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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer
elektromagnetischen Strahlsteuereinrichtung mit einer
Gruppe von Mitteln zur Erzeugung einer Phasenverschiebung an
einer elektromagnetischen Welle, wobei das Verfahren die
folgenden Schritte umfaßt:
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a) Aufteilen der Gruppe in eine Anzahl von
Periodenabschnitten; und
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b) Anlegen von Spannungen an die Phasenschiebermittel
derart, daß eine Treppenkurve von an die
Phasenschiebermittel angelegten Spannungen für jeden Periodenabschnitt
resultiert.
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Ein Verfahren dieser Art zum Betrieb eines statischen
Ablenkers zum Ablenken eines polarisierten Infrarotstrahls
ist in dem US-Patent 4 639 091, erteilt am 27. Januar 1987
an J.P. Huignard u.a. vorgeschlagen worden. Der "Huignard
u.a."-Strahlenablenker umfaßt eine geschichtete
quadratische Platte, welche als Frontschicht ein Fenster aufweist,
auf welchem Streifenelektroden abgelagert sind. Sowohl das
Fenster als auch die Streifenelektroden sind gegenüber
einem einfallenden Infrarotstrahl transparent. Eine
Mittelschicht des Strahlablenkers enthält eine elektrooptische
Flüssigkristallschicht. Die Bodenschicht enthält ein
Substrat, das eine gemeinsame Elektrode angrenzend an die
Flüssigkristallschicht aufweist. Die gemeinsame Elektrode
ist vorzugsweise bei der Strahlwellenlänge reflektierend,
beispielsweise handelt es sich um einen Goldfilm.
Alternativ kann für einen Strahlablenker, der durchlassend
arbeitet, eine transparente Rückenplatte verwendet werden.
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Huignard u.a. schlagen eine periodische
Treppenwellenform vor, welche N Spannungsstufen aufweist,
welche an die Streifenelektroden geführt werden, wodurch
örtliche Veränderungen des Brechungsindex in der
Flüssigkristallschicht in solcher Weise erzeugt werden, daß man
ein Beugungsgitter einstellbarer Teilung erhält.
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Praktische Anwendungen des optischen Strahlablenkers
mit Streifenelektroden und Flüssigkristallzelle sind in dem
US-Patent 4,964,701 "Deflector for an Optical Beam",
erteilt am 23. Oktober 1990 an Terry A. Dorschner u.a., sowie
in dem US-Patent 5 018 835 "Deflector for an Optical Beam
Using Refractive Means", erteilt am 28. Mai 1991 an Terry
A. Dorschner, offenbart. Diese sowie auch andere
Anwendungen der optischen Strahlsteuerung unterstreichen die
Notwendigkeit einer raschen und unter großem Winkel
steuerbaren Ausrichtung und Abtastung der optischen Strahlen,
insbesondere von großen Durchmesser aufweisenden,
beugungsbegrenzten Kohlendioxid-Laser-Radarstrahlen. Kurz gesagt, es
existiert der dringende Bedarf an einer optischen Version
der vielseitigen phasengesteuerten Gruppenantennen, wie sie
gegenwärtig für Mikrowellenradarsysteme breite Verwendung
finden.
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Eine optische phasengesteuerte Gruppenantenne für die
elektronische Steuerung optischer Strahlen ist praktisch
schwierig zu realisieren, was auf der sehr großen Anzahl
von Phasenschiebern und der entsprechenden außerordentlich
hohen Dichte von elektrischen Anschlüssen beruht, welche
zum Betrieb einer optischen Gruppe erforderlich sind. Eine
qualitativ hochwertige Strahlsteuerung über einen großen
Winkel erfordert, daß die einzelnen Phasenschieber der
Gruppe Abstände haben, welche geringer als die Wellenlänge
des zu steuernden Lichtes sind. Abstände von einer halben
bis zu einer Wellenlänge werden im allgemeinen für
phasengesteuerte Gruppenantennen im Mikrowellenbereich gewählt
und es ist anzunehmen, daß vergleichbare Abstände in
optischen Systemen verwendet werden.
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Die Herstellung von optischen
Flüssigkristall-Phasenschiebern dieser Abmessung ist bei Verwendung von
Halbleiter-Photolithographie durchaus möglich. Gegenwärtig können
Geräte mit Elektrodenbreiten von weniger als 2 µm leicht
hergestellt werden. Außerdem sind mit Litographieverfahren
nach dem Stande der Technik Abstände im Submikronbereich
möglich. Die Verbindung jedes der Phasenschieber einer
großen Gruppe mit unabhängigen Spannungsquellen erscheint aber
eine gigantische Aufgabe zu sein.
