DE69424880T2 - Hochfrequenz-abtastumsetzer - Google Patents
Hochfrequenz-abtastumsetzerInfo
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Description
- Diese Erfindung betrifft Abtastwandler. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, die Signale von Gleichstrom bzw. DC bis Mikrowelle, Millimeterwelle und darüber hinaus messen kann.
- Zum Beobachten einer Wellenform eines Signals in Echtzeit verwendet man typischerweise ein Oszilloskop. Bei niedrigen Frequenzen liefert eine existierende Technologie ein brauchbares Ergebnis. Jedoch dann, wenn man versucht, Signale im Mikrowellenbereich sowie über ausgedehnte Frequenzbereiche zu messen, trifft man auf bestimmte Probleme, die die nutzbare Bandbreite des Instruments begrenzen.
- Beispielsweise wird sich mit dem Erhöhen der Frequenz des Eingangssignals die Phasenverzerrung innerhalb der Meßvorrichtung erhöhen. Gleichermaßen wird es einen erhöhten Verlust innerhalb der Vorrichtung geben. Zusätzlich erhöht sich mit dem Erhöhen der Wobbelgeschwindigkeit (d. h. der Schreibgeschwindigkeit bei einem herkömmlichen Oszilloskop) der Betrag eines Strahlungsstroms an, der zum Beibehalten eines nutzbaren Bildes erforderlich ist.
- Man könnte den Strahlungspfad verkürzen, um die Effekte einer Phasenverzerrung, eines Hochfrequenzverlustes und eines Defokussierens zu verringern, aber dies würde zu einem Erniedrigen der Ablenkempfindlichkeit führen. Darüber hinaus wirkt, obwohl eine herkömmliche Praxis vorgibt, daß man normalerweise versuchen würde, einen stark fokussierten Elektronenstrahl beizubehalten, um eine Projektion hoher Auflösung sicherzustellen, das Ablenksignal zum Defokussieren des Strahls.
- Es ist daher wünschenswert, eine Vorrichtung zu schaffen, die eine empfindliche Messung des Eingangssignals über einen extrem breiten Frequenzbereich liefert, ohne auf die oben aufgezeigten Probleme zu treffen.
- Die Merkmale eines bekannten Abtastwandlers sind im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 definiert und eine bekannte Kathodenstrahlvorrichtung ist in US-A-2 189 583 beschrieben. In diesem Dokument ist ein flacher Elektronenstrahl offenbart, der beschleunigt und auf einen fluoreszierenden Schirm fokussiert wird. Ein Paar von Ablenkplatten ist angeordnet, um den flachen Strahl gemäß einem Eingangssignal rechtwinklig zur Ebene des Strahls abzulenken. Eine Maske mit einem Schlitz darin ist vor oder hinter dem Schirm angeordnet, um den flachen Strahl bei einem Winkel zu schneiden, so daß eine Punktstelle ausgebildet wird. Ein sich bewegender Film speichert ein Bild der Bewegung der Punktstelle, die aufgrund des Eingangssignals auftritt.
- Die Merkmale, die die vorliegende Erfindung kennzeichnen, sind im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 definiert, und zusätzliche Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
- Ein Ausführungsbeispiel des Abtastwandlers hat eine Elektronenkanone, die einen Strom von Elektronen liefert, die durch eine Fokussieranordnung geformt sind. Die Kanone und die Fokussieranordnung arbeiten zusammen, um einen Schichtenstrahl zu liefern, der einen ungefähr rechteckigen oder elliptischen Querschnitt hat. Ein minimales oder kein Fokussieren wird in der vertikalen Richtung angewendet. Dies ergibt eine signifikante Verbesserung in bezug auf den Strahlstrom. Da der Strahl nicht scharf fokussiert werden muß, hat ein Defokussieren, das über dem Pfad des Strahls auftritt, keinerlei Auswirkung auf die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung.
- Der Strahl wird in Antwort auf das Eingangssignal entlang einer Elektronen- Hauptstrahlrichtung gerichtet, die durch eine vertikale Ablenkanordnung verläuft. Die vertikale Ablenkanordnung kann eine einzelne Einheit oder eine Kombination von mehreren Unteranordnungen sein, die jeweils für einen Verlust, eine Phasenantwort und einen Gewinn optimiert sind. Das Eingangssignal, das die Ablenkung des Strahls letztlich steuert, kann unter Verwendung einzelner Verstärker verstärkt werden, die für jedes der in Frage kommenden Bandsegmente optimiert sind. Da die Signale entlang der Elektronen-Hauptstrahlrichtung sequentiell angelegt werden, folgt jedem Verstärker nach dem ersten ein Verzögerungsmodul, das sein jeweiliges Signal um einen geeigneten Betrag verzögert, so daß die verschiedenen Ablenksegmente bei irgendeiner gegebenen Stelle in bezug auf die Zeit an dieselbe Stelle auf dem Elektronenstrahl angelegt werden. Dieser Aufbau wird eine hohe Ablenkempfindlichkeit über eine große Bandbreite ergeben. Im wesentlichen ist die Vorrichtung ein Analog-zu-Digital-Wandler mit sehr großer Bandbreite.
- Weil eine Verstärkerverstärkung mit dem Erhöhen einer Frequenz schwieriger zu erreichen ist, ist es vorzuziehen, vertikale Ablenk-Unteranordnungen für die höchsten Frequenzen am nächsten zur Elektronenquelle zu positionieren. Dies hat den Effekt eines Minimierens der Verstärkungsanforderungen für die kritischeren vertikalen Hochfrequenz-Ablenk-Unteranordnungen und die in den Verzögerungsmodulen auftretenden Verluste. Eine weitere Anordnung verwendet einen einzelnen bedeckten Mikrostreifen zum Liefern der nötigen Ablenkung über dem Betriebs- Frequenzbereich.
- Nach einer vertikalen Ablenkung kann eine horizontale Ablenkung angewendet werden, um den Strahl über ein Target zu wobbeln. Ein Verfahren zum Liefern einer horizontalen Ablenkung verwendet ein Paar von Induktoren, die den Elektronenstrahl umgeben. Ein weiteres Verfahren verwendet einen zweiten Elektronenstrahl zum Laden eines Paars von Platten, durch welche der Strahl verläuft. Bei Anwendungen, bei welchen ein horizontales Wobbeln unnötig ist, kann diese Stufe weggelassen werden.
- Am Ende der Elektronen-Hauptstrahlrichtung der Vorrichtung trifft der Strahl auf ein Target, das zum Bestimmen des Ausmaßes einer Ablenkung des Strahls verwendet wird. Ein Ausführungsbeispiel verwendet eine Reihe von oberen und unteren Erfassungsplatten, die eine Zeile von paarweise angeordneten Platten bilden. Die Platten sind mit Verstärkern verbunden, und die Ausgaben der Verstärker für jedes jeweilige Paar werden verglichen, um ein Differenzensignal proportional zur Ablenkung zu liefern. Weil es nötig ist, nur die differentielle Änderung im empfangenen Signal zu bestimmen, wird eine sehr kleine Ablenkung des Strahls eine große Änderung bei der Ausgabe der differentiellen Stufe ergeben. Daher hat der Wandler eine extrem hohe Verstärkung. Ein weiteres Schema verwendet eine Anordnung von ladungsgekoppelten Vorrichtungen (CCDs). Ein weiteres Verfahren zum Bestimmen des Ausmaßes einer Ablenkung entwickelt ein optisches Bild des Strahls, das dann geteilt und auf benachbarte voneinander beabstandete CCD-Anordnungen projiziert wird.
- Zum Schützen des Targets ist eine Strahlparkvorrichtung vorgesehen, um die Energie des Strahls während Perioden einzufangen und erneut zu zirkulieren, zu welchen der Strahl nicht irgendwie anders abgelenkt wird. Eine Spannung, die niedriger als die hohe Targetspannung ist, wird an die Strahlparkvorrichtung angelegt, um den Strahl abzubremsen und die während solcher Perioden erforderliche Leistung zu verringern.
