DE69722916T2

DE69722916T2 - Rundstrahlantenne

Info

Publication number: DE69722916T2
Application number: DE69722916T
Authority: DE
Inventors: Alexander Duncan Malvern ROBERTSON; Brian Peter Malvern MAY
Original assignee: Qinetiq Ltd
Current assignee: Qinetiq Ltd
Priority date: 1996-02-06
Filing date: 1997-02-05
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2017-02-06
Also published as: GB9602395D0; US6084552A; GB2324659A; GB9815874D0; CA2245658A1; DE69722916D1; AU1610597A; ATE243372T1; CA2245658C; EP0879488A1; ES2196298T3; GB2324659B; WO1997029525A1; KR19990082324A; EP0879488B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Antenne zur Übertragung von Hochfrequenzstrahlung.
Die Anforderung an eine Antenne, die eine Übertragung über einen Azimutwinkel von 360° ermöglicht, ist z. B. aus Gefechtserkennungssystemen bekannt, wo Kampffahrzeuge usw. Signale übertragen müssen, die es erlauben, dass sie von den eigenen Truppen identifiziert werden können. Der Einsatz der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Gebiet beschränkt; Anwendungen können auch überall dort gefunden werden, wo eine Übertragung über einen Azimutwinkel von 360° erforderlich ist, so z. B. auf dem Gebiet der lokalen Netze (Local Area Networks (LANs)), wo mehrere Zusatzgeräte mittels Hochfrequenzübertragung anstatt über elektrische oder faseroptische Verbindungen miteinander kommunizieren.
Es sind bereits mehrere Arten von Reflektorantennen bekannt (siehe z. B. Kraus, J. D., Antennas, McGraw-Hill, 2nd Ed., 1988). Gewöhnlich wird der Reflektor dazu verwendet, die Energie zu einem engen Strahl zu richten oder zu bündeln; wenn aber die Anwendung eine Rundstrahlantenne erfordert, muss der Reflektor die Energie über einen breiten Winkel verteilen. Das wurde dadurch erreicht, dass ein Doppelreflektorsystem mit einem parabolischen Unteneflektor eingesetzt wurde (Orefice, M., und Pirinoli, P., „Dual reflector antenna with narrow broadside beam for omnidirectional coverage", Elec. Lett., Vol. 29, No. 25, 9 Dec 2993, Seiten 2158–2159). Wird nur ein einziger Reflektor bevorzugt, kann man z. B. einen Strahl mit einer radialen Fundamentalen Hermite-Gaußschen Intensität zur Bestrahlung eines Kegels benutzen, der dann die Strahlung über einen Azimutwinkel von 360° reflektiert. Bei einem Strahl mit einer solchen radialen Strahlungsintensität liegt jedoch das Maximum der Bestrahlungsintensität in der Spitze des Kegels, was Streuungen und Interferenzen verursacht, die wiederum zu hohen Seitenkeulen und einem zerfransten Elevationsmuster führen. Es ist ferner schwierig, einen solchen Aufbau genau auszuführen.
Daher wird nach einem ersten Aspekt der Erfindung ein Verfahren zur Übertragung von Hochfrequenzstrahlung über einen Azimutwinkel von im Wesentlichen 360° vorgesehen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein im Wesentlichen konischer Reflektor mit einem Strahl mit einer Laguerre-Gaußschen Intensitätsverteilung bestrahlt wird, wobei das Minimum der Laguerre-Gaußschen Intensitätsverteilung mit dem Scheitel des Reflektors zusammenfällt und die Anordnung des Strahls und des Reflektors so ist, dass die vom Reflektor reflektierte Strahlung divergent ist.
Der Begriff'im Wesentlichen konisch', wie er in dieser Beschreibung benutzt wird, soll in einem weiten Sinn ausgelegt werden, wobei zusätzlich zu dem Fall eines perfekten Kegels im strengsten Sinne, auch andere Fälle umfasst werden, in denen eine Reflexion über einen Azimutwinkel von 360° ermöglicht wird. Solche Fälle würden auch Ausführungen umfassen, die auf einer Kegelform beruhen, aber konkave oder konvexe Seiten aufweisen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung weist eine Hochfrequenzantenne, die eine Übertragung über einen Azimutwinkel von im Wesentlichen 360° ermöglicht, einen konischen Reflektor und eine Einrichtung zum Bestrahlen des Reflektors mit einem Strahl mit einer Laguerre-Gaußschen Intensitätsverteilung auf, wobei das Minimum der Laguerre-Gaußschen Intensitätsverteilung mit dem Scheitel des Reflektors zusammenfällt und die Anordnung des Strahls und des Reflektors so ist, dass die vom Reflektor reflektierte Strahlung divergiert.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform weist eine Strahlungsquelle mit einer Fundamentalen Hermite-Gaußschen Intensitätsverteilung und eine Einrichtung auf, die diese Strahlung in eine Strahlung mit Laguerre-Gaußscher Intensitätsverteilung umwandelt.