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Betrachtet man den mehr oder weniger optimalen Fall von
Halbwellenabständen, so wäre, wenn sämtliche der
Phasenschieber einer linearen eindimensionalen Gruppe unabhängig
zu adressieren sind, die Dichte der Randverbindungen 2000
je Zentimeter (cm) der Apertur bei 10 µm Wellenlänge, und
20000 je cm bei einer Wellenlänge von 1 µm. Da Aperturen
bis hinauf zu einem Meter gewünscht werden, könnte die Zahl
der elektrischen Verbindungen, die für einen herkömmlich
betriebenen Aufbau einer phasengesteuerten Gruppe
erforderlich wäre, eine Million, oder selbst darüber, für
Wellenlängen im sichtbaren Bereich sein. Eine zweite
eindimensionale Einheit zur Abdeckung einer zweiten Dimension der
Steuerung würde eine gleiche Anzahl von Verbindungen
erforderlich machen. Zahlen von außerhalb des Chip verlaufenden
Verbindungen dieser Größenordnung sind als bei weitem zu
groß anzusehen, insbesondere, wenn man berücksichtigt, daß
es gegenwärtige Praxis ist, nicht mehr als einige wenige
hundert außerhalb des Chips verlaufende Verbindungen in der
herkömmlichen Halbleitertechnologie zu verwenden.
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Es sind auch optische phasengesteuerte Gruppensysteme
bekannt, bei denen die Phasenschieber und die Abstände
größer als eine Wellenlänge sind, was zu einer entsprechenden
Qualitätsverschlechterung führt. Die resultierende
Verminderung von Phasenschiebern setzt offensichtlich die
erforderliche Anzahl von Elektrodenanschlüssen herab. Gleichwohl
erscheint dieser Lösungsversuch für viele Anwendungsfälle
unannehmbar, da Abstände größer als eine Wellenlänge im
allgemeinen zur Entstehung von Mehrfach-Ausgangsstrahlen
für einen einzelnen Eingangsstrahl führen.
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Handelt es sich bei dem Anwendungsfall gemäß der
vorliegenden Erfindung um ein Laserradarsystem, so ist es im
allgemeinen wesentlich, daß nur ein Strahl vorhanden ist.
Das Vorhandensein von Mehrfachstrahlen kann für bestimmte
Sendefunktionen toleriert werden; die in den gewünschten
Strahl eingegebene Leistung wird lediglich reduziert,
allerdings um einen großen Faktor. Im Empfangsmodus jedoch
kann die gleichzeitige Empfindlichkeit gegenüber Energie
von einer Mehrzahl von Richtungen Anlaß zu einer
unannehmbaren Mehrdeutigkeit bezüglich der Zielrichtung geben.
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Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist ein
Verfahren der zuvor eingangs definierten Art dadurch
gekennzeichnet, daß der Schritt des Anlegens der Spannungen das
Parallelanlegen von Spannungen an eine Mehrzahl identischer
Untergruppen umfaßt, in welche die Gruppe von
Phasenschiebermitteln unterteilt ist, wobei die Strahlsteuereinrichtung
dauerhaft verbundene, parallele Adressierungsmittel
enthält, an welche die Spannungen gelegt werden.
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
umfassen folgendes:
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ein verbessertes Verfahren zur Erzeugung einer
Strahlsteuerung in einer optischen Strahlsteuereinrichtung;
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ein verbessertes Verfahren zur Erzeugung einer
Strahlsteuerung in einer optischen Strahlsteuereinrichtung,
welche eine große Anzahl von
Streifenelektroden-Phasenschiebern enthält, die in eine Anzahl identischer Untergruppen
unterteilt sind, wodurch eine Steuerung hoher Auflösung von
optischen Strahlen großen Durchmessers erreicht wird;
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ein Verfahren zum Betrieb einer in einer Unterapertur
adressierten optischen Strahlsteuereinrichtung zur
Erzielung einer optischen Strahlsteuerung hoher Qualität bei
Strahlen großen Querschnittes, sowie Verfahren zur
Erzeugung einer erhöhten Vielzahl von Steuerwinkeln in einer
solchen Einrichtung.
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In einer Ausführungsform existiert eine identische
Anzahl von Phasenschiebern in jedem Periodenabschnitt. In
einer zweiten Ausführungsform ist jede Untergruppe ihrerseits
in eine Anzahl von Periodenabschnitten unterteilt, wobei
nicht alle der Periodenabschnitte jeweils gleiche Zahlen
von Phasenschiebern aufweisen. Gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die
Treppenkurve der zu den Phasenschiebern jedes Periodenabschnittes
geleiteten Spannungen so gewählt, daß sich eine Phasenrampe
von 2π über den Periodenabschnitt hin ergibt.
