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Die Erfindung bezieht sich auf eine Mikrowellenantenne für die Erzeugung eines
Antennenstrahlenbündels mit einstellbaren Parametern, mit einer Halbleiterplatte, einer
aktiven Mikrowellenstrahlungsquelle und wenigstens einer Lichtquelle zur Erzeugung
von Fresnel-Zonen in der Halbleiterplatte.
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Eine Mikrowellenantenne dieser Art ist in WO-A-93/26059 beschrieben. Die in
diesem Dokument beschriebene Antenne arbeitet in einem Durchlaßmodus, bei dem
bestrahlte Teile der Halbleiterplatte die Mikrowellenstrahlung beim Durchgang dämpfen.
Der Nachteil dieser bekannten Antenne besteht darin, daß 3 dB der einfallenden
Mikrowellenstrahlung absorbiert und reflektiert und somit unbenutzt bleibt. In einem
Radarsystem, das diese Mikrowellenantenne enthält, führt dies zu einem 6 dB-Systemverlust,
nämlich 3 dB beim Senden und 3 dB beim Empfang der von einem Ziel reflektierten
Strahlung. Da Mikrowellenantennen dieser Art besonders für Anwendungen bei höheren
Frequenzen geeignet sind, bei denen Mikrowellengeneratoren teuer sind und eine
begrenzte Leistung haben, ist dieser 6 dB-Verlust ein schwerwiegender Nachteil.
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Zusätzlich sind solche Verluste oft die Ursache für das Auftreten unerwarteter
Nebenkeulen des Antennensystems über Mehrfachreflexionen. Es ist daher besonders
wichtig, tatsächlich die gesamte im Antennenstrahlungsbündel verfügbare Energie
auszusenden.
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Mit Hilfe der Erfindung werden diese Nachteile überwunden, und sie ist dadurch
gekennzeichnet, daß die Halbleiterplatte und die Mikrowellenstrahlungsquelle so
angeordnet sind, daß sie im Reflexionsbetrieb das Strahlenbündel erzeugen, und daß die
mikrowellenreflektierende Fläche hinter der Halbleiterplatte angebracht ist, um die von
der Halbleiterplatte durchgelassene Mikrowellenstrahlung zu reflektieren. Dies macht es
möglich, daß der Teil der Mikrowellenstrahlung, der ursprünglich nicht zur
Strahlenbildung beitragen konnte, doch noch benutzt wird.
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Aus WO-A- 90/07199 ist eine Fokussierungsvorrichtung bekannt, die mit
metallbeschichteten Fresnel-Zonen versehen ist und im Durchlaßbetrieb oder im
Reflexionsbetrieb arbeitet. Für ein Arbeiten im Durchlaßbetrieb ist eine hinter der
Fokussierungsvorrichtung angeordnete mikrowellenreflektierende Fläche offenbart.
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Aus DE-A-3,801,301 ist eine Fokussierungsvorrichtung bekannt, die mit aus Metall
bestehenden Fresnel-Zonen ausgestattet ist und die im Reflexionsbetrieb arbeitet. Die
bekannte Vorrichtung weist eine mikrowellenreflektierende Fläche auf, die hinter der
Fokussierungsvorrichtung angeordnet ist.
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Aus US-A- 5,305,123 ist eine Mikrowellenantenne bekannt, bei der eine Lichtwelle
die komplexe Brechungs-Dielektrizitätskonstante einer den Reflektor bildenden
Halbleiterscheibe moduliert. Bei der bekannten Vorrichtung wird eine Vorderseite der Scheibe
dazu benutzt, mit der Mikrowellenstrahlung in Wechselwirkung zu treten, während die
Rückseite zum Empfangen der Lichtwelle benutzt wird.
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Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der
Abstand zwischen der Fresnel-Zonen-Platte und der mikrowellenreflektierenden Fläche
im wesentlichen ein Viertel der Wellenlänge der Mikrowellenstrahlung beträgt. Diese
vorteilhafte Auswahl ermöglicht es, im wesentlichen die gesamte Mikrowellenstrahlung
auszunutzen.