- Ein vollständigeres Verstehen der vorliegenden Erfindung sowie andere Aufgaben und Vorteile von ihr, die hierin nicht aufgezählt sind, werden beim Betrachten der folgenden detaillierten Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen offensichtlich werden, wobei:
- Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Abtastwandlers ist;
- Fig. 2 eine Zeichnung einer Elektronenquellenstufe und eines erzeugten Elektronenstrahls ist;
- Fig. 3 eine Zeichnung des Querschnitts des Elektronenstrahls der Fig. 2 ist;
- Fig. 4 ein schematisches Blockdiagramm einer Vertikalablenkungsanordnung und eines Eingangssignalprozessors ist;
- Fig. 5 ein Frequenzausdruck ist, der die Verteilung und die Bedeckung der Unteranordnungen der Vertikalablenkanordnung der Fig. 4 zeigt;
- Fig. 6 und 7 jeweils Teilseiten- und Querschnittsansichten eines schraubenförmigen Moduls für eine träge Welle sind;
- Fig. 8 eine Zeichnung eines serpentinenförmigen Moduls für eine träge Welle ist;
- Fig. 9, 10 und 11 jeweils Seiten-, Querschnitts- und Perspektivansichten eines Wellenleitertyp-Moduls für eine träge Welle sind;
- Fig. 12, 13 und 14 jeweils Teilseiten-, Querschnitts- und Draufsichtansichten eines Vertikalablenkungsmoduls eines bedeckten Mikrostreifens sind;
- Fig. 15 eine Querschnittsansicht eines Vertikalablenkungsmoduls einer vollständigen Streifenleitung ist;
- Fig. 16, 17 und 18 jeweils eine Querschnittsansicht, eine Draufsicht und eine Seitenansicht einer Horizontalablenkungsanordnung sind;
- Fig. 19 eine Zeichnung einer weiteren Horizontalablenkungsanordnung und einer Strahlparkanordnung ist;
- Fig. 20 ein schematisches Blockdiagramm einer Targetanordnung mit einer Ladungsspeicheranordnung und einem zugehörigen Targetsignalprozessor ist;
- Fig. 21 eine perspektivische Ansicht eines Abtastwandlers mit einer Ladungsspeicheranordnung für eine Targetanordnung ist;
- Fig. 22 eine perspektivische Ansicht eines einzelnen Ladungsspeicheranordnungspaars und eines zugehörigen Differentialverstärkers ist;
- Fig. 23 eine Zeichnung einer weiteren Ladungsspeicheranordnung für eine Targetanordnung ist;
- Fig. 24 ein schematisches Blockdiagramm einer Targetanordnung mit einer Anordnung von ladungsgekoppelten Vorrichtungen und einem zugehörigen Signalprozessor ist;
- Fig. 25 ein Ausdruck einer Elektronenverteilung über eine Targetanordnung mit einer Anordnung von ladungsgekoppelten Vorrichtungen ist;
- Fig. 26 eine Zeichnung einer Targetanordnung mit einer Strahlaufteilungsanordnung zum Erzeugen eines aufgeteilten Abbildes des Strahls ist;
- Fig. 27 eine Zeichnung eines Phosphorschirms mit einem überlagerten Schirmbild ist;
- Fig. 28 eine Zeichnung eines Schirmbilds einer Fokusebene der Strahlaufteilungsanordnung ist; und
- Fig. 29 eine Zeichnung einer Ladungsspeicheranordnung und eines zugehörigen Signalprozessors zur Anwendung bei der Targetanordnung der Fig. 26 ist.
- Der Hochfrequenz-Abtastwandler 10 ist in Fig. 1 allgemein gezeigt. Die Figur zeigt vier Stufen: eine Elektronenquellestufe 12, eine Vertikalstufe 14, eine Horizontalstufe 16 und eine Targetstufe 18. Die vier Stufen sind in linearer optischer Ausrichtung entlang einer Elektronen-Hauptstrahlrichtung 20 positioniert, die dann, wenn sie geeignet ist, in einem evakuierten Gehäuse angeordnet ist. Es ist zu beachten, daß man die Horizontalstufe 16 vor der Vertikalstufe 14 anordnen könnte, wenn es erwünscht ist. Ebenso muß der Pfad nicht linear sein. Durch Verwendung des geeigneten Magnetfeldes könnte der Pfad zwischen den verschiedenen Komponenten bzw. Bauteilen gefaltet bzw. gekrümmt oder neu ausgerichtet sein, um eine kompaktere Vorrichtung herzustellen.
- Die Elektronenquellenstufe 12 hat zwei Komponenten: eine Elektronenkanonenanordnung 22 und eine Fokussieranordnung 24. Die Elektronenkanonenanordnung 22 erzeugt einen Strahl 26, der einen ungefähr rechteckigen oder elliptischen Querschnitt hat, was im wesentlichen eine "Schicht" von Elektronen bildet, und der somit Schichtstrahl genannt werden kann, wie es in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist. Die längere Abmessung des Querschnitts des Strahls ist mit der vertikalen Achse ausgerichtet. Es sollte verstanden werden, daß der Strahl in vertikaler Richtung ausgerichtet ist, weil andere Teile der Vorrichtung auf gleiche Weise ausgerichtet sind; man könnte eine andere Ausrichtung wählen. Ebenso könnte die Erfindung, während ein Strahl mit einem allgemein rechteckigen oder elliptischen Querschnitt vorzuziehen ist, bei einem Strahl verwendet werden, der einen runden oder einen anderen Querschnitt hat, oder sogar bei einem nicht fokussierten Strahl.
- Die Elektronenkanonenanordnung 22 kann eine einzelne heiße Faser in vertikaler Zeile sein. Diese Konfiguration wird das geeignete Profil für einen Schichtstrahl liefern. Vorzugsweise ist die Faser mit einer Oxidbeschichtung versehen, da dies bessere Emissionseigenschaften hervorbringen wird. Alternativ dazu könnte man einen Feldemitter aus einem kalten bordotierten Diamanten (Festkörperzustand) als Quelle von Elektronen verwenden. Es sollte verstanden werden, daß die Erfindung nicht auf Elektronenstrahlen beschränkt ist. Man könnte andere Typen von Energie verwenden, wie beispielsweise geladene Wasserstoffatome.
- Die Fokussieranordnung 24 arbeitet zum großen Teil in einer Dimension zum weiteren Formen des Strahls 26 in eine Schicht. Die Fokussieranordnung 24 kann elektrostatisch, magnetisch oder elektromagnetisch sein. Man könnte zwei kapazitive Platten verwenden, die in bezug auf den Pfad des Strahls in vertikaler Richtung ausgerichtet sind. Alternativ dazu könnte man einen Vierpol verwenden, der elektrostatisch, magnetisch oder elektromagnetisch ist, obwohl eine elektrostatische Konfigu ration vorzuziehen ist. Diskussionen über geeignete Fokussiervorrichtungen können in A. B. El-Kareh und J. C. J. El-Kareh, Electron Beams, Lenses, and Optics, Volume 1, Academic Press (New York: 1970), Section 4.10 - The Types of Electrostatic Lenses, S. 62-65 und P. W. Hawkes, Quadrapoles in Electronic Lens Systems, Academic Press (New York: 1907) gefunden werden.
- Wie es in Fig. 1 gezeigt ist, hat die Vertikalstufe 14 eine Vertikalablenkungsanordnung 28 und einen Eingangssignalprozessor 30. Die Vertikalablenkungsanordnung 28 moduliert die Position des Strahls 26 gemäß der Eingabe, die sie vom Eingangssignalprozessor 30 empfängt. Die Vertikalablenkungsanordnung 28 und der Eingangssignalprozessor 30 sind detaillierter in Fig. 4 gezeigt.
- Die Vertikalablenkungsanordnung 28 ist entworfen, um über dem gesamten Frequenzbereich des Abtastwandlers 10 zu arbeiten. Die Anordnung 10 erzeugt eine Welle mit einer effektiven Geschwindigkeit synchron zur Strahlgeschwindigkeit, was ermöglicht, daß die Welle auf den Strahl 26 einwirkt, um dadurch eine Nettoablenkung des Strahls 26 zu erzeugen. Wie es in Fig. 4 gezeigt ist, enthält sie eine oder mehrere Module 50 für eine träge Welle, die jeweils ein anderes Bandsegment bedecken. Die Module 50 für eine träge Welle synchronisieren das Eingangssignal mit der Übergangsgeschwindigkeit des Strahls 26. Jedes Modul 50 überdeckt ein anderes Bandsegment, wie es durch den Frequenzausdruck in Fig. 5 dargestellt ist:
- Band 1: DC-f&sub1;
- Band 2: f&sub1; - f&sub2;
- .