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In einer Konfiguration enthält die
Strahlsteuereinrichtung eine Gruppe von optischen Phasenschiebern mit einer
gemeinsamen Elektrode auf einer ersten Oberfläche, eine
Anzahl von 5 parallelen Streifenelektroden auf einer zweiten
Oberfläche, und einem elektrooptischen Phasenschiebermedium
zwischen der ersten und zweiten Oberfläche. Die
Strahlsteuereinrichtung enthält zusätzlich M Zwischenverbinder, von
denen jeder mit S/M der Streifenelektroden gekoppelt ist,
wobei der i-te Zwischenverbinder mit jeder der (i + jM)-ten
Streifenelektrode für alle ganzzahligen Werte von j von
bis (S/M)-1 gekoppelt ist. Die Strahlsteuereinrichtung
enthält ferner Mittel zur Kopplung von M Steuersignalen
einzeln zwischen den M Zwischenverbindern und der gemeinsamen
Elektrode, wodurch örtliche Veränderungen des
Brechungsindex in dem Phasenschiebermedium erzeugt werden.
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Mit dieser Anordnung ist es möglich, eine große Zahl
von Strahlsteuerstellungen für eine im Subaperturbereich
adressierte Strahlsteuereinrichtung zu erzeugen, in welcher
die Größe der Subapertur ausreichend klein ist, um die Zahl
der erforderlichen elektrischen Verbindungen mit
gegenwärtiger Technologie handhaben zu können. Durch Wahl von
ungleichen Periodenabschnitten oder von Kombinationen
gleicher und ungleicher Periodenabschnitte können wesentlich
mehr Zustände adressiert werden, als durch lediglich
rechnerische Unterteilungen der Untergruppen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorstehenden Merkmale der vorliegenden Erfindung
und ihre Vorteile können voll umfänglicher aus der
folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den
begleitenden Zeichnungen verstanden werden, in denen:
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Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht einer
Flüssigkristall-Strahlablenkeinrichtung ist;
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Fig. 2a eine Aufsicht und Fig. 2b eine
Querschnittsansicht einer vereinfachten Ausführungsform einer im
Subaperturbereich adressierten optischen Strahlsteuereinrichtung
gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen; und
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Fig. 3 eine Graphik des Strahlsteuerwinkels in
Abhängigkeit von der Phasen-Rampensteigung für eine optische
Strahlsteuereinrichtung mit 48-Element-Untergruppen zeigt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Das Strahlsteuerverfahren nach der vorliegenden
Erfindung wird hier unter besonderer Bezugnahme auf ein Beispiel
einer optischen Strahlsteuereinrichtung beschrieben. Dieses
Beispiel einer optischen Strahlsteuereinrichtung, welche
eine Adressierung einer Vielzahl von Phasenschiebern einer
Subapertur vorsieht, ist im einzelnen in der gleichzeitig
anhängigen Europäischen Patentanmeldung Nr. 92301729.7,
Veröffentlichungsnummer 0 501 824 offenbart.
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Bezugnehmend auf Fig. 1 ist festzustellen, daß hier in
schematischem Querschnitt eine
Flüssigkristall-Strahlsteuereinrichtung 10 gezeigt ist. Die Einrichtung 10 enthält
eine Flüssigkristallzelle mit Fenstern 12 und 14, welche in
dem interessierenden Frequenzbereich optisch transparent
sind. Eine gemeinsame Elektrode 16, welche an dem Fenster
12 befestigt ist, ist elektrisch leitfähig und optisch
transparent. Elektroden 181, 182, 183,..., welche gemeinsam
als Elektroden 18 bezeichnet sind, und welche an dem
Fenster 14 befestigt sind, umfassen eine Vielzahl elektrisch
leitfähiger, optisch transparenter Streifen. Zur Steuerung
der Strahlen eines Kohlendioxidlasers haben die Elektroden
18 beispielsweise eine Breite von 4 bis 10 µm und haben
voneinander einen Abstand von annähernd 1 µm. Der Raum
zwischen den Fenstern 12 und 14 ist von einer Schicht aus
Flüssigkristallmolekülen 20 erfüllt, beispielsweise lange,
dünne, stabartige organische Moleküle in der sogenannten
"nematischen" Phase.
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Der optische Strahl-Phasenschieber 10 von Fig. 1 wird
von einer Lichtquelle und einem Strahlformungsnetzwerk
(nicht dargestellt) beaufschlagt, welche einen Strahl
polarisierten Lichtes 22 im Bereich vom sichtbaren Licht bis
weit ins Infrarote erzeugen. Der Lichtstrahl 22, welcher in
Teilen durch die Strahlen 22a bis 22c repräsentiert wird,
ist auf das Fenster 14 der optischen Einrichtung 10
gerichtet. Der Lichtstrahl 22 kann senkrecht auf die Ebene
treffen, welche durch die Streifenelektroden 18 aufgespannt
wird, oder er kann schräg auftreffen, vorzugsweise derart,
daß seine Projektion auf die von den Streifenelektroden 18
aufgespannte Ebene parallel zur Längsrichtung der
Elektroden 18 orientiert ist.
