlässigen Elektrode bedeckt, die aus einem elektrisch leitenden Material wie z.B. Zinn- und Indiumoxid ITO besteht.
Die fotoleitenden Elemente, die aus intrinsischem Silizium bestehen können, d.h. aus isolierendem Material, werden unter Steuerung durch die lichtdurchlässige Elektrode und durch das Substrat hindurch, beispielsweise mit Hilfe eines Flüssigkristallbildschirms selektiv belichtet, der auf die transparente Elektrode und das Substrat aufgelegt ist und von einer Lichtquelle beleuchtet wird. Die Fotoleiterelemente werden bei Belichtung elektrisch leitfähig und reflektieren die Mikrowellen, ehe sie in das Substrat eindringen können. Sind die Fotoleiterelemente nicht belichtet, dann sind sie elektrische Isolatoren und werden von den Mikrowellen durchquert, die dann durch das Substrat hindurchdringen und an der transparenten Elektrode reflektiert werden. Wenn die Verzögerung aufgrund der Wellenausbreitung durch die Dicke der Fotoleiterelemente und des Substrats einer ungeraden Zahl von Viertelperioden der Mikrowelle nahekommt, wird der Phasenunterschied zwischen den Mikrowellen, die ein belichtetes Fotoleiterelement angetroffen haben, und denen, die ein unbelichtetes Fotoleiterelement angetroffen haben, gleich π.
So erhält man eine Matrix von Elementarreflektoren mit einem Rastermaß gleich der halben Wellenlänge der Mikrowellen. Jeder Elementarreflektor kann gezielt eine Phasenverschiebung von 0 oder it aufgrund einer optischen Steuerung erzeugen. Die Eigenschaften einer Mikrowellenantenne mit Strahlsteuerung, soweit dem. Verstärkungsgrad, der Pegel der Sekundärkeulen und die Streuung betroffen sind, erfordern im allgemeinen die Verwendung eines steuerbaren Phasenschiebers mit mehr als zwei Phasenzuständen für jeden Elementarreflektor, damit die Eigenschaften akzeptabel werden.
Um dieser Forderung zu genügen, wurde vorgeschlagen, Schichten aus fotoleitendeirt Silizium und aus einem dielektrischen Substrat geringer Verluste vor der lichtdurchlässigen leitenden Elektrode zu stapeln, um eine Mikrowelle vor jedem Elementarreflektor verschiedene Wege durchlaufen zu lassen, deren Längen abgestuft sind und verschiedenen Phasenverschiebungswerten zwischen 0 und π abhängig von der Tiefe der ersten durch Beleuchtung leitend gemachten Schicht aus fotoleitendem Silizium im Stapel entsprechen. Es ergeben sich dann aber Schwierigkeiten bei der selektiven Belichtung der verschiedenen Schichten aus fotoleitendem Silizium, die sich gegenseitig abdecken.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, diese Schwierigkeiten zu beheben und Phasenschieber vorzuschlagen, die in mehr als zwei Phasenzustände in einer Reflektormatrix für Mikrowellen gesteuert werden können, und doch eine einfache Struktur der Reflektormatrix mit nur drei Schichten zu benötigen, die von einem lichtdurchlässigen Substrat aus einem verlustarmen dielektrischen Material und auf der Mikrowellenseite von einer Matrix aus fotoleitenden Elementen sowie auf der Gegenseite von einer lichtdurchlässigen leitenden Elektrode gebildet werden.
Gegenstand der Erfindung ist eine Mikrowellenantenne mit optoelektronischer Strahlausrichtung, die einerseits eine Matrix von optisch gesteuerten Elementarreflektoren mit einem lichtdurchlässigen Substrat aus einem dielektrischen Material mit geringen Mikrowellenverlusten, mit einer Schicht von matrixartig verteilten fotoleitenden Elementen auf der den Mikrowellen ausgesetzten Seite des Substrats und mit einer lichtdurchlässigen leitenden Elektrode auf der entgegengesetzten Seite, und andererseits Mittel zur selektiven Belichtung der fotoleitenden Elemente aufweist, die diese Elemente von einem elektrisch isolierenden Zustand in einen elektrisch leitenden Zustand und umgekehrt bringen können. Diese Antenne ist dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix von fotoleitenden Elementen ein Raster besitzt, das das Raster der Matrix von Elementarreflektoren übertastet. So faßt jeder Elementarreflektor n² fotoleitende Elemente zusammen, wobei n der Übertastungsfaktor ist und wobei nur ein mehr oder minder großer Teil der Elemente belichtet ist, was zu unterschiedlichen Phasenzuständen führt, die von einem Mindestwert, der erreicht wird, wenn alle fotoleitenden Elemente belichtet sind, bis zu einem Maximalwert reicht, der erreicht wird, wenn keines dieser fotoleitenden Elemente belichtet ist.