- .
- .
- Band n: fn-1 - fn
- Für das erste Bandsegment, das die niedrigsten Frequenzen (Gleichstrom bzw. DC bis z. B. 5-10 GHz) bedeckt, kann man eine schraubenförmige oder irgendeine andere geeignete Anordnung verwenden. Für die übrigen Segmente (Bänder 2-n) kann man Wellenleiterabschnitte verwenden, die z. B. 10-20 GHz, 20-30 GHz und 30- 40 GHz bedecken. Wie es früher angemerkt ist, sind die Module 50, die die höheren Frequenzen bedecken, vorzugsweise näher zur Elektronenquellenstufe 12 angeordnet. Jedoch können sie anders angeordnet sein, wenn es so erwünscht ist.
- Jedes Modul 50 hat auch einen Abschlußwiderstand 76. Ungeachtet dessen, welche Struktur oder welche Strukturen für die Module 50 für eine träge Welle verwendet wird bzw. verwendet werden, wird die Geschwindigkeit des Strahls 26 derart gewählt, daß sie mit der linearen Geschwindigkeit des Eingangssignals übereinstimmt, wenn er durch das Modul 50 läuft.
- Der Eingangssignalprozessor 30 liefert den Antrieb für die Vertikalablenkungsanordnung 28. Wie es in Fig. 4 dargestellt ist, hat der Prozessor 30 einen Eingang 52, ein Multiplexfilter 54, bandbreitenoptimierte Verstärker 56 und Verzögerungsmodule 58. Das Multiplexfilter 54 unterteilt das Eingangssignal des Eingangssignalprozessors 30 in n Bandsegmente. Diese Signale werden durch die rauscharmen Verstärker 56 verstärkt und zu den jeweiligen Modulen 50 für eine träge Welle geführt. Die Verzögerungsmodule 58 sind hinter den Verstärkern 56 für jedes Bandsegment außer dem ersten eingefügt, da die jeweiligen Signale so verzögert werden müssen, daß sie synchron zu dem relevanten Teil des Strahls 26 bei ihren jeweiligen Modulen 50 für eine träge Welle ankommen. Wenn es erwünscht ist, könnten die Verzögerungsmodule 58 vor den Verstärkern 56 oder an irgendeiner anderen Stelle, wo eine Verzögerung eingefügt werden kann, eingefügt werden.
- Wenn sich die Lineargeschwindigkeit des Eingangssignals von einem Modul 50 zu einem anderen ändert, können Beschleunigungs- und/oder Abbremsgitter 74, wie es nötig ist, zwischen den Modulen 50 eingefügt werden, um solche Geschwindigkeitsunterschiede zu kompensieren. Ein Gitter 74, an welches eine Spannung Va ange legt ist, ist zwischen den jeweiligen Modulen 50 für die Bänder f&sub1;-f&sub2; und DC - f&sub1; gezeigt. Das Gitter 74 kann eine einfache Platte mit einer runden Öffnung bzw. Apertur sein.
- Das hier diskutierte Ausführungsbeispiel zeigt ein zum Eingangssignalprozessor 30 eingegebenes RF-Signal. Alternativ dazu könnte man eine optische Eingabe zu einer Photodiode, ein Nehmen der Ausgabe der Photodiode und ein Laufenlassen von ihr in das Multiplexfilter 54 verwenden.
- Ein Modul 60 für eine träge Welle, das eine schraubenförmige Struktur verwendet, ist in den Fig. 6 und 7 dargestellt. Das Modul 60 hat eine leitende Helix 62, die innerhalb einer Außenabschirmung 64 durch ein dielektrisches Abstandsstück 66 gestützt ist. Die Helix 62 hat einen elektrischen Eingang 68 und einen elektrischen Ausgang 70, die über einen Abschlußwiderstand 72 auf Erde gelegt sind. Der Elektronenstrahl 26 läuft zwischen der Helix 62 und der Außenabschirmung 64, wobei die Energie, die durch den benachbarten Teil der Helix 62 läuft, dem Strahl 26 eine Ablenkung auferlegt. Wenn es erwünscht ist, könnte man eine schrittweise Erweiterung entlang der Länge der Außenabschirmung 64 vorsehen, um einen Freiraum für den abgelenkten Strahl 26 zur Verfügung zu stellen.
- Ein Modul 80 für eine träge Welle, das eine serpentinenförmige Struktur für eine träge Welle verwendet, ist in Fig. 8 dargestellt. Unter Verwendung einer Architektur einer vollständigen Streifenleitung hat das Modul 80 eine Streifenleitung 82, die in einer akordeonartigen Anordnung gefaltet ist. Die Streifenleitung 82 hat zwei Grundebenen 84 und 86 und einen mittleren bzw. zentralen Leitungsstreifen 88, der auf einem Dielektrikum 90 getragen wird. Die Streifenleitung 82 hat einen elektrischen Eingang 92 und einen elektrischen Ausgang 94, die mit einem Abschluß verbunden sind, der eine Impedanz von 50 Ohm oder von einem anderen geeigneten Wert haben kann.
- Am Boden jeder Faltung 96 ist die äußere Grundebene 86 abgeschnitten, um eine Schlitzöffnung 98 zur Verfügung zu stellen, die den zentralen Leitungsstreifen 88 freilegt. Zum Sorgen für eine elektrische Kontinuität (und die geringste Menge an Diskontinuität) für die Streifenleitung ist eine Grundebenenschicht 100 unterhalb der Streifenleitung 82 positioniert, die die Öffnungen 98 effektiv bedeckt. Der Strahl 26 läuft zwischen der Streifenleitung 82 und der Grundebenenschicht 100 und wird durch eine Energie im zentralen Leitungsstreifen 88 abgelenkt.
- Es sollte erkannt werden, daß man auch entweder das schraubenförmige Modul 60 für eine träge Welle oder das Streifenleitungsmodul 80 für eine träge Welle in einem Gleichsgewichts- oder einem Differentialmode verwenden kann. In beiden Fällen sind zwei solche Module 60 oder 80 für eine träge Welle angeordnet, und zwar eines über dem anderen, und der Strahl 26 wird zwischen ihnen ausgerichtet.
- Ein Modul 110 für eine träge Welle, das eine Wellenleiterstruktur verwendet, ist in den Fig. 9, 10 und 11 dargestellt. Das Modul 110 verwendet eine Wellenleiter 112 mit einem allgemein quadratischen Querschnitt. Der Wellenleiter 112 hat Stegblenden 114, die von oberen und unteren Wänden 116 und 118 in periodischen Intervallen entlang der Länge des Wellenleiters 112 vorstehen. Der Wellenleiter 112 ist mit einem geeigneten Eingang 120 und einem geeigneten Ausgang 122 versehen. Der Elektronenstrahl 26 läuft durch den Wellenleiter 112 und interagiert mit der beim Eingang 120 eingeführten RF-Energie. Es sollte verstanden werden, daß andere Typen von Wellenleitern, d. h. andere als Wellenleiter vom Stegtyp und mit anderen Querschnitten, für die Wellenleiterstruktur 112 verwendet werden könnten.
- Anstelle eines Verwendens getrennter bandspezifischer Module 50 für eine träge Welle könnte man ein einziges Modul 50 verwenden, das den gesamten Betriebsbereich bedeckt. Wo nur ein einziges solches Modul 50 verwendet wird, würde der Eingangssignalprozessor 30 das Multiplexfilter 54 oder die anderen Komponenten, die zu mehreren Strukturen für eine träge Welle gehören, nicht benötigen. Darüber hin aus könnte man den Frequenzbereich der gesamten Anordnung auf eine spezifische Bandbreite, z. B. 50-100 GHz, beschränken, um somit eine Bandpaßvorrichtung zu erzeugen. Dies würde den zusätzlichen Vorteil eines Vereinfachens der Anforderungen für den Komponentenentwurf haben, da das Frequenzverhältnis von Hoch zu Niedrig 2 : 1 wäre, anstatt eines unendlichen Verhältnisses in dem Fall, in welchem man von DC zu fmax geht. Schließlich könnte man mehrere Abtastwandler anordnen, die jeweils ein einzelnes Band bedecken, die Ausgaben (von welchen jede entwickelt wird, wie es nachfolgend erklärt ist) kombinieren, um einen Wandler zur Verfügung zu stellen, der die Anhäufung der einzelnen Bänder bedeckt.