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Für gewisse Anwendungen, beispielsweise in der Nase eines Flugzeugs, kann es
vorteilhaft sein, die Lichtquelle hinter der Fresnel-Zonen-Platte anzuordnen. Dies kann
dadurch bewirkt werden, daß die mikrowellenreflektierende Fläche so ausgestaltet wird,
daß sie für die von der Lichtquelle ausgehende Strahlung durchlässig ist.
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Die auf diese Weise erhaltene Mikrowellenantenne kann zumindest im Hinblick auf
die zur Verfügung stehende Energie erfolgreich mit der sehr viel teureren
phasengesteuerten Gruppenantenne konkurrieren, deren reflektierende Fläche durch mehrere
phasensteuerbare Elemente gebildet ist. Damit sie auch im Hinblick auf den Nebenkeulenpegel
konkurrieren kann, werden Anzeigevorrichtungen benötigt, die die Fresnel-
Zonen mit einem extrem hohen Genauigkeitsgrad anzeigen. Das Problem, das dabei
auftreten kann, besteht darin, daß Ungenauigkeiten der geschriebenen Fresnel-Zonen
durch die reflektierende Fläche tatsächlich verstärkt werden. Eine weitere vorteilhafte
Ausführung der Mikrowellenantenne nach der Erfindung ist daher dadurch
gekennzeichnet, daß die mikrowellenreflektierende Fläche eine zweite Halbleiterplatte und eine
zweite Lichtquelle umfaßt, um im wesentlichen komplementäre Fresnel-Zonen auf der
zweiten Halbleiterplatte zu erzeugen.
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Da sich der Abstand zur Mikrowellenstrahlungsquelle für die Fresnel-Zonen-Platte
und die zweite Fresnel-Zonen-Platte ändert, sind die zwei Fresnel-Zonen nicht exakt
komplementär. Eine Folge besteht darin, daß die Zonen am Rand des Systems der
Fresnel-Zonen-Platten eine geringfügige Abweichung und möglicherweise sogar eine
Überlappung zeigen. Um dies zu verhindern, können die Fresnel-Zonen mit einer Breite
geschrieben werden, die 60-80% der berechneten Breite beträgt. Dies verhindert
außerdem eine mögliche Überlappung als Ergebnis einer Verbreiterung der Fresnel-
Zonen wegen der Diffusion freier Ladungsträger in dem Halbleitermaterial.
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Beim Berechnen der zur Erzielung einer bestimmten Ablenkung erforderlichen
Fresnel-Zonen ist es vorteilhaft, nur den von der Breitseite abweichenden Winkel in die
Berechnung einzubeziehen und das berechnete Fresnel-Muster dann zu drehen, so daß
das im Raum erforderliche Strahlungsbündel erhalten wird. Dies macht es erforderlich,
daß die Mikrowellenstrahlungsquelle ein Feld mit radialer Symmetrie erzeugt. Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist daher dadurch gekennzeichnet,
daß die Mikrowellenstrahlungsquelle mit einem Speisehorn zur Erzeugung einer
zumindest im wesentlichen sphärischen Wellenfront versehen ist, auf die, wie es beim
Anstrahlen einer Antenne üblich ist, eine Gewichtung angewendet worden ist.
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Zur Verwirklichung einer Mikrowellenantenne mit niedrigem Nebenkeulenpegel ist
es üblich, dem Speisehorn zu erlauben, auf der Antennenfläche eine Gewichtung
vorzunehmen, die einerseits die Breite des Antennenstrahlenbündels nicht übermäßig
vergrößert und andererseits die Nebenkeulen reduziert. Ein zusätzliches Argument für den Fall
der hier beschriebenen Antenne besteht darin, daß in der Nähe des Randes der Antenne
die Fresnel-Konturen sehr eng beieinanderliegen können und daß die erforderliche
Genauigkeit am Rand am schwersten zu erzielen ist. Dies gilt besonders für
Antennenstrahlungskeulen nahe der Breitseite, wo die Fresnel-Konturen aus einem System
konzentrischer Kreise bestehen. Es ist dann von Bedeutung, daß das Speisehorn eine
geeignete Gewichtung für das Anstrahlen der Anordnung aus Fresnel-Zonen-Platten
erlaubt, so daß das Strahlungsfeld am Antennenrand praktisch Null ist.