Die Einrichtung zur Umwandlung der Strahlung mit Fundamentaler Hermite-Gaußscher Intensitätsverteilung kann eine Spiral-Phasenplatte aufweisen.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform weist eine Einrichtung zur Kollimation der Strahlung mit Fundamentaler Hermite-Gaußscher Intensitätsverteilung auf.
Die Einrichtung zur Kollimation der Strahlung mit Fundamentaler Hermite-Gaußscher Intensitätsverteilung kann mindestens eine Linse aufweisen.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform weist eine Einrichtung zur Steuerung des Elevationswinkelbereichs der Abstrahlung der Hochfrequenzantenne auf.
Die Einrichtung zur Steuerung des Elevationswinkelbereichs der Abstrahlung der Hochfrequenzantenne kann mindestens eine Linse aufweisen.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Strahlung mit Fundamentaler Hermite-Gaußscher Intensitätsverteilung linear polarisiert.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform weist eine Einrichtung zur Umwandlung der linear polarisierten Strahlung in zirkular polarisierte Strahlung auf.
Die Einrichtung zur Umwandlung der linear polarisierten Strahlung in zirkular polarisierte Strahlung kann eine Lambda-Viertel-Platte aufweisen.
Die Erfindung wird im Folgenden, jedoch lediglich beispielhaft unter Bezug auf die folgenden Figuren beschrieben; es zeigen:
1a bzw. 1b die Strahlungsintensität von Strahlen mit einer Fundamentalen Hermite-Gaußschen Intensitätsverteilung bzw. einer Laguerre-Gaußschen Intensitätsverteilung in zwei Dimensionen;
2 eine schematische Darstellung einer typischen erfindungsgemäßen Antenne;
3 ein konkretes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 die Änderung der reflektierten Strahlungsleistung in Abhängigkeit vom Elevationswinkel für ein bestimmtes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5 verschiedene Reflektorformen, die bei der vorliegenden Erfindung benutzt werden können;
6 eine Spiral-Phasenplatte sowie die Brechung eines einzelnen Strahls während der Übertragung;
7 die Beziehung zwischen dem übertragenen Drehimpuls pro Photon und dem normierten Radius des Moduswandlers;
8 einen experimentellen Aufbau zur Erzeugung von Laguene-Gaußschen Modi bei Frequenzen im Millimeterwellenbereich und
9a bzw. 9b die Fernfeld-Intensitätsverteilung der beobachteten Laguene-Gaußschen Modi LG 1 / 0 bzw. LG 2 / 0.
Gemäß 1a weist die Strahlung mit einer Fundamentalen Hermite-Gaußschen Intensitätsverteilung im Zentrum des Strahls ein lokales Intensitätsmaximum auf. Diese Strahlung wird beim Passieren eines Spiral-Phasenplättchens, wie später beschrieben, in eine Strahlung mit einer Laguene-Gaußschen Intensitätsverteilung ( 1b) umgewandelt. Diese Strahlung hat in ihrem Zentrum ein lokales Intensitätsminimum. (Der Intensitätswert an diesem lokalen Minimum ist Null, wodurch ein Nullpunkt definiert wird).
Gemäß 2 wird die Strahlung durch die gestrichelten Linien dargestellt. Linear polarisierte Strahlung mit einer Hermite-Gaußschen Intensitätsverteilung wird durch einen gewellten Hornstrahler 3 zugeführt. Diese Strahlung ist bis zum Errneichen der Kollimationslinse 4 divergent. Die parallel gerichtete Strahlung passiert eine Lambda-Viertel-Platte 5, das sie in eine zirkular polarisierte Strahlung umwandelt. Die zirkular polarisierte Strahlung passiert dann eine Spiral-Phasenplatte 6, die ihre Intensitätsverteilung in einen Laguene-Gaußschen Modus umwandelt. Die Strahlung passiert dann eine Linse 7 zur Bestrahlung des konischen Reflektors 8, welcher die Strahlung über im Wesentlichen 360° reflektiert. Die Laguene-Gaußsche Strahlung hat einen Nullpunkt in ihrem Strahlzentrum, welches mit dem Scheitel des Reflektors zusammenfällt. Dadurch wird Streuung vermieden.
