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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zum Messen des elektrischen Feldes, die insbesondere
für die
Prüfung
von Radarantennen verwendet werden kann. Allgemein wird sie für Messungen
elektrischer Felder verwendet, die von der gesamten Oberfläche abgestrahlt
werden, wobei diese Messungen während
der Prüfzeit
oder während der
Betriebszeit so ausgeführt
werden, daß sie
keine Störungen
der abgestrahlten Felder mit sich bringen.
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Auf dem Gebiet der Radarantennen
mit elektronischer Abtastung werden derzeit mehrere elektrische
Systeme verwendet. Es kann sich insbesondere um kleine Ultrahochfrequenz-Empfangstrichter handeln,
die dazu bestimmt sind, das auf der Höhe der Antennen abgestrahlte
elektrische Feld zu erfassen, wobei das auf diese Weise erfaßte elektrische Signal über Anschlußkabel bis
zu dem Meßgerät transportiert
wird. Das Problem, das sich durch diesen Typ von Vorrichtung stellt,
besteht in der Schwierigkeit, Meßelemente vorzusehen, die so
klein wie möglich
sind, und darin, die Störungen
der Messung durch die Gegenwart der Anschlußkabel zu vermeiden.
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Das Dokument
US 5 434 698 beschreibt eine elektrooptische
Vorrichtung, die elektrooptische Schichten und eine reflektierende
Schicht umfaßt.
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Um insbesondere das Problem der Störung durch
die Vorrichtungen zur Messung des elekrischen Feldes, die in die
Nähe einer
Antenne gebracht werden, zu lösen,
hat die Erfindung eine elektrooptische Vorrichtung zum Messen des
elektrischen Feldes zum Gegenstand, die eine Lichtwelle und ein
elektrooptisches Material verwendet, dessen Brechungsindex sich
unter dem Einfluß eines
elektrischen Feldes ändern
kann.
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Genauer hat die Erfindung eine Vorrichtung zum
Messen des elektrischen Feldes in der Umgebung einer Oberfläche S zum
Gegenstand, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:
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- – ein
erstes Element E1, das auf die Oberfläche S aufgebracht
ist und die Zusammenlagerung einer Schicht C1 aus
einem elektrooptischen Material und einer katadioptrischen Schicht
C2 umfaßt;
- – ein
zweites Element E2, das unabhängig von
der Oberfläche
S ist und Mittel zum Senden einer Lichtwelle sowie Mittel zum Erfassen
der Lichtwelle, die von der katadioptrischen Schicht des ersten
Elements E1 reflektiert wird, umfaßt.
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Die Schicht aus elektrooptischem
Material kann vorteilhaft ein polarisierter Film aus einem elektrooptischen
Polymer sein.
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Einer der Vorteile der Vorrichtung
der Erfindung besteht in ihrer Einfachheit, die insbesondere durch
das Element E2 sichergestellt wird, das
die Mittel zum Ausstrahlen der Lichtwelle mit den Mitteln zum Erfassen
der reflektierten Lichtwelle kombiniert, wodurch es leicht möglich ist,
die Gesamtheit der Oberfläche
S, von deren abgestrahltem elektrischem Feld Kenntnis erlangt werden
soll, abzutasten, da in dem Element E1 eine
katadioptrische Schicht vorliegt, die so beschaffen ist, daß sie einen
einfallenden Lichtstrahl in einer Richtung parallel zur Einfallsrichtung
zurückstrahlt.
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Die Erfindung hat außerdem eine
Vorrichtung zum Messen des elektrischen Feldes einer Oberfläche S zum
Gegenstand, die eine Schicht aus einem elektrooptischen Material
mit schräger
Polarisation verwendet, wobei die Polarisationsachse einen von null
verschiedenen Winkel mit der Normalen auf die Ebene der Schicht
bildet. Dieser Konfigurationstyp ermöglicht die Erfassung eines
elektrischen Feldes parallel zur Ebene der Schichten, was bei elektrischen
Feldern, die von Antennen abgestrahlt werden und deren Ausbreitungsrichtung
häufig
senkrecht zur Ebene der Antennen ist, einen wesentlichen Vorteil
darstellt.