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Ein weiterer wichtiger Parameter für die Mikrowellenantenne nach der Erfindung
betrifft den Abstand zwischen dem Speisehorn und der Anordnung der Fresnel-Zonen-
Platten. Einerseits soll der Abstand weit sein, da das Konzept komplementärer Fresnel-
Zonen für die erste Fresnel-Zonen-Platte und die zweite Fresnel-Zonen-Platte nur für
einen großen Abstand gilt. Andererseits soll der Abstand kurz sein, da im Fall von von
der Breitseite weggerichteten Antennenstrahlenbündeln die Fresnel-Konturen kein
System konzentrischer Kreise mehr bilden und sich folglich komplexe, eng
beieinanderliegende Konturen gegen die Mitte der Fresnel-Zonen-Platten bewegen, wo die günstige
Wirkung der vom Speisehorn durchgeführten Gewichtung nicht mehr bemerkbar ist.
Eine Änderung der Konturen ist am wenigsten bemerkbar, wenn sich das Speisehorn
nahe der Anordnung aus Fresnel-Zonen-Platten befindet. Eine weitere vorteilhafte
Ausführungsform der Erfindung ist daher dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand
zwischen dem Speisehorn und der Anordnung aus Fresnel-Zonen-Platten der 30-70-
fachen Wellenlänge der Mikrowellenstrahlung entspricht.
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Die Erfindung wird nun weiter unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren
erläutert, in denen:
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- Fig. 1 in schematischer Form eine mit einer Fresnel-Zonen-Platte, einem Laser
und einer reflektierenden Fläche ausgestattete Mikrowellenantenne zeigt;
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- Fig. 2 in schematischer Form eine mit einer Fresnel-Zonen-Platte, einem Laser
und einer für Laserstrahlung durchlässigen reflektierenden Fläche zeigt;
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- Fig. 3 in schematischer Form eine mit zwei Fresnel-Zonen-Platten und zwei
Lasern versehene Mikrowellenantenne zeigt.
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In Fig. 1 wird eine Fresnel-Zonen-Platte 1 von einem Speisehorn 2 angestrahlt, das
mit einem (nicht dargestellten) Mikrowellengenerator oder einem (nicht dargestellten)
Mikrowellenempfänger oder mit beiden über eine bekannte Sende/Empfangs-
Vorrichtung verbunden ist. Da der Betrieb der Antenne reziprok ist, wird nur die
Situation betrachtet, bei der das Speisehorn 2 mit einem Mikrowellengenerator
verbunden ist. Die Fresnel-Zonen-Platte 1 ist mit Fresnel-Zonen versehen, die auf die
Platte als reflektierende Abschnitte mit einem beträchtlichen Anteil freier Ladungsträger
beispielsweise mit Hilfe eines Lasers 3 aufgebracht sind, der mit Ablenkmitteln versehen
ist. Die Ablenkmittel sind mit einer hier nicht dargestellten Steuervorrichtung verbunden,
die üblicherweise einen digitalen Computer zum Berechnen der Fresnel-Zonen und zum
dementsprechenden Steuern der Ablenkmittel versehen sind. Die Fresnel-Zonen-Platte 1
ist aus einem Festkörpermaterial, beispielsweise Silicium, hergestellt. Als Laser kann ein
Nd-Yag oder ein Festkörperlaser verwendet werden, der mit bekannten
akustischoptischen Ablenkmitteln versehen ist. Die Wellenlänge des Lasers sollte ausreichend
kurz sein, um in dem Silicium freie Ladungen zu erzeugen. Das Antennenstrahlenbündel
wird im Reflexionsbetrieb erzeugt, so daß es vorteilhaft sein kann, das Speisehorn 2 in
einer geringfügig versetzten Position anzuordnen, damit die durch den Schatten des
Speisehorns 2 erzeugten Antennenseitenkeulen minimiert werden. Etwa die Hälfte der
Mikrowellenstrahlung durchdringt die Fresnel-Zonen-Platte 1 und wird über eine
Mikrowellenstrahlung reflektierende Fläche 4 reflektiert, um zur Bildung des
Antennenstrahlenbündels beizutragen. Da der mittlere Phasenfehler der durchgelassenen
Mikrowellenstrahlung 180 Grad beträgt, ist es vorteilhaft, die reflektierende Fläche 4 im
Abstand eines Viertels der Wellenlänge der Mikrowellenstrahlung hinter der Fresnel-
Zonen-Platte anzuordnen. Auf diese Weise ist im wesentlichen die gesamte auf die
Fresnel-Zone aufgebrachte Mikrowellenstrahlung im Antennenstrahlenbündel enthalten.