- Ein Beispiel eines einzelnen Moduls 50, das über einen breiten Frequenzbereich effektiv ist, ist eine Vertikalablenkungsanordnung 30 mit bedecktem Mikrostreifen, der jeweils in Seiten-, Querschnitts- und Draufsichtansichten der Fig. 12, 13 und 14 gezeigt ist. Die Mikrostreifenanordnung 300 hat eine obere Grundebene 310, eine untere Grundebene 312, ein Dielektrikum 314 und die bei einem Abschluß 322 abgeschlossenen Mikrostreifenleiter 320. Ein Eingangssignal 330 wird durch den Eingangssignalprozessor 30 geliefert. Das elektrische Feld, das innerhalb der Anordnung 300 entwickelt wird, ist konzeptmäßig durch die Darstellung der elektrischen Feldlinien 340 gezeigt, die in Fig. 13 gezeichnet sind.
- Die Anordnung 300 mit bedecktem Mikrostreifen funktioniert in bezug auf die Kapazität einer Vertikalablenkungsstufe aus den folgenden Gründen. Normalerweise würde das Eingangssignal 330 über den Mikrostreifen 320, d. h. in einem Vakuum, mit der Geschwindigkeit von Licht c wandern, aber durch das Dielektrikum 314 mit der Geschwindigkeit von c/e1/&sub2;, wobei e die Dielektrizitätskonstante des bestimmten Materials ist, die als das Dielektrikum 314 verwendet wird. Für eine Kontinuität muß die Geschwindigkeit einer Welle genau über der Mikrostreifenleitung 320 dieselbe wie die Geschwindigkeit direkt unter der Oberfläche sein, und daher wandert das Eingangssignal 330 tatsächlich durch die Anordnung 300 mit derselben mittleren Geschwindigkeit zwischen c und c/e1/&sub2;.
- Die Vorrichtung hat daher eine effektive Dielektrizitätskonstante er kleiner als e. Bei der gegebenen streuenden Art einer Mikrostreifenleitung ist die effektive Dielektrizitätskonstante er etwas frequenzabhängig und fällt allgemein gesprochen mit wachsender Frequenz ab. Trotz dieses und anderer Effekte hat eine Mikrostreifenleitung eine extrem große Bandbreite. Für nutzbare dielektrische Materialien ist die praktische obere Frequenzgrenze für die Anordnung 300 mit bedecktem Mikrostreifen, die als Vertikalablenkungsstufe verwendet wird, ~50 GHz. Standardmäßige Textbücher, wie beispielsweise Samuel Y. Liao, Microwave Devices and Circuits, Prentice-Hall, Inc. (Englewood Cliffs, N. J.: 1980), Chapter 7 - Microstrip Transmission Lines, S. 417 -32 können die Gleichungen zum Bestimmen der nötigen Parameter für den Mikrostreifen liefern.
- Zum Verfolgen des Eingangssignals 330, wenn es durch die Mikrostreifenleitung 320 läuft, wird der Strahl 26 mit einer hohen Elektronenvoltenergie beschleunigt. Der Grund dafür, daß die Geschwindigkeit der Welle und des Elektronenstrahls angepaßt werden muß, besteht im Sicherstellen, daß der Elektronenstrahl eine Nettoablenkung empfängt, wenn er über die bedeckte Mikrostreifenleitung 320 wandert bzw. läuft. Für beste Ergebnisse wird dem Elektronenstrahl eine Geschwindigkeit basierend auf er bei den höchsten Frequenzen von Interesse zugeteilt. Beispielsweise würde der Strahl für ein er von 6,5 einen Energiepegel von ungefähr 45.000 Elektronen Volt benötigen.
- Andere Anordnungen sind möglich. Beispielsweise könnte eine Vollstreifenleitung für das Vertikalablenkungsmodul verwendet werden. Wie es in der Querschnittsansicht der Fig. 15 gezeigt ist, hat eine Vertikalablenkungsanordnung 350 zwei Mikrostreifenleitungen 352 und 354. Jede ist an einem jeweiligen oberen und unteren Dielektrikum 360 und 362 angeordnet, die jeweils an oberen und unteren Grundebenen 364 und 366 angeordnet sind, was elektrische Feldlinien 370 erzeugt. Diese Anordnung kann durch eine differentielle Versorgung vom Eingangssignalprozessor 30 betrieben werden. Alternativ dazu könnte eine der zwei Streifenleitungen 352 oder 354 mit einem reinen DC-Signal bzw. Gleichstromsignal versorgt werden, um einen vertikalen Eingangsversatz zu liefern. In einer weiteren Anordnung könnte ein zweites unabhängiges DC-gekoppeltes RF-Signal an die zweite Streifenleitung 354 angelegt werden, was darin resultiert, was effektiv eine wahre differentielle Eingabe bei einer vollen Bandbreite wäre.
- Die Horizontalstufe 16 hat eine Horizontalablenkungsanordnung 32 und einen Horizontalsignalprozessor 34. Die Horizontalablenkungsanordnung 32 lenkt den Strahl 26 in der Horizontalen oder x-Achse ab und wird durch den Horizontalsignalprozessor 34 gesteuert. Die Horizontalablenkungsanordnung 32 kann ein Paar von kapazitiven Platten sein, oder man könnte ausgeklügeltere Strukturen verwenden, die ähnlich denjenigen sind, die bei der Vertikalablenkungsanordnung 28 verwendet werden. Für den Signalprozessor 34 kann man eine standardmäßige Oszilloskop- Wobbelschaltung bzw. -Kippschaltung verwenden.
- Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, hat der Horizontalsignalprozessor 34 zwei Eingänge: einen Sweepeingang bzw. Wobbeleingang 130 und einen Triggereingang 132. Das an den Triggereingang 132 angelegte Signal kann von einem Signal abgeleitet werden, das an den Eingangssignalprozessor 30 angelegt wird, oder es kann von einem unabhängigen Ursprung sein.
- Ein ausgeglichenes schraubenförmiges Modul 140 für eine träge Welle ist jeweils in Querschnitts-, Draufsicht- und Seitenansichten der Fig. 16, 17 und 18 dargestellt. Das Modul 140 hat zwei Schraubenformen bzw. Helixanordnungen 142, die jeweils einen Eingang 144 und einen Ausgang 146 haben und die innerhalb einer geerdeten Abschirmung 148 enthalten sind. Der Ausgang 146 jeder Helix 142 ist mit einem geerdeten Abschlußwiderstand 150 verbunden. Der Strahl 26 läuft zwischen den Helixanordnungen 142 und wird durch die Energie abgelenkt, die innerhalb der Helixanordnungen 142 verläuft. Der Horizontalsignalprozessor 34 kann komplementäre sinusförmige, sägezahnförmige oder andere Wellenformen, wie es nötig ist, liefern, um die erwünschte Wobbelleistung zu erreichen.
- Eine weitere Horizontalablenkungsanordnung 32 kann unter Verwendung von geladenen Platten vorgesehen sein, die durch einen Elektronenstrahl erregt werden. Wie es in Fig. 19 gezeigt ist, verläuft der Abtastwandlerstrahl 26 durch gegenüberliegende Platten 400 und 402. Eine Platte 400 (oder 402) ist auf Erde 404 gelegt; die andere Platte, nämlich die Targetplatte 402 (oder 400), dient als das Target für einen Ablenkungselektronenstrahl 406. Zum Zulassen einer Entladung der Platten ist die Targetplatte 402 mit einem Entladungsschalter 408 verbunden, der in Fig. 19 symbolisch als Kippschalter gezeigt ist. Der Entladungsschalter 408 könnte irgendein Typ von Torsteuerung, z. B. elektronisch, optisch oder eine andere, sein, die mit dem Horizontalsignalprozessor 34 (siehe Fig. 1) des Abtastwandlers 10 verbunden ist (die Verbindung ist nicht gezeigt).