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Die katadioptrische Schicht C2 kann vorteilhaft eine Kontaktoberfläche mit
der Schicht C1 haben, die ein Relief aus
kubischen Mikrokeilen aufweist, um die Reflexion der einfallenden
Welle I0 in eben dieser Richtung der einfallenden
Welle sicherzustellen. Die katadioptrische Schicht C2 kann
außerdem
vorteilhaft aus einem polymeren Bindemittel gebildet sein, in dem
kleine Glaskugeln dispergiert sind.
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Vorteilhaft kann die katadioptrische
Oberfläche
eine Haftbeschichtung auf der Seite umfassen, die an der Ebene der
Oberfläche
S angeklebt werden soll.
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Die Erfindung wird besser verstanden
und weitere Vorteile werden deutlich beim Lesen der folgenden Beschreibung,
die nicht einschränkend
und mit Bezug auf die beigefügten
Figuren gegeben ist, wovon
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1 die
zwei Elemente E1 und E2,
welche die Vorrichtung gemäß der Erfindung
bilden, in schematischer Weise darstellt;
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2 ein
Beispiel der Schicht C2 veranschaulicht,
die einen elektrooptischen Polymerfilm verwendet;
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3 die Änderung
der von dem Photoempfänger
empfangenen Lichtintensität
in Abhängigkeit von
der Phasenverschiebung, die in der Ebene der Schicht C2 erzeugt
wird, veranschaulicht;
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4 ein
Verfahren zur Polarisation eines Polymerfilms mit schräger Polarisation
veranschaulicht, der ein Erfassen elektrischer Felder ermöglicht, die
parallel zu einer Oberfläche
S sind.
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Gemäß einer Variante der Erfindung
umfaßt die
Vorrichtung zum Messen des elektrischen Feldes, wie 1 veranschaulicht, ein Element E1, das in Höhe der Oberfläche S abgelagert
ist, von welcher das abgestrahlte elektrische Feld ermittelt werden soll.
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Dieses Element E1 umfaßt eine
Schicht C1 aus einem elektrooptischen Material und eine katadioptrische
Schicht C2, d. h. sie weist ein sehr gutes Reflexionsvermögen in Einstrahlrichtung
auf. Die Vorrichtung zum Messen des elektrischen Feldes umfaßt außerdem ein
zweites Element E2, das mit einer Lichtquelle
L, die vorteilhaft vom Typ Laser sein kann, und mit einem Polarisator
P, der ermöglicht, eine
polarisierte Lichtwelle Io auf die Gesamtheit
des Elements E1 zu schicken, ausgestattet
ist. Diese Lichtwelle wird von der katadioptrischen Oberfläche als
eine Lichtwelle IR mit einer Richtung parallel
zur einfallenden Welle I0 zum Element E2 reflektiert. Das Element E2 ist
ebenfalls mit einem Photoempfänger D
und einem Analysator A ausgestattet, die das Erfassen der reflektierten
Welle ermöglichen,
die zwischen gekreuzten Polarisatoren analysiert wird, da die Polarisationsrichtungen
der beiden Polarisatoren senkrecht zueinander sind.
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Gemäß einer weiteren Variante der
Erfindung kann das Element E1 einen einzigen
Polarisator umfassen, der von der einfallenden Welle und der reflektierten
Welle durchlaufen wird, wobei die Messung zwischen parallelen Polarisatoren
erfolgt.
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Es wird ein halbdurchlässiges Plättchen SR verwendet,
um die reflektierte Lichtwelle in Richtung des Photodetektors D
zu lenken.
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Wenn die Baueinheit E1 einem
elektrischen Feld ausgesetzt ist, verändert sich der Brechungsindex
der Schicht aus elektrooptischem Material, was eine Drehung der
Polarisation der einfallenden Welle und dadurch nach dem Durchgang
durch den Analysator A, dessen Position in bezug auf diejenige des Polarisators
P fest ist, eine Änderung
der Amplitude des am Ausgang des Photoempfängers D erhaltenen Signals
nach sich zieht.
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Die Schicht aus elektrooptischem
Material kann vorteilhaft ein polarisierter Film aus einem elektrooptischen
Polymer sein.