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Charakteristisch für Flüssigkristallmoleküle, deren
Orientierung durch Ausrichtungsschichten wohl definiert
ist, ist es, daß das Anlegen eines elektrischen Feldes
senkrecht zu der Ausrichtungsschicht die Geschwindigkeit
des Lichtes beeinflußt, dessen Polarisation parallel zu den
durchdrungenen Ausrichtungsschichten ist, und damit die
Verzögerung beeinflußt. In dem vereinfachten Beispiel von
Fig. 1 resultiert also das Anlegen unterschiedlicher
Potentiale zwischen der gemeinsamen Elektrode 16 und den
einzelnen Streifenelektroden 18 durch einen
Steuerspannungsgenerator 26 in unterschiedlichen elektrischen Feldern in den
Bereichen zwischen den einzelnen Streifenelektroden 18&sub1;,
18&sub2;, 18&sub3;,..., und der gemeinsamen Elektrode 16, wodurch
örtliche Veränderungen des Brechungsindex in der
Flüssigkeitskristallschicht 20 erzeugt werden.
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In dem vorliegenden vereinfachten Beispiel sind die
Potentiale, welche den Elektroden 18 erteilt werden, auf
welche die Strahlen 22a, 22b und 22c treffen, und welche
schematisch als Treppenquelle 26a dargestellt sind, solcher
Art, daß sie die größte Verzögerung an dem austretenden
Strahl 24c, und die geringste Verzögerung an dem
austretenden Strahl 24a verursachen. Somit wird die Wellenform 17
des Strahles 24, welcher von der optischen
Strahlablenkeinrichtung 10 austritt, gegenüber der eintreffenden
Wellenform geneigt. Man erkennt daher, daß die optische
Strahlablenkeinrichtung 10 von Fig. 1 eine selektive
Strahlsteuerung entsprechend den elektrischen Potentialen
erzeugt, welche an die Streifenelektroden 18 gelegt werden.
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Die Anlegung von Steuerspannungssignalen an die
einzelnen Streifenelektroden 18 zum Zwecke der Strahlsteuerung
ist analog den Verfahren, wie sie in der herkömmlichen
Mikrowellen-Radarstrahlsteuerung verwendet wird, wie
beispielsweise in Radar Handbook, M.I Skolnik, Ed., McGraw-
Hill, New York, 1970, Kapitel 11, ausgeführt ist. Wie durch
das Beispiel der Wellenform 26a gezeigt, kann eine Mehrzahl
von Steuerspannungssignalen, die räumlich periodisch sind
und einen kontinuierlichen Fortschritt der Spannungsstufen
innerhalb jeder Periode zwischen einem Minimalwert und
einem
Maximalwert haben, an die Vielzahl von
Streifenelektroden 18 geführt werden. Es ist jedoch nicht beabsichtigt,
die vorliegende Erfindung nur auf die Mehrzahl von
Steuerspannungssignalen zu beschränken, welche periodisch sind.
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Im Betrieb der Strahlsteuereinrichtung geschieht
folgendes: Eine Treppenkurve 26a von Spannungen wird an die
Elektroden 18 gelegt, wobei die Spannungspegel so gewählt
sind, daß sich eine gleichförmige Treppe oder die
Annäherung an eine Schräge, der Phasenverschiebungen über die
Apertur hin ergibt. Nachdem die Reaktion des
Flüssigkristalls nicht linear ist, enthält der Spannungsanstieg nicht
notwendigerweise gleiche Schritte. Die Phasenschieber
können modulo 2π betrieben werden, wie dies auch bei
Mikrowellengruppen geschieht, um das Erfordernis großer
Phasenverschiebungen zu vermeiden. Die resultierende
Sägezahnverteilung der Phase ist equivalent zu einem einzigen
kontinuierlichen Phasenanstieg, der wie ein Prisma wirkt und den
Eingangsstrahl entsprechend dem Steigungsgrad des aufgeprägten
Phasenanstiegs steuert.
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Betrachtet man nun die Mittel zur Lieferung der
einzelnen Steuerspannungen an die Streifenelektroden 18, so gibt
die gleichzeitig anhängige Europäische Patentanmeldung Nr.