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Es ist auch möglich, die Fresnel-Zonen mit Hilfe einer zweidimensionalen Matrix aus
Festkörperlasern oder einer zweidimensionalen Matrix aus Leuchtdioden und einer Linse
aufzubringen, wie in WO 93126059-A1 beschrieben ist. Wenn geringe
Antennennebenkeulen erforderlich sind, hat dies den Nachteil, daß zur Erzielung der erforderlichen
Auflösung für die Fresnel-Zonen eine große Anzahl von Lasern und Leuchtdioden
erforderlich ist.
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In Fig. 2 wird die Fresnel-Zonen-Platte 1 ebenfalls durch das Speisehorn 2
angestrahlt, obgleich hier die Mikrowellenstrahlen reflektierende Fläche 4 so ausgestaltet
ist, daß sie für die Strahlung vom Laser 3 durchlässig ist. Dies kann beispielsweise
dadurch erzielt werden, daß die reflektierende Fläche 4 in Form mehrerer paralleler
Drähte ausgeführt ist, die in einer Ebene angeordnet sind. Wenn eine solche Ebene mit
polarisierter Mikrowellenstrahlung angestrahlt wird, deren Polarisierungsrichtung
parallel verläuft, ist die Reflexion praktisch vollständig. Dies hat den Vorteil, daß der Laser 3
hinter der reflektierenden Fläche 4 angeordnet werden kann, was eine kompakte
Konstruktion beispielsweise in der Nase eines Flugzeugs ermöglicht.
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Das Prinzip der Fresnel-Zonen-Platte ist beispielsweise in "Fundamentals of Optics",
dritte Auflage, 1957, Jenkins und White, Seite 360, beschrieben, wo auch analytische
Ausdrücke zum Berechnen von Fresnel-Zonen enthalten sind. Daraus ergibt sich, daß die
Fresnel-Zonen vom Abstand zwischen dem Speisehorn 2 und der Fresnel-Zonen-Platte 1
abhängen. Dies bedeutet, daß die Fresnel-Zonen auf der reflektierenden Fläche 4 nicht
exakt sind, da es sich bei ihnen in Wirklichkeit um die inversen Fresnel-Zonen der
Fresnel-Zonen-Platte handelt. Dies kann der Anlaß für das Auftreten von Nebenkeulen
sein. Wie in Fig. 3 dargestellt ist, kann die reflektierende Fläche 4 vorteilhafterweise als
zweite Fresnel-Zonen-Platte ausgeführt sein, auf der die Fresnel-Zonen mit Hilfe des
komplementären Anzeigemittels 5 gemäß der Berechnung geschrieben werden können.
Um diesen Vorteil auszunutzen, kann die Breite der Fresnel-Zonen geringfügig reduziert
werden, um eine Überlappung zwischen den geringfügig abweichenden Fresnel-Zonen
zu verhindern. Da die Mikrowellenstrahlung an den Rändern der Fresnel-Zonen um 90
Grad gegenüber den mittleren Abschnitten der Fresnel-Zonen verschoben ist, bringt dies
kaum Verluste mit sich.