- Der Ablenkungselektronenstrahl 406 wird durch eine Ablenkungsstrahl- Elektronenkanone 420 erzeugt. Die Amplitude und die Geschwindigkeit des Ablenkungselektronenstrahls 406 werden durch ein Abschirmgitter 422 und ein Austastgitter 424 gesteuert. Das Abschirmgitter 422 ist auf Erde 404 gelegt.
- Das Signal für das Austastgitter 424 wird durch einen Pegelumsetzer 430 vom Horizontalsignalprozessor 34 empfangen. Der Pegelumsetzer 430 wandelt die Ausgabe des Horizontalsignalprozessors 34 in ein Signal mit der Form und der Größe um, die zum Antreiben des Austastgitters 424 geeignet sind.
- In Betrieb lädt der Ablenkungselektronenstrahl 406 die Targetplatte 402 auf, was eine virtuell lineare Rampe des Spannungsdifferentials zwischen den zwei Platten 400 und 402 liefert, was den Strahl 26 (440) ablenkt. Am Ende des Wobbelns schließt sich der Entladungsschalter 408, was die Ladung auf der Targetplatte 402 entlädt, was dazu führt, daß der Hauptelektronenstrahl 26 zu seiner Null-Ablenkungsposition zurückkehrt. Ein Vorteil dieser Horizontalablenkungsanordnung be steht darin, daß sie weniger Schaltungselemente benötigt als andere Konfigurationen.
- Wie es in Fig. 1 allgemein gezeigt ist, hat die Targetstufe 18 eine Targetanordnung 36 und einen Targetsignalprozessor 38. Die Targetanordnung 36 erfaßt den Strahl 26 und der Targetsignalprozessor 38 liefert eine Ausgabe basierend auf jener Erfassung. Das Ziel der Targetstufe 18 besteht im Bestimmen des Ausmaßes einer Ablenkung des Strahls. Drei Ausführungsbeispiele werden diskutiert: eine Ladungsspeicheranordnung, eine ladungsgekoppelte Vorrichtungsanordnung und eine ladungsgekoppelte Teilstrahl-Vorrichtungsanordnung. Es sollte verstanden werden, daß andere Targetanordnungen genauso gut verwendet werden könnten.
- Die Ladungsspeicheranordnungsversion der Targetanordnung 36 und ein zugehöriger Signalprozessor 38 sind in Fig. 20 gezeigt. Die Targetanordnung 36 hat eine Ladungsspeicheranordnung 190, die eine Reihe von oberen und unteren kapazitiven Platten 192 bzw. 194 hat. Jedes Paar von oberen und unteren Platten 192 und 194 ist willkürlich einem Kanal zugeordnet, was gemeinsam n Kanäle Ch.-1 bis Ch.-n zur Verfügung stellt. Die Platten 192 und 194 der Anordnung 190 können ein Dünnfilmmuster sein, das auf einem geeigneten Substrat geätzt ist.
- Jede einzelne Platte 192 oder 194 ist mit einem rauscharmen Verstärker 196 sehr hoher Impedanz im Signalprozessor 38 verbunden. Die Verstärker 196 sind als Source-Folger mit FETs 198 als aktive Vorrichtungen und Source-Widerständen 200 konfiguriert. Die Sourceanschlüsse der FETs 198, die jedem Paar von oberen und unteren Platten 192 und 194 entsprechen, sind mit den Eingängen eines Differentialverstärkers 202 verbunden, der ein Vergleichssignal an seinem Ausgang 204 ergibt. Es ist zu beachten, daß andere aktive Vorrichtungen und Verstärkerkonfigurationen, und zwar vorzugsweise mit einer hohen Eingangsimpedanz, verwendet werden könnten.
- Die Ladungsspeicheranordnung 190 arbeitet wie folgt. Wenn der Strahl 26 über die einzelnen Platten 192 und 194 der Anordnung 190 wobbelt, wird eine Ladung abgeschieden. Wenn:
- Q = CV
- wobei Q = Ladung
- C = Kapazität der Platte
- V = Spannung
- dann ist die beim Eingang jedes Verstärkers 196 erzeugte Spannung:
- V = Q/C
- Wenn es keine Ablenkung gibt, sind die Ausgaben der oberen und unteren Platten 192 und 194 gleich und löschen sich im Differentialverstärker 202 aus. Jedoch dann, wenn der Strahl in vertikaler Richtung abgelenkt wird, wird die Ladung auf einer Platte in einem Paar von oberen und unteren Platten 192 und 194 größer als die Ladung auf der anderen sein, was zu einem Unterschied in bezug auf die Eingaben zum Differentialverstärker 202 führt. Da die Kapazität der Platten 192 und 194 niedrig ist und die Eingangsimpedanz der Verstärker 196 sehr hoch ist, ergeben relativ geringe Änderungen in bezug auf die differentielle Ladung große Schwingungen bei der Ausgangsspannung des Differentialverstärkers 202. Somit ist der Wandler sehr empfindlich.
- Zum Decodieren der Ausgabe der Targetanordnung 36 kann man die Ausgänge 204 der Differentialverstärker 202 mit einem Multiplexer 206 verbinden. Der Multiplexer 206 hat mehrere auswählbare Eingänge 208, die durch Auswahlleitungen 210 ausgewählt werden, um eine Ausgabe 212 zu ergeben. Man könnte die Ausgabe der Targetanordnung 36 digitalisieren, bevor man sie zum Multiplexer 206 sendet, oder danach, und zwar in Abhängigkeit von der besonderen Anwendung und von einzelnen Entwurfsanforderungen.
- Die Projektion des Elektronenstrahls 26 auf die Targetanordnung 36 ist in Fig. 21 gezeigt. Diese Zeichnung zeigt die Elektronenkanonenanordnung, die Fokussieranordnung, die Vertikalablenkungsanordnung 28 und die Targetanordnung 36 zusammen mit den Verstärkern 196 und den Differentialverstärkern 202. Idealerweise ist die Breite des Strahls 26 nicht größer als die Breite einer einzelnen oberen oder unteren Platte 292 oder 294. Ein einzelnes Paar von oberen und unteren Platten 192 und 196 und ein zugehöriger Differentialverstärker sind in Fig. 22 gezeigt.
- Ein wichtiger Vorteil eines Verwendens eines differentiellen Systems, z. B. der Kombination von oberen und unteren Platten 192 und 194, besteht darin, daß virtuell irgendein Rauschen am Strahl 26 ausgelöscht wird. Darüber hinaus erlaubt es einem, nicht nur infinitesimale Ausmaße einer Ablenkung zu erfassen, sondern auch viel größere Schwingungen, was in einem sehr großen Dynamikbereich resultiert.
- Die oberen und unteren Platten 192 und 194 werden ihre Ladung nach jedem Sweep bzw. Wobbeldurchlauf des Strahls 26 beibehalten. Daher kann man die Ladungsspeicheranordnung 190 durch Legen der Platten auf Erde durch einen Schalter 214 entladen, nachdem die Ladung durch rauscharme Verstärker 196 gelesen worden ist oder nachdem der Strahl 26 einen gesamten Sweep bzw. Wobbeldurchlauf über die Targetanordnung 36 beendet hat.
- Wie es in Fig. 23 gezeigt ist, kann man andere Anordnungen für die Ladungsspeicheranordnung verwenden. Die Anordnung 250 in Fig. 23 hat gestapelte und sich überlagernde obere und untere Platten 252 und 254. Hier können die Platten 252 und 254 der Anordnung 250 ein mehrschichtiges Dünnfilmmuster sein, das auf einem geeigneten Substrat geätzt ist.
- Zum Anpassen an Unregelmäßigkeiten im horizontalen Sweep bzw. Wobbeldurchlauf, und zwar insbesondere bei höheren Frequenzen, kann man den Abstand von Platte zu Platte verändern. Ebenso kann man die Geometrie einzelner Platten einstellen, um andere Unregelmäßigkeiten zu kompensieren oder um eine nichtlineare symmetrische oder asymmetrische Übertragungsfunktion (z. B. eine sinusförmige, eine sägezahnförmige, eine logarithmische, eine exponentielle, etc.) zu liefern.