92301729.7 eine Struktur zur Kombination der Vielzahl von
Elektroden in eine Mehrzahl von Untergruppen an, wobei jede
Untergruppe eine Anzahl von Elektroden enthält, die dazu
ausreicht, eine geeignete Verteilung der Strahlsteuerwinkel
für den beabsichtigten Anwendungsfall hervorzubringen.
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Es seien nun die Figuren 2A und 2B betrachtet. Hier
sind schematisch Aufsichts- bzw. Querschnittsansichten
eines Teiles einer vereinfachten Strahlsteuereinrichtung nach
den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die
Einrichtung enthält eine Flüssigkristallzelle 52 mit
Fenstern 40 und 44 und einer dazwischen gelegenen Schicht von
Flüssigkristallmolekülen 50. Genau wie bei der
Strahlsteuereinrichtung
10 von Fig. 1 enthält die Zelle 52 eine
gemeinsame Elektrode 42 auf einer Innenfläche des Fensters
44, und eine Vielzahl von Streifenelektroden 30(1,1),
30(1,2),..., 30(1,6), 30(2,1),..., 30(2,6),...,
30(n,1),..., 30(n,6), welche kollektiv als
Streifenelektroden 30 bezeichnet sind und welche auf einer Innenfläche des
Fensters 40 angeordnet sind.
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Man erkennt daher, daß die Strahlsteueranordnung nach
den Figuren 2A und 2B eine große Gruppe von
Streifen-Phasenschieber enthält, wobei jeder Phasenschieber von einer
der Streifenelektroden 30, der gemeinsamen Elektrode 42 und
den dazwischen befindlichen Flüssigkristallmolekülen 50
gebildet ist. Die Phasenschieber haben eine seitliche
Ausdehnung Λ = w + Δ, worin W die Breite der Streifenelektrode
30 ist und Δ der Zwischenraum zwischen den
Streifenelektroden 30 ist. Die Phasenschieber überdecken gleichförmig im
wesentlichen die gesamte Apertur der Strahlsteueranordnung.
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Entsprechend der technischen Lehre der Europäischen
Patentanmeldung 92301729.7 ist eine Anzahl von n Untergruppen
38(1),..., 38(n), gebildet, welche kollektiv als
Untergruppen 38 bezeichnet und durch Überbrückungsbänder oder Jumper
oder Verbinderstreifen 32(1), 32(2),..., 32(6) gebildet
sind, welche kollektiv als Jumperstreifen oder Verbinder 32
bezeichnet werden. Für die leichtere Darstellung ist eine
Größe der Untergruppen von sechs Phasenschiebern gezeigt.
Der Verbinder 32(1) verbindet die Streifenelektroden
30(1,1), 30(2,1),..., und 30(n,1); der Verbinder 32(2)
verbindet die Streifenelektroden 30(1,2), 30(2,2),..., und
30(n,2); usw. Der Verbinder 32(1) ist mit der
Streifenelektrode 30(1,1) durch das Leiterelement 34(1,1) verbunden,
mit der Streifenelektrode 30(2,1) durch das Leiterelement
34(2,1) verbunden,..., und mit der Streifenelektrode
30(n,1) durch das Leiterelement 34(n,1) verbunden.
Allgemein ist zu sagen, daß die Verbinder 32(i) mit den
Streifenelektroden 30(j,i) durch Leiterelemente 34(j,i)
verbunden
sind, wobei j von 1 bis zu der Zahl der Untergruppen n
läuft und i von 1 bis zu der Zahl der Phasenschieber M
innerhalb jeder Untergruppe läuft. Jeder Verbinder 32(i)
endet in einem Kontaktflecken 36(i) zum Anschluß an eine
äußere Verdrahtung zum Zwecke der Anlegung der
Steuerspannungen hieran. Die Leiterelemente 34 erstrecken sich durch
eine transparente Isolationsschicht 46. In entsprechender
Weise ist die gemeinsame Elektrode 42 mit einem
Kontaktflecken 48 zum Anschluß an eine äußere Leitung zum Zwecke
des Anlegens einer Bezugsspannung daran verbunden.
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In dem in den Figuren 2A und 2B gezeigten Beispiel ist
jede sechste Elektrode 30 parallel geschaltet und es gibt
gerade sechs Adressenleitungen, welche über die
Kontaktflecken 36 an äußere Spannungsquellen angeschlossen werden
müssen, anstelle von Tausenden, welche normalerweise für
Aperturen von 1 cm oder größer erforderlich wären. Außerdem
ist eine einzige Erdungsverbindung erforderlich, unabhängig
von der Anzahl von Elektroden 30 in einer Untergruppe 38
oder in der gesamten Gruppe.