Andere Merkmale und Vorzüge der Erfindung gehen aus der nachfolgenden, als Beispiel zu verstehenden Beschreibung anhand der beiliegenden Zeichnungen hervor.
Figur 1 zeigt scheinatisch und teilweise demontiert eine erfindungsgemäße Mikrowellenantenne mit optoelektronischer Strahlausrichtung.
Figur 2 zeigt ein Diagramm, das die Veränderungen des Reflexionskoeffizienten unter normalem Lichteinfall und die Veränderung der Phasenverschiebung bei der Reflexion abhängig vom spezifischen Widerstand darstellt, wobei Silizium als Fotoleiter verwendet wird.
Figur 3 zeigt ein Diagramm, das die Veränderungen der Phasenverschiebung im durchlässigen und reflektierenden Zustand des Siliziums abhängig von der Frequenz darstellt.
Figur 4 zeigt ein Beispiel für die Verteilung der Fotoleiterelemente über die Oberfläche eines Elementarreflektors der in Figur 1 gezeigten Antenne.
Die in Figur 1 gezeigte Mikrowellenantenne arbeitet im Bereich von 94 GHz. Sie enthält ein Horn 1, das eine Mikrowelle auf eine ebene Matrix 2 von Elementarreflektoren richtet, die vor einem Flüssigkristallschirm 3 liegt, welcher von einer Lichtquelle 4 über eine Fokussieroptik 5 belichtet wird.
Die Matrix von Elementarreflektoren hat die Form einer flachen Scheibe von etwa 10 cm Durchmesser. Sie besteht aus einem Substrat 20 aus einem lichtdurchlässigen dielektrischen Material mit geringen Mikrowellenverlusten wie z.B. Siliziumoxid SiO&sub2; oder kristallisiertes Aluminiumoxid Al&sub2;O&sub3;. Auf der zum Horn 1 gerichteten Seite, die den Mikrowellen ausgesetzt ist, besitzt dieses Substrat 20 eine Schicht 21 von fotoleitenden Elementen, beispielsweise aus Silizium oder Galliumarsenid, die gegeneinander isoliert und über die Oberfläche des Substrats so verteilt sind, daß sie das Raster eines Elementarreflektors mit einem Rastermaß von hier λ/2 = 1,5 mm übertasten. Auf der dem Horn 1 abgewandten Seite ist das Substrat 20 mit einer lichtdurchlässigen leitenden Elektrode 22 bedeckt, die beispielsweise aus Zinnoxid besteht.
Der Flüssigkristallbildschirm 3 ist an die leitende Elektrode 22 des Substrats angelegt. Er enthält ein Netz von Bildpunkten, das genau der Verteilung der fotoleitenden Elemente 21 auf dem Substrat 20 gleicht. Diese Bildpunkte können aufgrund einer Steuerung entweder transparent oder lichtundurchlässig gemacht werden, um selektiv die Belichtung der fotoleitenden Elemente hervorzurufen, die in ihrer Verlängerung liegen.
Die Lichtquelle 4 kann auch ein Netz von Elektrolumineszenzdioden oder Laserquellen sein, die eine Dauerleistung von 30 bis 50 W bei einer gellenlänge von etwa 0,8 pm erzeugen. Die Intensität des an einem fotoleitenden Element aus Silizium ankommenden Lichts nach Durchlauf durch einen transparenten Bildpunkt des Flüssigkristallbildschirms reicht dann aus, um das fotoleitende Element leitend zu machen.
Figur 2 zeigt die Veränderungen des Reflexionskoeffizienten bei senkrechtem Lichteinfall und die Phasenverschiebung bei der Reflexion abhängig vom spezifischen Widerstand, wenn als Fotoleiter Silizium verwendet wird. Man erkennt, daß es möglich ist, von einer Totalreflexion auf eine praktisch vollkommene Durchlässigkeit für die Mikrowellen mit einem Silizium zu gelangen, dessen spezifischer Widerstand zwischen etwa 0,1 Ohm/cm und mehr als 1000 Ohm/cm abhängig von der Beleuchtung variiert. Man erkennt weiter, daß es einen Belichtungswert gibt, für den das Silizium die Mikrowellen ganz absorbiert. Dieser Effekt kann ausgenutzt werden, um die Antenne absorbierend zu machen, d.h. unsichtbar für ein Erfassungssystem.
Figur 3 zeigt die Frequenzabhängigkeit der Phasenverschiebung im Durchlaßbereich (P = 1000 Ohm cm) und im Reflexionsbereich (P = 0,18 Ohm cm) für Silizium. Man erkennt, daß die Phasenverschiebung im Durchlaßbereich praktisch Null ist für eine Mikrowelle von 94 GHz.