- Alternativ dazu könnte man eine Targetanordnung 36 mit einem einzelnen Ende verwenden, die ein absolutes Anzeigen des empfangenen Strahls ergibt. Beispielsweise könnte ein kontinuierlicher Streifen für die unteren Platten 194 (oder die oberen Platten 192) eingesetzt werden. Jede einzelne Platte würde einen Eingang zu einem einer Reihe von Verstärkern bilden, während der kontinuierliche Streifen den gemeinsamen Eingang oder Erdungseingang bilden würde. Weil diese Anordnung eine absolute und keine differentielle Ladung erfaßt, bietet sie eine reduzierte Leistungsfähigkeit und ist gegenüber Rauschen anfälliger.
- Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Targetanordnung 36, das in Fig. 24 gezeigt ist, verwendet eine Anordnung 220 von ladungsgekoppelten Vorrichtungspixeln 222. Die Anordnung 220 hat mehrere Spalten 224, die in vertikaler Richtung ausgerichtet sind, um ein Target zur Verfügung zu stellen, das dieselbe Ausrichtung wie der Querschnitt des Strahls 26 hat. Die Orientierung bzw. Ausrichtung könnte zur Anpassung an einen Elektronenstrahl mit einer anderen Ausrichtung bzw. Orientierung geändert werden. Jedes CCD-Pixel 222 liefert eine Ausgabe, die proportional zu der Ladung ist, die vom Strahl 26 empfangen wird.
- Es ist zu beachten, daß bei einer kommerziell erhältlichen CCD-Vorrichtung die Pixel rasterartmäßig in Zeilen angeordnet sind. Aufgrund der hier verwendeten vertikalen Ausrichtung werden die Zeilen Spalten genannt. Man kann eine speziell gefertigte Vorrichtung verwenden oder eine gewöhnliche CCD-Anordnung für diesen Zweck dieser Vorrichtung herstellen.
- Zum Bestimmen einer Strahlablenkung unter Verwendung der CCD-Anordnung 220 könnte man das Zentrum des Strahls in bezug auf die Elektronen- Hauptstrahlrichtung 20 anordnen. Um dies durchzuführen, würde man die folgende Berechnung durchführen:
- wobei
- id = Position des Zentrums;
- Nc = Anzahl von Elektronen, die durch ein gegebenes CCD-Pixel 222 empfangen werden;
- n = Anzahl von CCD-Pixeln 222 in einer Zeile 224; und
- i = ith-Pixel in der Anordnung bzw. im Feld.
- Somit ist die Stelle des Zentrums id die Summe der Produkte der Gesamtladung bei jedem Pixel und der Pixelanzahl, geteilt durch die Summe einer Ladung für die gesamte Anordnung 220. Der Ausdruck in Fig. 25 zeigt eine Abtastverteilung von Elektronen entlang der vertikalen Achse.
- Zum Lesen der CCD-Pixel 222 könnte man den Wert jeder CCD in einer horizontalen Zeile unter Verwendung von n Leitungen 228 austakten, die einen Multiplexer 226 versorgen. Der Multiplexer 226 würde die geeigneten Leitungen unter Verwendung seiner Auswahlleitungen 230 auswählen, um die CCD-Werte an seinem Ausgang 232 zu erzeugen. Weil die CCD-Pixel 222 beim Lesen automatisch entladen, ist es nicht nötig, die Anordnung 220 auf die Weise zu entladen, die bei der Ladungsspeicheranordnung 190 der Fig. 20 erforderlich ist.
- Wenn ein einzelner Kanal ausreichen würde, könnte man auf die Horizontalstufe 16 verzichten. Somit gäbe es nur einen Detektor und keine horizontale Bewegung des Strahls wäre erforderlich.
- Anstelle eines Verwenden von ladungsgekoppelten Vorrichtungen könnte man die Matrizenkonfiguration der CCD-Anordnung 220 unter Verwendung der geätzten kapazitiven Platten der Ladungsspeicheranordnung 190 zur Verfügung stellen. Ein geeigneter Ausgabe- und Decodierschaltkreis würde zur Verfügung gestellt werden.
- Bei einer anderen Anordnung wird ein Phosphorschirm zum Entwickeln eines Anfangsbildes des Elektronenstrahls 26 verwendet, der dann aufgeteilt und zu einer (binär) verzweigten CCD-Targetanordnung gerichtet wird. Wie es in Fig. 26 dargestellt ist, trifft der Strahl 26 auf einen mit Aluminium versehenen Phosphorschirm 500, der an der Vorderplatte 514 der Vakuumumhüllung 516 des Abtastwandlers 10 intern von der evakuierten Umhüllung angeordnet ist, was das Schirmbild 502 erzeugt, das in den Fig. 26 und 27 gezeigt ist. Es ist zu beachten, daß Elektronenstrahltargets, die andere als mit Aluminium versehene Phosphorschirme sind, wie beispielsweise Szintillatoren, verwendet werden könnten. Das Bild 502 auf dem Phosphorschirm 500 wird in der Form von Strahlen 518 projiziert, die durch eine Schirmbild-Fokussierlinse 504 fokussiert und zu einer Strahlaufteilungsanordnung 506 gerichtet werden.
- Die Strahlaufteilungsanordnung 506 hat drei Komponenten: einen Strahlteilerblock 508, einen oberen Reflexionswinkelblock 510 und einen unteren Reflexionswinkelblock 512. Der Strahlteilerblock 508 hat vier reflektierende Oberflächen 520, 522, 524 und 526. Der Strahlteilerblock 508 kann ein perfektes Quadrat relativ zur vertikalen Ebene des Strahls 26 sein. In diesem Fall sind die jeweiligen Winkel θ und φ jeweils 90º, und benachbarte Reflexionsoberflächen (520 und 522, 522 und 524, 524 und 526 und 526 und 520) sind in rechten Winkeln zueinander.
- Der obere Reflexionswinkelblock 510 und der untere Reflexionswinkelblock 512 haben jeweils zwei reflektierende Oberflächen 530 und 532 bzw. 540 und 542. Da die Winkel zwischen benachbarten reflektierenden Oberflächen 520, 522, 524 und 526 auf dem Strahlteilerblock 508 jeweils 90º sind, sind die Winkel zwischen reflektierenden Oberflächen 530 und 532 und reflektierenden Oberflächen 540 und 542 jeweils 90º.
- Wenn die jeweiligen Winkel θ und φ im Strahlteilerblock 508, im oberen Reflexionswinkelblock 510 und im unteren Reflexionswinkelblock 512 nicht 90º sind, sollten zumindest die gegenüberliegenden Oberflächen, z. B. die reflektierende Oberfläche 520 am Ablenkblock 508 und die reflektierende Oberfläche 530 am oberen Reflexionswinkelblock 510, parallel zueinander sein.
- Wenn die Strahlen 518 des Schirmbildes 502 in den Strahlteiler 506 eintreten, werden sie an der Stelle der Fokusebene 544 der Schirmbild-Fokussierlinse 504 durch den Strahlteilerblock 508 lateral aufgeteilt, wobei der obere Teil der Strahlen 550 über den Strahlteilerblock 508 läuft und der untere Teil der Strahlen 552 des Bildes 502 unter dem Block 508 verläuft, wie es in den Fig. 26 und 28 gezeigt ist. Weil der untere Reflexionswinkelblock 512 entlang des Strahlpfades 20 in bezug auf den oberen Reflexionswinkelblock 510 versetzt ist, kommen der obere und der untere Teil der Strahl 550 und 552 aus dem Strahlteiler 506 entfernt voneinander hervor. Das geteilte Bild, d. h. der obere und der Teil der Strahlen 550 und 552, verläuft dann durch eine Teilbild-Fokussierlinsenanordnung 556, die vor einer geteilten CCD- Anordnung 560 positioniert ist. Die Anordnung 560 ist an der Fokusstelle der Linse 556 für ein Bild positioniert, das zuerst bei der Fokusebene 554 der Schirmbild- Fokussierlinse 504 erscheint.