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Zwar sind die beispielsweise gezeigten sechs
Phasenschieber jeder Untergruppe 38 unabhängig adressierbar, doch
ist jeder Phasenschieber permanent parallel zu den
entsprechenden Phasenschiebern jeder der anderen Untergruppen 38
geschaltet. Gleichgültig also, welche räumliche
Phasenverteilung einer Untergruppe 38 mitgeteilt wird, so wird diese
über die volle Apertur hinweg wiederholt.
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Der untergruppenweise adressierte optische
Strahlsteuerer, der hier offenbart und im einzelnen in der
Europäischen Patentanmeldung 92301729.7 beschrieben ist, wird in
entsprechender Weise betrieben, wie eine herkömmliche
phasengesteuerte Gruppe, d.h. es wird eine stufenweise
Annäherung an eine Phasenrampe oder Phasenschräge über die
Strahlsteuerungsapertur hin durch Anlegen eines
entsprechenden Stufenwellenprofils von Spannungen an die
Elektroden
gebildet (siehe Fig. 1). Wie bei herkömmlichen
phasengesteuerten Gruppen können die Phasenschrägen oder -rampen
modub 2π mit der Maximalamplitude 2π angelegt werden. Im
vorliegenden Beispiel kann nur eine begrenzte Anzahl von
Rampenperiodenabschnitten künstlich gebildet werden, da nur
eine begrenzte Anzahl von Phasenschiebern, nämlich M, die
Zahl in jeder Untergruppe, unabhängig adressierbar ist.
Dies begrenzt die Zahl adressierbarer Strahlpositionen; es
ist jedoch möglich, trotzdem eine verhältnismäßig große
Anzahl von Positionen zu erreichen, selbst für mittlere
Untergruppengrößen, wie nachfolgend dargelegt wird.
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Identische Anstiege mit Periaden NΛo, welche
ganzzahlige Faktoren der Untergruppenperiode MΛo sind, können
ohne Diskontinuitäten an den Untergruppenrändern zur
Anwendung kommen. Dies ist eine wichtige Überlegung zum
Einhalten niedriger Pegel der Seitenstrahlungskeulen. Rampen oder
Anstiege aus N Phasenschritten, wobei N durch ±6, ±3, ±2,
und unendlich gegeben ist, können beispielsweise mit den
Untergruppen von den Figuren 2a und 2b erzeugt werden.
Jeder dieser Rampenperiodenabschnitte entspricht einer
adressierbaren Strahlposition, gegeben durch den Ausdruck
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Θ = sin&supmin;¹(λ/NΛo), worin λ die Wellenlänge im freien
Raum des optischen Strahles ist.
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Für den Fall eines Halbwellenabstandes, d.h., λ = 2Λo,
sind die erreichbaren Einstellwinkel jeweils ±19,47º bzw. ±
41,81º, bzw. ±90º, bzw. 0º. Dies sind große Steuerwinkel,
was eine Folge davon ist, daß die Untergruppe sehr klein
ist. Der 90º-Fall ist tatsächlich nicht von praktischer
Bedeutung, da sehr wenig Energie tatsächlich in diese
Richtung gelenkt würde. Die effektive Strahlerfläche des
Gerätes reduziert sich auf Null.
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Im allgemeinen umfassen Untergruppen mit größeren
Zahlen von Phasenschiebern kleinere Steuerwinkel.
Beispielsweise ergeben Untergruppen von 48 Phasenschiebern die
Verteilung der Steuerwinkel, wie sie in Fig. 3 für den Fall
exakter faktorieller Perioden (hier Rampensteigung
bezeichnet) gezeigt sind. Ein Abstand Λo von einer Wellenlänge
zwischen den Streifenelektroden der Phasenschieber wurde
hier vorausgesetzt. Nur diejenigen Winkel, die innerhalb
eines Blickfeldes von ±10º liegen, sind gezeigt. Dies ist
ein ziemlich typischer Bereich von Interesse. Man kann aus
Fig. 3 ersehen, daß die Verteilung der erzielbaren Winkel
ziemlich gleichförmig ist und daß die Winkel tatsächlich
annähernd Vielfache der kleinsten Steuerwinkel
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Θmin = sin&supmin;¹(λ/MΛo) sind. Dieser Trend in Richtung auf
gleichförmigen Winkelabstand nimmt zu, wenn die Zahl der
Elemente in der Untergruppe zunimmt. Der Abstand zwischen
den Strahlen nimmt in gleicher Weise ab, wie die Anzahl von
Elementen in der Untergruppe zunimmt.