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Die elektrooptischen Polymere sind
nämlich Polymere,
die optisch nicht-linear aktive Gruppen einschließen und
die, wenn sie zuvor polarisiert worden sind, makroskopische Eigenschaften
aufweisen können,
die elektrooptische Effekte begründen.
Genauer gesagt ist es erforderlich, um einem Polymerfilm eine elektrooptische
Aktivität
zu verleihen, ihn zu polarisieren, d. h. die aktiven Gruppen auszurichten. Typisch
wird bei einer Temperatur, die höher
als die Glasübergangstemperatur
des Films ist, auf diesen mittels eines stetigen elektrischen Feldes
ein gewirkt. Die aktiven Gruppen, die einen Dipol tragen, richten sich
dann nach der Achse des elektrischen Feldes aus. Das Material wird
anschließend
unter Einwirkung des elektrischen Feldes abgekühlt, wobei die Ausrichtung
im Inneren des Materials fixiert wird. Das elektrische Feld kann
abgeschaltet werden; das Material ist elektrooptisch.
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Dieser Materialtyp weist den großen Vorteil auf,
daß er
leicht auf jeder Oberfläche
abgelagert werden kann. Außerdem
besitzen derartige organische Verbindungen eine niedrige Dielektrizitätskonstante
in der Nähe
von 3, die kleiner als diejenige anorganischer Verbindungen ist,
wodurch es möglich ist,
ein Prüfelement
zu bilden, das die Messung des elektrischen Feldes, das in die Umgebung
der Oberfläche
S abgestrahlt wird, wenig stört.
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Der Polymerfilm weist dann eine Doppelbrechung
auf, die in einem ordentlichen Brechungsindex n0 parallel
zur Ebene des Films und einem außerordentlichen Brechungsindex
ne senkrecht zur Ebene des Films zum Ausdruck
kommt, wie 2 veranschaulicht.
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Wenn polarisiertes Licht, dessen
Polarisation eine Komponente ps in der Ebene
senkrecht zur Brechungsindexebene und eine Komponente pp in der
Brechungsindexebene besitzt, in die Schicht aus elektrooptischem
Material eindringt, erfährt
es eine Phasenverschiebung, die in einer Veränderung der Komponenten p'S und p'p zum Ausdruck
kommt und zu einer Drehung der Polarisation führt, wie in 2 veranschaulicht ist, und dies sogar
bevor ein elektrisches Feld an dieses elektrooptische Material angelegt
worden ist.
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Es ist anzumerken, daß die Ausbreitungsrichtung
der einfallenden Welle in Bezug auf die Polarisationsachse des elektrooptischen
Materials geneigt ist, so daß die
angestrebte Polarisationsänderung
erfaßt
werden kann.
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In der Vorrichtung gemäß der Erfindung
verändert
in Gegenwart des Feldes, das von der Oberfläche S abgestrahlt wird, eine
zusätzliche
Phasenverschiebung, die durch den elektrooptischen Effekt erzeugt
ist, die Komponenten p'S und p'p zu den
Komponenten p''
s und
p''p, wobei die Resultierende aus diesen
Komponenten, wenn sie in der Ebene des Elements E2 durch
einen Analysator analysiert wird, ermöglicht, die zusätzliche
Phasenverschiebung, die durch den elektrooptischen Effekt bedingt
ist, zu bestimmen und auf diese Weise das abgestrahlte elektrische
Feld zu berechnen.
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In einem elektrischen Ultrahochfrequenzfeld, das
von einer Antenne abgestrahlt wird, werden die Komponenten p''s und p''p mit der
Ultrahochfrequenz des elektrischen Feldes moduliert.
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Es ist anzumerken, daß die durch
den elektrooptischen Effekt eingeführte Phasenverschiebung im
allgemeinen gering bleibt; es kann folglich vorteilhaft sein, in
die Vorrichtung einen Phasenschieber vom Typ Babinet-Kompensator
einzuführen,
der ermöglicht,
Bedingungen einzustellen, die besonders empfindlich gegenüber jeder Änderung
der Phasenverschiebung sind. Genauer, wie in 3 veranschaulicht ist, wo die Veränderung
der in der Ebene des Photoempfängers
erhaltenen Lichtintensität
in Abhängigkeit
von der erzeugten Phasenverschiebung gezeigt ist, wird deutlich,
daß es
besonders geschickt sein kann, sich in einem Bereich der Kurve zu befinden,
in dem der Anstieg sehr steil ist, wie durch die Punkte (A, B, C)
auf der Kurve definiert ist. Der Phasenschieber, der verwendet wird,
um diese Funktion der Anpassung an die Kurve von 3 zu erfüllen, ist in dem Element E2 in der Empfangsebene der reflektierten
Lichtwelle angeordnet.