- Die geteilte CCD-Anordnung 560 hat eine obere CCD-Anordnung 562 und eine untere CCD-Anordnung 564, die um einen Abstand 566 voneinander getrennt sind. Es ist zu beachten, daß die obere und die untere Anordnung 562 und 564 nicht in dersel ben Ebene liegen müssen. Der obere und der untere Teil der Strahlen 550 und 552 resultieren in einem oberen und einem unteren Bild 568 und 570 auf jeweils der oberen und der unteren CCD-Anordnung 562 und 564. Die obere und die untere CCD- Anordnung 562 und 564 haben jeweils eine Vielzahl von Kanälen 568, und die Anordnungen haben jeweilige Ausgänge 576 und 578, die mit jeweiligen Eingängen eines Differentialverstärkers 580 verbunden sind, wie es in Fig. 29 gezeigt ist. Es ist angenommen, daß die geteilte CCD-Anordnung 260 eine eingebaute Schaltung zum getrennten Austakten der Ausgaben jedes Kanals 568 hat. Schließlich wird die Ausgabe des Differentialverstärkers 580 zu einem A-D-Wandler 582 geliefert, um die Ausgabe jedes der aus getrennten CCD-Anordnungskanäle 568 in ein digitales Signal umzuwandeln, das durch die diskreten digitalen Ausgänge 584 erscheint.
- Durch Bewegen von beiden der Reflexionswinkelblöcke 510 oder 512 weg vom Strahlteilerblock 508 unter Verwendung der jeweiligen oberen und unteren Schirmbildteil-Fokussiereinstellungen 590 und 594 wird der Pfad von jedem des oberen Teils der Strahlen 550 oder des unteren Teils der Strahlen 552 verlängert, was einem erlaubt, die einzelnen Teile an den jeweiligen oberen und unteren CCD- Anordnungen 562 und 564 genau zu fokussieren. Gleichermaßen kann durch Bewegen von einem der Reflexionswinkelblöcke 510 oder 512 in lateraler Richtung in bezug auf den Strahlpfad 20 und den Strahlteilerblock 508 unter Verwendung der jeweiligen oberen und unteren Schirmbildteil-Versatzeinstellungen 592 und 596 die vertikale Position der jeweiligen oberen und unteren Teile der Strahlen 550 und 552 an der jeweiligen oberen oder unteren CCD-Anordnung 562 oder 564 bewegt werden. Die oberen und unteren Schirmbildteil-Fokussiereinstellungen 590 und 594 und die oberen und unteren Schirmbildteil-Versatzeinstellungen 592 und 596 können schraubenartige Positioniervorrichtungen oder irgendeine geeignete Anordnung sein.
- Die Kombination der Strahlteilanordnung 506 und der geteilten CCD-Anordnung 560 bietet mehrere Vorteile. Als erstes gibt es eine signifikante Verstärkungsverbesserung gegenüber der Erfassung eines einheitlichen Strahls, da beim Laufen des Elektronenstrahls 26 durch den Phosphorschirm jedes Elektron im Strahl 26 viele Photo nenereignisse im Phosphor erzeugen wird, bis der Strahl vollständig dissipiert ist. Als zweites bewegt sie ungleich der GCD-Anordnung der Fig. 24 die CCD-Anordnung 260 und die differentielle Erfassung aus der evakuierten Umhüllung des Abtastwandlers 10 heraus. Als drittes wird deshalb, weil die Strahlen in zwei Teile aufgeteilt sind, ein viel größeres Schutzband für die CCD-Anordnung 260 erhalten, ohne ein virtuelles Totband, d. h. ohne Verlust im optischen Signal.
- Die Verstärkung des Abtastwandlers 10 unter Verwendung des Phosphorschirms 500 kann durch derartiges Schleifen der Schirmbild-Fokussierfinse 504, daß sie die Strahlen 518 des Schirmbildes 502 verstärkt, erhöht werden. Mit einer Vergrößerungslinse 504 wird die vertikale und die horizontale Ablenkung, und daher der Gewinn bzw. die Verstärkung, effektiv erhöht, ohne daß man die Verstärkung in den Vertikal- oder Horizontalstufen 14 und 16 erhöhen muß. Tatsächlich könnte man die Länge der Vertikalablenkungsanordnung 28 verkürzen und noch die erwünschte Signalauflösung erreichen. Darüber hinaus wird die verkürzte Anordnung 28 eine erhöhte Bandbreite ergeben.
- Normalerweise trifft der Strahl 26 mit im wesentlichen voller Kraft auf das Target. Wenn der Abtastwandler 10 nicht im Einsatz ist, gibt es keine Ablenkung des Strahls 26. Wenn der Strahl 26 zu einer solchen Zeit in bezug auf seine Stärke nicht gesperrt oder signifikant reduziert ist, könnte er das Target zerstören oder sich in dieses einbrennen. Ein solcher Effekt ist nicht ungleich der Löcher und Linien, die bei einem herkömmlichen Oszilloskop in Phosphor eingebrannt werden, das mit dem Strahl bei einer vollen Intensität und einer Nullablenkung gelassen wird.
- Zum Wirken gegen die verschlechternden Effekte eines stetigen nicht abgelenkten Strahls 26 ist eine Strahlparkanordnung vorgesehen. Wie es in Fig. 19 gezeigt ist, ist eine Strahlwanne 600 bei dem Zentrum bzw. in der Mitte der Targetanordnung 46 positioniert, und zwar im wesentlichen bei der Stelle, wo der Strahl 26 bei einer hori zontalen und vertikalen Ablenkung von Null ist, um den Strahl 26 einzufangen. Die Strahlwanne 600 würde solche Abmessungen haben müssen, daß der gesamte Querschnitt des Strahls 26 gefangen wird. Ein Strahltarget 602 in der Strahlwanne 600 ist mit einer Unterdrückungsspannungsleitung 610 verbunden, die wiederum bei einem Spannungsabgriff 622 mit einer Hochspannungsversorgung 620 verbunden ist.
- Der Hauptzweck der Leistungsversorgung 620 besteht im Liefern der Spannung, die zum Antreiben des Strahls 26 nötig ist. Für diese Funktion ist sie durch eine negative Rückführung 624 mit der Elektronenkanonenanordnung 22 und durch eine Hochspannungsleitung 626 mit der Targetanordnung 36 verbunden. Der Spannungsabgriff 622 kann angeordnet sein, um ein Potential an dem Strahltarget 602 vorzusehen, das x % der Spannung, z. B. 10%, an der Targetanordnung 36 ist.
- Die Vorteile dieser Anordnung bestehen darin, daß sie eine Dissipation absenken wird, die Notwendigkeit für eine Torsteuerung des Strahls 26 eliminieren wird (sie ausschließen) und die Leistungsanforderungen der Hochspannungsversorgung 622 absenken wird. Vorausgesetzt, daß der Strahl 26 auf das Strahltarget 602 fokussiert wird, wenn der Strahl 26 bei einer Nullablenkung ist, wird eine Dissipation innerhalb des Abtastwandlers 10 reduziert. Weil die Energie im Strahl 26 unendlich lang neu zirkulieren kann, gibt es keine Notwendigkeit zum Abschalten des Strahls 26 oder zum Vorsehen eines Austastimpulses zum Erreichen eines Ausschaltens. Schließlich sind die Anforderungen für die Hochspannungsversorgung 620 lockerer, weil der Stromfluß während einer Nichtverwendung (d. h. einer Nullablenkung) minimal ist, vorausgesetzt, daß die Differenz zwischen der Spannung am Strahltarget 602 und der zur Elektronenkanonenanordnung 22 gelieferten Spannung relativ klein ist. Der einzige signifikante Leistungsverbrauch tritt während Perioden einer Ablenkung auf, und dieser ist größtenteils ein Momentanstrom, wobei der Durchschnitt wiederum relativ klein ist.
Claims (36)
1. Abtastwandler, der folgendes aufweist: eine Einrichtung (12) zum
Erzeugen eines Energiestroms in der Form eines Strahls (26) einer
vorbestimmten Form, eine Targetanordnung (36), die den Strahl
empfängt, eine Einrichtung (24) zum Leiten des Strahls in Richtung
zum Target und eine Ablenkeinrichtung (14) zum Ablenken des
Strahls in wenigstens einer Richtung relativ zum Target, wobei die
Ablenkeinrichtung folgendes enthält: eine Einrichtung (30) zum
Annehmen eines elektrischen Eingangssignals und eine Einrichtung
(28) zum Verwenden des elektrischen Eingangssignals, um die
Ablenkung zu beeinflussen, dadurch gekennzeichnet, daß die
Targetanordnung (36) folgendes aufweist: wenigstens zwei Komponenten
(192, 194; 252, 254; 220), die in Übereinstimmung mit der
Formgebung des Strahls geformt sind und voneinander in der wenigstens
einen Richtung versetzt sind und jeweils ein jeweiliges elektrisches
Ausgangssignal liefern können, das ihre Schnittstelle mit dem Strahl
anzeigt, eine Einrichtung (z. B. 228) zum Ableiten der jeweiligen
Ausgangssignale von den Komponenten und eine Einrichtung (202;
204, 196, 226, 206) zum Verwenden der Differenz zwischen den
Ausgangssignalen, um eine Anzeige eines Parameters des
Eingangssignals zu liefern.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Target
(36) eine Matrix (190, 220, 250, 560) von
Ladungsdetektorelementen ist.