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Andere Anregungstechniken gestatten die Adressierung
zusätzlicher Strahlrichtungen. Als ein Beispiel sei
angegeben, daß zusätzliche Periodenabschnitte durch die lineare
Überlagerung der obigen exakten Periodenabschnitte gebildet
werden können. Unterschiedliche und in verschiedener Weise
wirksame Periodenabschnitte können durch die Kombination
von Perioden gebildet werden, die sich zu der
Untergruppenabmessung addieren, so daß sich keine Diskontinuitäten an
den Untergruppengrenzen ergeben. Für die obigen
Untergruppen aus sechs Elementen ist die einzige unterschiedliche
effektive Wellenform eine Zweielement-Rampe, gefolgt durch
eine Vierelement-Rampe. Für Untergruppen mit einer größeren
Anzahl M von Phasenschiebern aber gibt es viele solche
Kombinationen, die verschiedene wirksame Periodenabschnitte
ergeben. Insbesondere können Kombinationen gefunden werden,
um jedes mögliche ganzzahlige Vielfache von
2π-Phasenverschiebungen (ganze Wellen) über die Untergruppe hin zu
erzeugen, von eins bis M/2, wobei M die Zahl der
Phasenschieber in der Untergruppe ist. Dies entspricht M/2 nahezu
gleich beabstandeten einzelnen Strahlsteuerrichtungen
(voller Rayleigh-Punkt) auf jeder Seite der Antennenachse.
Die Qualität dieser M Strahlen (und anderer) kann
folgendermaßen gemessen werden.
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Laserradarsysteme und andere optische Systeme hoher
Güte machen hochwertige Strahlen erforderlich, welche eine
begrenzte Aberration aufweisen und maximale Energie auf das
Zielobjekt richten. Unter diesen Bedingungen ist eine
brauchbare Bewertungszahl für die Strahlqualität das
sogenannte Strehl-Verhältnis. Wenn die Aberrationen klein sind,
ist das Verhältnis der axialen Intensität I eines
abweichenden Strahles zu der axialen Intensität Io eines nicht
abgelenkten Strahles durch das Strehl-Verhältnis
folgendermaßen auszudrücken:
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I/Io = 1 - (2π /λ)²,
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worin die Wurzel des quadratischen Mittelwertes der
Abweichung der Wellenfront von ihrem Idealwert ist. Das
Strehl-Verhältnis wird im allgemeinen als brauchbares
Kriterium für die Strahlqualität über den Bereich von
0,6< I/Io< 1,0 angesehen. Ein Strehl-Verhältnis von eins
entspricht einem idealen, beugungsbegrenzten Strahl. Ein
Strehl-Verhältnis von 0,6 entspricht einer Wurzel des
quadratischen Mittelwertes des Phasenfehlers von einem Zehntel
über die Apertur eines optischen Systems hin. Wurzeln des
quadratischen Mittelwertes des Phasenfehlers zwischen 1/14
und 1/20 einer Welle werden so beurteilt, daß sie effektiv
dem klassisen Viertelwellen-Rayleigh-Kriterium entsprechen
und einem Strehl-Verhältnis von 0,8 bzw. 0,9 entsprechen.
Bei dem Rayleigh-Kriterium haben zwei benachbarte, mit
gleicher Intensität strahlende Strahlenquellen den ersten
dunklen Ring des Beugungsmusters eines einzelnen
Punktbildes zusammenfallend mit dem Zentrum des zweiten
Beugungsmusters, und werden als gerade unterscheidbar
bezeichnet. Der λ/14-Fall ist auch als das Marechal-
Kriterium bekannt. Strahlen, die das eine oder andere
Kriterium erfüllen, werden praktisch als beugungsbegrenzt
angesehen.
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Abweichungen des Phasenprofils von dem bevorzugten
linearen (sägezahnartigen) Profil über die Apertur der
Strahlsteuereinrichtung hin können als Aberrationen
behandelt werden und die Qualität kann durch das
Strehl-Verhältnis quantitativ bewertet werden. Insbesondere können für
Strahlsteuerwinkel, welche nicht durch identische
Periodenabschnitte adressierbar sind, mehrfache Kombinationen von
Periodenabschnitten existieren, welche eine Steuerung auf
denselben Winkel ergeben. Das Phasenprofil für jede dieser
Kombinationen weicht aber von dem idealen Phasenprofil ab,
und dies im allgemeinen um unterschiedliche Beträge. Das
Strehl-Verhältnis kann dann dazu dienen, die beste
Kombination oder Verteilung für einen bestimmten Steuerwinkel
auszuwählen und auch quantitativ die Güte dieser Auswahl
relativ zu einem Idealfall (gleicher Periodenabschnitt)
abzuschätzen. Je kleiner die Abweichung von der idealen
Wellenfront ist, desto kleiner sind die Aberrationen und desto
größer ist der Anteil von Energie, welche in die gewünschte
Winkelrichtung gesteuert wird. Energie, die nicht in die
gewünschte Winkelrichtung gesteuert wird, wird durch die
Phasenaberrationen in unerwünschte Seitenstrahlungskeulen
gestreut; der Energiebruchteil in den
Seitenstrahlungskeulen ist gerade eins minus das Strehl-Verhältnis.