Figur 4 bietet ein Beispiel für die Verteilung der Fotoleiterelemente über die Oberfläche des Substrats 20.
Diese Elemente übertasten das in durchgezogenen Linien dargestellte Raster der Matrix von Elementarreflektoren, dessen Rastermaß λ/2 beträgt, mit einem viermal feineren Raster, das gestrichelt gezeigt ist. So wird jeder Elementarreflektor von einem Quadrat aus 16 Fotoleiterelementen 1a, ... 4d gebildet, die einzeln über Bildpunkte des Flüssigkristallbildschirms belichtet werden können, so daß sie wahlweise isolierend oder leitend sind. Man kann dann eine variable Form der in jedem Elementarreflektor beleuchteten fotoleitenden Oberfläche wählen, um eine variable Phase zu definieren. Das bedeutet, daß man in einen Mikrowellenleiter, der durch den Umriß eines Elementarreflektors materialisiert ist, eine leitende Blende einführen kann. Diese Blende ist das Äquivalent einer Suszeptanz, deren Phase man im Reflexionsmodus berechnet kann. Diese variable Suszeptanz kann für mehrere Mikrowellenpolarisationen die gleiche sein, wenn diese äquivalente Flächen "sehen".
Beispielsweise sehen eine horizontale und eine vertikale Polarisation die gleiche Phasenverschiebung, wenn die leitend gemachte Fotoleiteroberfläche eine gegenüber einer Drehung um π/2 unveränderte Form besitzt.
In dem in Figur 4 gezeigten Fall, in dem ein Elementarreflektor aus einem Quadrat von 16 Fotoleiterelementen 1a, .., 4d besteht, kann man fünf verschiedene Konfigurationen verwenden, die gegenüber einer Drehung um π/2 invariabel sind:
- eine erste Konfiguration, in der gar kein Fotoleiterelement belichtet ist,
- eine zweite Konfiguration, die der dargestellten gleicht, wobei nur die Fotoleiterelemente in den Ecken 1a, 4a, 4d und 1d belichtet sizid,
- eine dritte Konfiguration, in der die Fotoleiterelemente 2a, 4b, 3d und 1c zusätzlich zu den Fotoleiterelementen in den Ecken 1a, 4a, 4d und 1d beleuchtet sind,
- eine vierte Konfiguration, in der alle äußeren Fotoleiterelemente 1a, 2a, 3a, 4a, 4b, 4c, 4d, 3d, 2d, 1d, 1c und 1b belichtet sind,
- und eine fünfte Konfiguration, in der alle fotoleitenden Elemente belichtet sind.
Wenn die Dicke der Fotoleiterelemente und des Substrats etwa eine halbe Wellenlänge der verwendeten Mikrowellen beträgt, erhält man mit den vier letztgenannten Konfigurationen eine über zwei Bits gesteuerte Phasenverschiebung, unabhängig von der Polarisation.
Natürlich kann man einen geringeren Übertastungsfaktor, beispielsweise 2 oder 3 (aber es gibt dann eine geringere Auswahl an Konfigurationen) oder einen größeren Übertastungsfaktor wählen (aber dann ergeben sich Schwierigkeiten bei der Herstellung aufgrund der geringen Abmessungen der fotoleitenden Elemente und der Bildpunkte des Flüssigkristallbildschirms, die diesen Abmessungen entsprechen müssen).

Claims

1. Mikrowellenantenne mit optoelektronischer Strahlausrichtung, die einerseits eine Matrix (2) von optisch gesteuerten Elementarreflektoren mit einem lichtdurchlässigen Substrat (20) aus einem dielektrischen Material mit geringen Mikrowellenverlusten, mit einer Schicht (21) von matrixartig verteilten fotoleitenden Elementen auf der den Mikrowellen ausgesetzten Seite des Substrats und mit einer lichtdurchlässigen leitenden Elektrode (22) auf der entgegengesetzten Seite, und andererseits Mittel (3, 4, 5) zur selektiven Belichtung der fotoleitenden Elemente aufweist, die diese Elemente von einem elektrisch isolierenden Zustand in einen elektrisch leitenden Zustand und umgekehrt bringen können, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix von fotoleitenden Elementen ein Raster aufweist, das das Raster der Matrix von Elementarreflektoren übertastet.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix von fotoleitenden Elementen ein Raster hat, das das Raster des Netzes von Elementarreflektoren mit einem Übertastungsfaktor 4 übertastet, so daß jedem Elementarreflektor ein Quadrat von 16 fotoleitenden Elementen zugeordnet ist.

3. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die fotoleitenden Elemente, die einem Elementarreflektor zugeordnet sind, derart selektiv belichtet werden, daß sich Konfigurationen von leitenden bzw. elektrisch isolierenden Elementen ergeben, die bezüglich einer Drehung um π/2 invariabel sind.