Während des Betriebs steht die Achse 9 der Antenne vertikal, so dass eine Reflexion der Strahlung über 360° an der Antenne und eine Übertragung über diesen Azimutwinkel erreicht wird. Der nominale Elevationswinkel A der Übertragung (d. h., der Winkel des Intensitätsmaximums der übertragenen Strahlung) wird hauptsächlich durch den Winkel B des Kegels bestimmt. Die Auswahl der Linse 7 bestimmt die Verbreiterung X der übertragenen Elevation.
Gemäß 3 wurde als Strahlungsquelle 10 ein InP-Gunnoszillator verwendet. Der Ausgang wurde von dem WG27-Wellenleiter (nicht gezeigt) des Oszillators durch einen gewellten Hornstrahler 3, der einen Strahl mit einer Strahlweite von 4,2 mm in einem vertikal polarisierten Fundamentalen Hermite-Gaußschen Modus erzeugt, in den Raum abgegeben.
Der freie Strahl wurde durch eine plankonvexe Linse aus HDPE (high density polyethylene) mit einem Durchmesser von 88 mm, die eine Eingangsbrennweite von 100 mm und eine Ausgangsbrennweite von 320 mm hatte, parallel gerichtet.
Der Strahl in einem Fundamentalen Hermite-Gaußschen Modus wurde durch eine aus HDPE gefertigte Spiral-Phasenplatte 6 in einen Strahl in einem Laguerre-Gaußschen Modus zweiter Ordnung umgewandelt. Die Phasenplatte hatte einen Durchmesser von 88 mm und eine Stufenhöhe von 13,4 mm. Die Spiral-Phasenplatte war 360 mm von der Planfläche der Linse 4 entfernt angeordnet.
Der Strahl im Laguerre-Gaußschen Modus fiel auf einen konischen Reflektor 8 aus Aluminium, der 720 mm von der Planfläche der Linse 4 entfernt angeordnet war. Der Kegel hatte einen Durchmesser von 100 mm und einen Halbwinkel von 47°.
Die reflektierte Leistung wurde mit Hilfe eines Boonton 4220-Leistungsmessers 11 mit einem WG27-Sensorkopf (nicht gezeigt) aufgenommen, der in der horizontalen Ebene in einem Bogen um einen Punkt ca. 25 mm hinter dem Scheitel des Reflektors bewegt wurde. Auf den Leistungsmesser war ein anderer gewellter Hornstrahler 3 aufgesetzt ähnlich dem, der beim Oszillator benutzt wurde. Der Abstand des Drehpunktes von der Strahlweite des Hornstrahlers betrug 250 mm.
Leistungsmessungen wurden an verschiedenen Detektorpositionen bei inkrementweise zunehmenden Winkeln aufgezeichnet; die Er gebnisse sind in 4 dargestellt. 4 zeigt eine ausgezeichnete Seitenkeulenleistung bei negativen Elevationswinkeln sowie die allgemeine Glätte der Antwort. Verluste um die Spitze des Kegels begrenzen die Antwort bei großen positiven Winkeln auf ca. –20 dB, wobei dem aber durch die Anbringung von Absorbern um die Spitze des Kegels abgeholfen werden kann.
Die Winkelabdeckung ist relativ eng, da der Strahl nicht auf die Spitze des Kegels fokussiert war. Eine Fokussierung des Strahls würde einen stärker divergierenden Strahl und dadurch eine größere Streuung des Elevationswinkels ergeben.
Der Versuch wurde der Einfachheit halber mit vertikaler Polarisation durchgeführt; das Hinzufügen einer Lambda-Viertel-Platte (Element 5 in 2) zum Erhalt einer zirkularen Polarisation wäre aber problemlos möglich.
Obwohl konische Reflektoren in den beschriebenen Beispielen verwendet wurden, können auch andere Reflektorformen verwendet werden, die eine Reflexion über einen Azimutwinkel von 360° ermöglichen. Diese Abwandlungen können eine konvexe Kegelform (5a) oder eine konkave Kegelform (5b) umfassen.
Erzeugung von freien Laguerre-Gaußschen Modi
Der folgende Teil zusammen mit den 6, 8 und 9 ist ein Auszug aus Optics Communications, 127 (1996), Turnbull, Robertson, Smith, Allen and Padgett, „The generation of free-space Laguerre-Gaussian modes at millimeter-wave frequencies by use of a spiral phaseplate", Seiten 183–188, ^© 1996 mit freundlicher Genehmigung von Elsevier Science – NL, Sara Burgerhartstraat 25, 1055 KV Amsterdam, Niederlande.