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Als Beispiel sei der Fall der Simulation eines
Phasenanstiegs einer Phasenverschiebung von fünf Wellen über die
Apertur einer Untergruppe von 48 Elementen angenommen. Dies
erfordert eine 2π-Phasenrückstellung alle 9,6 Elemente
entsprechend idealen Periodenabschnitten von 9,6 Elementen,
was mit einer Untergruppe von 48 Elementen nicht
realisierbar ist. Genau fünf Wellen aber kann man mit Kombinationen
von drei Periodenabschnitten von jeweils zehn Elektroden
und zwei Periodenabschnitten von jeweils neun Elektroden
erreichen. Unabhängig von der Permutationsreihenfolge, in
welcher diese Periodenabschnitte angeordnet sind, bleibt
der Steuerwinkel in erster Ordnung fest; die Winkel für
eine Phasenverschiebung von fünf Wellen, welche für den
Fall des Abstandes zwischen den Phasenschiebern von einer
Welle ±5,98º sind, sind in Fig. 3 als Strahlpositionen 62
eingezeichnet. Der Betrag der Energie, welche in die
gewünschte Richtung gesteuert wird, verändert sich aber mit
der Ordnung der Periodenabschnitte. Der Fall der Anordnung
der Periodenabschnitte [10,10,10,9,9] zeigt eine größere
maximale Phasenabweichung von der idealen linearen
Phasenfront als eine Ordnung [10,9,10,9,10]. Die erstgenannte
Ordnung konzentriert die Phasenabweichungen und erfährt
eine schlechte Bewertung bezüglich der Wurzel der mittleren
Fehlerquadrate. Die letztgenannte Reihenfolge erzeugt eine
Wellenfront, welche um die Ideallinie oszilliert, wodurch
weniger Wert der Wurzel des mittleren Phasenfehlerquadrates
angesammelt wird. Die errechneten Strehl-Verhältnisse für
die beiden Fälle sind 0,95 bzw. 0,98. In diesem Beispiel
sind beide gewählten Reihenfolgen im allgemeinen brauchbar.
Die alternierende Ordnung besitzt jedoch nur ein Drittel
der Energie der Seitenstrahlungskeulen und ist daher
vorzuziehen.
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Gemäß einer anderen Technik des Anregens der
Untergruppen einer subaperturweise-adressierten
Strahlsteuereinrichtung können Periodenabschnitte, welche nicht exakt
ganzzahlige Vielfache der Untergruppengröße sind, ebenfalls
verwendet werden, wenn auch mit einer Verschlechterung der
Strahlqualität. Ein Beispiel dieses Verfahrens ist eine
Treppenkurve von fünf Stufen, gefolgt von einer Stufe,
welche aus der Ordnung fällt, beispielsweise mit einem
wiederholten maximalen oder minimalen Stufenwert. Die
Annehmbarkeit solcher Zustände hängt von der Größe der zulässigen
Strahlverschlechterung ab. Dies muß von Fall zu Fall
untersucht werden, wobei das Strehl-Verhältnis als Kriterium
verwendet wird. Es erscheint jedoch, daß die Verwendung
einer 3-Bit-Phasenquantisierung dazu geeignet ist,
Seitenstrahlungskeulenpegel
unter 20 dB für eine Gauss'sche
Strahlillumination zumindest für Strahlsteuerwinkel
aufrecht zu erhalten, welche nicht groß sind, beispielsweise
unter 20º. Demgemäß können Abweichungen des Phasenanstiegs
von dem Idealverlauf annehmbar sein, welche bis zu 45º
betragen.
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Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß durch
Verwendung der Verfahren der vorliegenden Erfindung viele
Strahlsteuerpositionen mit nur mäßig großen Untergruppen
erreicht werden können. Für den betrachteten Fall einer
Untergruppe mit M Phasenschiebern gibt es mindestens M
brauchbare Zustände.
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Während die Grundsätze der vorliegenden Erfindung unter
besonderer Berücksichtigung der hier offenbarten Verfahren
aufgezeigt worden sind, versteht es sich, daß vielerlei
Abwandlungen von den angegebenen Verfahren bei der Ausführung
der Erfindung vorgenommen werden können. Der Umfang der
vorliegenden Erfindung soll daher nicht auf die hier
offenbarten Verfahren begrenzt sein sondern soll vielmehr durch
Umfang der folgenden Ansprüche bemessen sein.