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Im Rahmen der Anwendungen, die die
Erfassung von Ultrahochfrequenzfeldern betreffen, kann der in dem
Element E2 eingeschlossene Photoempfänger eine schnelle Photodiode
sein, deren Durchlaßband
in Übereinstimmung
mit den zu messenden Feldern ist, die folglich in der Lage ist,
mit Taktraten, die typisch höher
als 10 GHz sind, betrieben zu werden. Das von der Photodiode stammende
elektrische Signal ist dann direkt proportional zum Momentanwert
des zu messenden ultrahochfrequenten elektrischen Feldes.
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Gemäß einer Variante der Erfindung
ist die Vorrichtung zum Messen des elektrischen Feldes besonders
für die
Erfassung elektrischer Felder parallel zur Oberfläche S geeignet.
Dazu umfaßt
die Vorrichtung eine Materialschicht, die eine schräge Polarisation
aufweist. Das Material kann vorteilhaft ein elektrooptischer Polymerfilm
sein, der gemäß einem
Verfahren polarisiert ist, das im Zusammenhang mit einem elektrooptischen
Polymer des Typs Copolymer aus Methylmethacrylat und 4(M-Methacryloylox-ethyl-N-ethyl-amin)4'-Nitroazobenzen
(beschrieben in der Veröffentlichung
von J.C. Dubois, P. Le Barny, P. Robin, V.. Lemoine und H. Rajbenbach:
Liquid Crystals, 1993, Bd. 14, S. 197–213) dargestellt ist.
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Das gewählte Substrat ist die katadioptrische Schicht
C2, die an der Unterseite mit einer Haftbeschichtung versehen ist.
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Das elektrooptische Polymer wird
mit Hilfe eines Schleuderapparats unter Verwendung von 1.1.2-Trichlorethan
mit einer Konzentration von 100 g/l auf der Oberseite des Substrats
abgelagert. Typisch ermöglicht
ein Drehen mit 3000 Umdrehungen/min, Schichtdicken in der Größenordnung
von einem Mikrometer zu erhalten. Stärker konzentrierte Lösungen und
geringere Drehgeschwindigkeiten führen zu größeren Dicken.
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Nach einem Trocknungsschritt, gegebenenfalls
unter Vakuum, kann der Polymerfilm polarisiert werden.
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Auf zwei isolierenden Trägern sind
Elektroden F1 und F2 angeordnet
(beispielsweise Aluminium auf Glas). Wie in 4 gezeigt ist, sind diese Träger so in
einer Entfernung e voneinander angeordnet, daß ein elektrisches Feld mit
schräger
Polarisation erzeugt wird. Einer der Träger ist auf Masse gelegt, und
die aus dem Polymerfilm auf der katadioptrischen Oberfläche bestehende
Gesamtheit wird in dem so gebildeten Behälter plaziert. Der Film wird
erwärmt,
bis eine Temperatur erreicht ist, die höher als die Glasübergangstemperatur
des Polymers ist (typisch 110°C
für PMMA-Copolymere).
Das elektrische Feld wird angelegt, indem die Elektrode, die nicht
auf Masse ist, auf ein Potential +Vo gebracht wird (wobei Vo/e in
der Größenordnung
von 100 V/Mikrometer ist). Nach einigen Minuten wird die Temperatur
auf Raumtemperatur zurückgefahren,
und die Ausrichtung des Materials ist fixiert. Das elektrische Feld kann
abgeschaltet und der Polymerfilm aus dem Behälter, der aus den beiden mit
Elektroden versehenen Trägern
gebildet ist, entfernt werden.
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Die Gesamtheit aus Polymerfilm mit
schräger
Polarisation, katadioptrischer Oberfläche und Haftbeschichtung kann
dann auf der vorgesehenen Oberfläche
S aufgeklebt werden.