3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix
von Detektorelementen eine lineare Matrix ist.
4. Gerät nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Detektorelemente einzeln abgeschlossen sind.
5. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Detektorelemente Differential-Detektorelemente sind.
6. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Einrichtung (12) zum Erzeugen eines
Energiestrahls eine Einrichtung (22) zum Erzeugen eines Flächenstrahls
enthält.
7. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Einrichtung (12) zum Erzeugen eines
Energiestrahls eine Einrichtung (24) zum Fokussieren des Strahls in nur
einer Richtung enthält.
8. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtung (12) zum Erzeugen eines Energiestrahls eine
Einrichtung (22) zum Erzeugen eines Strahls (26) mit einem
annähernd rechteckigen Querschnitt enthält.
9. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtung (12) zum Erzeugen eines Energiestrahls eine
Einrichtung (22) zum Erzeugen eines Strahls mit einem elliptischen
Querschnitt enthält.
10. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Einrichtung (14) zum Ablenken eine Einrichtung
(50) zum Synchronisieren des Eingangssignals mit dem Strahl
enthält.
11. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Einrichtung (14) zum Ablenken eine Einrichtung
(58) zum selektiven Verzögern des Eingangssignals enthält.
12. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Einrichtung (14) zum Ablenken wenigstens eine
bandbreitenspezifische Einrichtung (60, 80, 110) zum Ablenken des
Strahls in Antwort auf einen entsprechenden
bandbreitenspezifischen Teil des Eingangssignals enthält.
13. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtung (14) zum Ablenken eine Vielzahl von
bandbreitenspezifischen Einrichtungen (60, 80, 110) zum Ablenken des
Strahls in Antwort auf entsprechende bandbreitenspezifische Teile
des Eingangssignals enthält.
14. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Einrichtung (14) zum Ablenken eine
Schraubenlinienstruktur (60) langsamer Schwingung enthält.
15. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtung (14) zum Ablenken eine Streifenleitungsstruktur
(80) langsamer Schwingung enthält.
16. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtung (14) zum Ablenken eine Wellenleiterstruktur
(110) langsamer Schwingung enthält.
17. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtung (14) zum Ablenken wenigstens einen
Mikrostreifen (300) enthält.
18. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet
durch eine Ablenk- bzw. Wobbeleinrichtung (16) zum Ablenken des
Strahls in einer Dimension, die nicht parallel zu der Ablenkung
entsprechend dem Eingangssignal ist.
19. Gerät nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die
Einrichtung (16) zum Ablenken des Strahls in einer Dimension, die nicht
parallel zu der Ablenkung entsprechend dem Eingangssignal ist,
eine elektrostatische Einrichtung (400, 402) enthält, die durch einen
Elektronenstrahl erregt wird.
20. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Target (36) eine Einrichtung (190) zum Speichern
einer Ladung enthält.
21. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Target (36) folgendes enthält:
eine Einrichtung (192) zum Erfassen des Elektronenstrahls
bei einer ersten Stelle und zum Liefern einer Ausgabe, die das
Erfassen darstellt;
eine Einrichtung (194) zum Erfassen des Elektronenstrahls
bei einer zweiten Stelle und zum Liefern einer Ausgabe, die das
Erfassen darstellt; und
eine zugehörige Einrichtung (202) zum Vergleichen der
Ausgaben der zwei Einrichtungen.
22. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Target (36) eine Einrichtung (220) zum Erfassen
einer Ladung bei einer Vielzahl von Stellen enthält.
23. Gerät nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die
Einrichtung (220) zum Erfassen eine Matrix (222) von ladungsgekoppelten
Vorrichtungen ist.
24. Gerät nach Anspruch 22 oder Anspruch 23, dadurch
gekennzeichnet, daß das Target (36) eine Einrichtung (226, 230) zum
Vergleichen der Ausgaben der Einrichtung zum Erfassen einer Ladung
enthält.
25. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Energiestrahl (26) einen Querschnitt hat, und
wobei die Einrichtung zum Erfassen und zum Speichern eine
Einrichtung (508, 510, 512) zum Unterteilen des Querschnitts des
Energiestroms in wenigstens zwei Teile (550, 552) enthält.
26. Gerät nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Target
(36) eine Einrichtung (500) zum Entwickeln eines Zwischenbildes
(502) des Querschnitts des Energiestrahls enthält, und wobei die
Einrichtung (508, 510, 512) zum Unterteilen des Energiestrahls in
wenigstens zwei Teile eine Einrichtung zum optischen Auftrennen
des Bildes enthält.
27. Gerät nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß das Target
(36) eine Einrichtung (504) zum Vergrößern des Zwischenbildes
enthält.
28. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Einrichtung (14) zum Ablenken eine Vielzahl von
Vertikalablenkeinheiten (60, 80, 110) enthält, die jeweils für einen
Einsatz in einem gegebenen Frequenzband optimiert sind.
29. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Eingangssignal ein Funkfrequenzsignal mit einer
Phasengeschwindigkeit ist und die Einrichtung (14) zum Ablenken
die Phasengeschwindigkeit des Funkfrequenzsignals an diejenige
des abzulenkenden Elektronenstrahls anpaßt, um dadurch eine
extrem große Signalbandbreite zur Verfügung zu stellen.
30. Gerät nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die
Einrichtung zum Ablenken (14) eine differentiell ausgeglichene
Mikrostreifen-Ablenkeinheit (350) zum Anpassen der Phasengeschwindigkeit
des Funkfrequenzsignals an diejenige des abzulenkenden
Elektronenstrahls enthält, um eine extrem große Signalbandbreite zur
Verfügung zu stellen.
31. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl (26) ein primärer Elektronenstrahl
ist und Einrichtungen (16) zum Ablenken des Elektronenstrahls in
einer Richtung vorgesehen sind, die im wesentlichen rechtwinklig zu
der wenigstens einen Richtung ist, in welcher die Ablenkung des
Elektronenstrahls durch das Eingangssignal beeinflußt wird, wobei
das Gerät weiterhin einen zweiten Elektronenstrahl (406) und ein
Steuersignal zum Initiieren des zweiten Elektronenstrahls erzeugt
und eine Durchlaßeinrichtung (124) aufweist, die den zweiten
Elektronenstrahl in Antwort auf das Steuersignal durchlassen kann,
wobei der zweite Elektronenstrahl eine erste (402) eines Paars von
Leitungsplatten lädt, wobei eine zweite (400) der Platten auf einem
festen Potential ist, um dadurch zu veranlassen, daß ein in bezug
auf die Zeit linear anwachsendes elektrisches Feld zwischen dem
Paar der Leitungsplatten existiert.
32. Gerät nach Anspruch 31, das weiterhin gekennzeichnet ist durch
eine Einheit zum Niederdrücken eines Strahls (602, 610) zum
Minimieren von Systemleistungsanforderungen, wenn der primäre
Elektronenstrahl bei einer anderen als entlang einer Achse abgetastet
wird, die im wesentlichen rechtwinklig zu der Ablenkachse des
Eingangssignals ist.
33. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Parameter die Amplitude des Eingangssignals ist.
34. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Target
(36) eine Matrix (222) aus ladungsgekoppelten Vorrichtungen
aufweist.
35. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Target
(36) eine Gruppe von Platten (192, 194) und Verstärkern (196)
aufweist.
36. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Target
(36) einen Phosphorbildschirm (500) aufweist, der ein Bild (502) des
Strahls entwickelt, und eine Einrichtung (508, 510, 512) zum
Auftrennen des Bildes und zum Lenken des aufgeteilten Bildes zu
einem binär verzweigten Target (566) aus einer ladungsgekoppelten
Vorrichtung.
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