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Zur Erzeugung eines Antennenstrahlenbündels mit einer vorbestimmten Richtung
muß eine geeignete Anordnung der Fresnel-Zonen berechnet und auf die Fresnel-Zonen-
Platten aufgebracht werden. Die Berechnung der Fresnel-Zonen ergibt sich direkt aus der
bekannten Fresnel-Theorie auf der Basis sphärischer Wellenfronten. Für eine in
Vorwärtsrichtung blickende Antenne mit einem zentral vor einer Fresnel-Zonen-Platte
angeordneten Speisehorn bestehen die Fresnel-Zonen aus einem scheibenförmigen
zentralen Fleck, der von einer Anzahl konzentrischer Kreise umgeben ist, wobei der
Radius des Kreises m parallel zur Quadratwurzel von m ist. Die Kreise werden folglich
enger und kommen näher zueinander. Für eine Antenne, die nicht senkrecht zur
Antennenebene verläuft oder für ein versetztes Speisehorn erscheinen diese Kreise mit einer
Veränderung zu komplexen, mehr oder weniger elliptischen Konturen. Für jede Richtung
können die Konturen einfach dadurch berechnet werden, daß die Fläche der zu
bestimmenden Fresnel-Zonen-Platte in eine Gruppe von Elementen unterteilt wird und pro
Element die Weglänge der die das Speisehorn verlassenden Mikrowellenstrahlung über
das Element zu einer Referenzebene senkrecht zur gewünschten Strahlungsrichtung
bestimmt wird. Die Elemente, für die diese Weglänge um nicht mehr als 1/4 der
Wellenlänge von einer auszuwählenden Referenzlänge, beispielsweise dem Abstand der
Referenzebene zum Zentrum der Fresnel-Zonen-Platte abweicht, werden reflektierend
gemacht und bilden somit die Fresnel-Zonen-Platte. Offensichtlich werden die
Weglängen modulo Wellenlänge der Mikrowellenlänge bestimmt.
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Zur Reduzierung der Reflexion der Mikrowellenstrahlung an für
Mikrowellenstrahlung nicht aktiviertem Silicium kann auf das Silicium eine
Antireflexionsbeschichtung aufgebracht werden. Diese Beschichtung kann auch als Trägerstruktur für
das Silicium dienen, das üblicherweise eine geringe Dicke beispielsweise in der
Größenordnung von 100 Mikrometer haben kann.
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Bei Verwendung von reinem Silicium kann die Trägerlebensdauer freier Ladungen
im Silicium einige Millisekunden betragen. Es kann dann genügen, das mittels Laser
geschriebene Bild jede Millisekunde aufzufrischen. Falls erforderlich kann die
Trägerlebensdauer freier Ladungen durch Dotieren des Siliciums reduziert werden. Zusätzlich
wird dadurch die Diffusion freier Ladungen im Silicium reduziert, wobei die Diffusion
dazu neigt, Fresnel-Zonen-Ränder unschärfer zu machen und die Fresnel-Zonen zu
verbreitern. Ein ähnlicher Effekt kann dadurch erhalten werden, daß das Silicium dünn
gewählt und nicht passiviert wird oder daß das Silicium einer Oberflächenbehandlung
unterzogen wird, die die Oberflächenrekombination verstärkt.
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Beim Auswählen einer Gewichtungsfunktion zum Anstrahlen der Fresnel-Zonen-
Platte mit Mikrowellenstrahlung ist es vorteilhaft, eine Gewichtungsfunktion auszuwählen,
die am Rand der Fresnel-Zonen-Platte klein wird. Diese Auswahl ist in der
Technik üblich, jedoch hat die vorliegende Erfindung den zusätzlichen Vorteil, daß sie
die relative Bedeutung des Randes der Fresnel-Zonen-Platte herabsetzt, wo die Fresnel-
Zonen schmal sind und eng beieinanderliegen.
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Beim Berechnen der Fresnel-Zonen kann eine sphärische Referenzfläche senkrecht
zur Strahlungsrichtung eine annehmbare Alternative für eine ebene Referenzfläche sein.
Das resultierende Radarstrahlenbündel divergiert dann mehr. Es kann somit ein breiteres
Strahlenbündel gewählt werden, was während einer Suchabtastung in der
Erfassungsphase eines Verfolgungsradars vorteilhaft sein kann, das mit der erfindungsgemäßen
Mikrowellenantenne ausgestattet ist.