Laguene-Gaußsche (LG ) Modi bilden, ähnlich wie Hermite-Gaußsche (HG) Modi, einen vollständigen Basissatz für achsennahe Lichtstrahlen. Erstere zeigen zirkuläre Symmetrie, Letztere eine rechtwinklige Symmetrie. Zwei Indices bezeichnen einen gegebenen Modus, wobei die Modi normalerweise mit LG 1 / p und HG_mn bezeichnet werden. Bei einem Hermite-Gaußschen Modus entsprechen m und n der Anzahl der Knoten in x- und y-Richtung. Bei einem Laguene-Gaußschen Modus entsprechen 1 der Anzahl der 2π-Perioden in Umfangsrichtung und (p + 1) der Anzahl der radialen Knoten. Dabei ist die Amplitude u 1 / p – des LG 1 / p-Modus in zylindrischen Koordinaten
wobei R den Wellenfrontradius der Krümmung, w den Radius, für den der Gaußsche Term auf das 1/e-Fache seines Achsenwertes fällt, Ψ der Gouy-Phase und L 1 / p (x) ein verallgemeinertes Laguene-Polynom bedeuten. Der Term der Azimutphase, e^–ilΦ, unterscheidet die Laguene-Gaußschen Modi von den Hermite-Gaußschen Modi. Dieser Phasenterm erzeugt spiralförmige Wellenfronten im Gegensatz zu den ebenen Wellenfronten der Hermite-Gaußschen Modi (siehe J. M. Vaughan und D. V. Willetts, Optics Comm. 30 (1979) 263). Diesen spiralförmigen Wellenfronten wird ein Drehimpuls zugeordnet, der als Bahndrehimpuls bezeichnet wird und sich vom Spindrehimpuls, der dem Polarisationszustand zugeordnet ist, un terscheidet. Es wurde gezeigt, dass ein reiner Laguene-Gaußscher Strahl einen Bahndrehimpuls aufweist, der Ih pro Photon entspricht (siehe L. Allen, M. W. Beijersbergen, R. J. C. Spreeuw and J. P. Woerdman, Phys. Rev. A 45 (1992) 8185).
Der drehimpulsbezogene Anteil dieser Laguene-Gaußschen Strahlen wurde kürzlich anhand einer optischen Wechselwirkung zwischen mikroskopischen Partikeln gezeigt (H. He, M. E. J. Friese, N. R. Heckenberg und H. Rubinsztein-Dunlop, Phys. Rev. Lett. 75 (1995) 826).
In den letzten Jahren gewann die Erzeugung von Laguene-Gaußschen Modi im Bereich optischer Frequenzen beträchtliches Interesse. Laguene-Gaußsche Laserstrahlen können direkt (M. Harns, C. A. Hill und J. M. Vaughan, Optics Comm. 106 (1994) 161) oder durch Umwandlung von Hermite-Gaußschen Modi erzeugt werden. Bisher wurden drei verschiedene Arten von Moduswandlern aufgezeigt. Zwei dieser Wandler, die Spiral-Phasenplatte (M. W. Beijersbergen, R. P. C. Coerwinkel, M. Kristensen und J. P. Woerdman, Optics Comm. 112 (1994) 321) und der computergenerierte holographische Wandler (N. R. Heckenberg, R. McDuff, C. P. Smith und A. C. White, Optics Lett., 17 (1992) 221; N. R. Heckenberg, R. McDuff, C. P. Smith, H. Rubinsztein-Dunlop und M. J. Wegener, Opt. And Quant. Elec. 24 (1992)S951), führen den Term der Azimutphase für einen HG₀₀ Strahl ein. Bei diesen Vorrichtungen führt eine schraubenförmige Phasenverschiebung entlang der Achse zu den charakteristischen ringförmigen Intensitätsmustern im Fernfeld. Die Spiral-Phasenplatte kann auch zur wechselseitigen Umwandlung von zwei verschiedenen LGP 1 / p-Modi, die durch einen Phasenterm^–ilΦ verschoben sind, verwendet werden. Im Allgemeinen ist die Reinheit der nach diesen Verfahren erzeugten Laguerre-Gaußschen Modi durch die Miterzeugung von Modi höherer Ordnung begrenzt.
Die andere Klasse eines Wandlers ist ein Moduswandler mit Zylinderlinse (M. W. Beijersbergen, L. Allen, H. E. L. O. van der Veen und – J. P. Woerdman, Optics Comm. 96 (1993) 123), der Hermite-Gaußsche Modi höherer Ordnung in entsprechende Laguerre-Gaußsche Modi umwandelt. Im Gegensatz zur Spiral-Phasenplatte und dem holographischen Wandler kann dieses Verfahren reine Laguerre-Gaußsche Modi erzeugen.
In einem Laguerre-Gaußschen Modus entspricht der Bahndrehimpuls im Strahl Ih pro Photon. Dementsprechend ist der Drehimpuls im Strahl bei konstanter Leistung der Wellenlänge proportional, im Gegensatz zum linearen Impuls, der h/λ pro Photon beträgt, bei dem bei konstanter Leistung der Impuls im Strahl von der Wellenlänge unabhängig ist.
Die Erzeugung von freien Laguerre-Gaußschen Modi im Frequenzbereich von Millimeterwellen (~ 100 GHz), wo die Wellenlänge ungefähr das 10⁴-Fache der Wellenlänge bei optischen Frequenzen ist, wird nun weiter ausgeführt. Somit ist bei gleicher Leistung der Bahndrehimpuls ebenfalls ungefähr 10⁴-fach größer, was die Möglichkeit eröffnet, die Übertragung eines Drehimpulses auf ein makroskopisches Objekt zu beobachten. Die Verwendung einer Spiral-Phasenplatte zur Umwandlung des Fundamentalen Hermite-Gaußschen Modus in Laguerre-Gaußsche Modi höherer Ordnung wird gezeigt werden. Die Phasenplatte ist wegen der relativ schwierigen Erzeu gung von freien Hermite-Gaußschen Strahlen höherer Ordnung im Frequenzbereich von Millimeterwellen dem Wandler mit Zylinderlinse vorzuziehen.
Der gesamte Drehimpuls J_z eines Laguerre-Gaußschen Strahls ist die Summe der Bahndrehimpulse und der Spindrehimpulse (L. Al- len, M. W. Beijersbergen, R. J. C. Spreeuw und J. P. Woerdman, Phys. Rev. A 45 (1992) 8185). Demnach gilt für linksherum oder rechtsherum zirkular polarisierte Strahlen J_z = 1 ± 1. Der in dieser Arbeit gewandelte Hermite-Gaußsche Modus hat eine wohldefinierte lineare Polarisation, und somit entspricht der gesamte Drehimpuls des Strahl dem Bahndrehimpuls.
Strahloptische Analyse eines Wandlers mit Spiral-Phasenplatte Das Spiral-Phasenplatte (6) besitzt eine ebene Fläche (nicht gezeigt) und eine Spiralfläche 12. Die Spiralfläche 12 entspricht einem Gang einer Schraube mit einer stufenförmigen Diskontinuität. Durch die Übertragung durch die Phasenplatte wird aus dem einfallenden Strahl 13 ein unter dem Winkel α gebrochener Strahl 14. Ein Strahl der Wellenlänge λ erleidet eine Phasenverschiebung Ψ, die vom Azimutwinkel φ abhängt, nach
wobei n₁ und n₂ dem Berechungsindex der Phasenplatte bzw. des umgebenden Mediums und s der physikalischen Höhe der Stufe bei φ = 0 entsprechen.
Bei einem Laguene-Gaußschen Modus muss die gesamte Phasenverzögerung entlang der Phasenplatte ein ganzzahliges Vielfaches von 2π, z. B. 2πl, sein. Daher ist die physikalische Höhe der Stufe der Spiral-Phasenplatte zur Erzeugung eines Laguene-Gaußschen Modus gegeben durch
Wenn die Stufenhöhe kein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge ist, weist die Phase des Strahls an der Stufe eine Unstetigkeit auf, die als eine Unterbrechung in dem ringförmigen Intensitätsmuster beobachtet werden kann. Beijersbergen et al. haben die Verstimmung durch die Stufenhöhe anhand des Übergangs von einem Laguene-Gaußschen Modus in einen anderen modelliert (M. W. Beijersbergen, R. P. C. Coerwinkel, M. Kristensen und J. P. Woerdman, Optics Comm. 112 (1994) 321). In ihrer Näherung für kleine Winkel wird durch den Wandler nur die Phase, nicht aber die Intensität des Strahls geändert. Das ringförmige Intensitätsmuster resultiert von der Fernfeldbeugung der schraubenförmigen Versetzung des Strahls. Der erzeugte Strahl befindet sich jedoch nicht in einem reinen Modus, sondern in einer unendlichen Überlagerung von Laguene-Gaußschen Modi. Der Wirkungsgrad bei der Umwandlung des HG₀₀ Modus in den LG 1 / 0 Modus wurde zu 78% berechnet.
Obwohl der Bahndrehimpuls eine Eigenschaft des Strahls als Ganzes, ist es günstig, ihn als äquivalenten Drehimpuls pro Photon zu berücksichtigen. Die Verwendung eines strahlenoptischen Bildes (6) hilft zu verstehen, wie der Wert des Bahndrehimpulses des Strahls durch den Moduswandler bestimmt wird.
Es sei der Fall betrachtet, dass ein Ring mit dem Radius r auf die Spiralfläche projiziert wird. Der Winkel 9 der lokalen Azimutsteigung der Spiralfläche ist gegeben durch
Ein Strahl, der parallel zur optischen Achse, aber im Abstand r von ihr verläuft, wird, wenn er aus der Spiralfläche austritt, gebrochen. Der Ablenkungswinkel a kann mit Hilfe des Snelliusschen Brechungsgesetzes bestimmt werden.
Vor der Brechung hat der Strahl einen linearen Impuls von n₂ h/λ pro Photon. Nach der Brechung gibt es einen Anteil eines linearen Impulses in der Azimutrichtung, p_φ, der gegeben ist durch
Um das zu erreichen, wird ein linearer Impuls L
pro Photon im Strahl zwischen der Spiral-Phasenplatte und dem Lichtstrahl übertragen.
Berücksichtigt man die Näherung für kleine Winkel, reduzieren sich (4), (5) und (7) auf
n2(ϑ + α) ≈ n1ϑ (9)
Kombiniert man (8), (9) und (10) mit dem durch Gleichung (3) bestimmten s (Bedingung für den Laguerre-Gaußschen Modus), entspricht der Drehimpuls L im Strahl, der zwischen dem Lichtstrahl und der Phasenplatte ausgetauscht wird
Dies stimmt mit den aus der Analyse der Maxwellschen Gleichungen abgeleiteten Ergebnissen für Laguerre-Gaußsche Strahlen überein (L. Allen, M. W. Beijersbergen, R. J. C. Spreeuw und J. P. Woerdman, Phys. Rev. A 45 (1992) 8185).
Wenn r klein wird, ist es weniger sinnvoll näherungsweise anzunehmen, dass tan ϑ ≈ ϑ ist; die Näherung für kleine Winkel versagt, und die Berechnungen von oben müssen ohne Näherung wiederholt werden.
Der Austausch des Drehimpulses L pro Photon im Strahl ist gegeben durch
In 7 ist die Gleichung (12) als Funktion des Radius für verschiedene Werte von n₁/n₂ dargestellt. Damit der Graph unabhängig von 1 und λ ist, hat der Bahndrehimpuls pro Photon die Einheit Ih und der Radius die Einheit Iλ. Hierbei sind drei Punkte festzuhalten. Erstens kann φ, wenn r abnimmt, eventuell den kritischen Winkel erreichen, und eine innere Totalreflexion verhindert die Übertragung des Strahls. Demgemäß verändert der Moduswandler die Intensität bei kleinem r.
Zweitens folgt daraus, dass L keinen Wert bei sehr kleinen Werten von r/Iλ hat. Knapp unterhalb des kritischen Winkels besitzt L ein Maximum, das für steigendes r/Iλ rasch auf 1 fällt. In unserem Fall, in dem n₁/n₂ ≈ 1,5 ist, gilt die Näherung für kleine Winkel, wenn r > Iλ ist.
Drittens wird der Radius, unterhalb dessen die Näherung für kleine Winkel zusammenbricht, mit steigendem n, /n₂ kleiner.
Diese Auswirkungen sind bei optischen Anwendungen nicht von Bedeutung, da Iλ gegenüber den typischen Strahlradien klein ist. Sie gewinnen an Bedeutung, wenn die Wellenlängen in den Bereich von Millimeterwellen kommen. Es ist erkennbar nicht praktisch, den Strahldwchmesser im gleichen Maße wie die Welenlänge zu skalieren. Dabei muss man vorsichtig sein, um sicher zu stellen, dass der größte Teil der Leistung im Bereich kleiner Winkel liegt.
Aus (7) folgt, dass der Drehimpuls für eine feste Stufenhöhe und konstante Leistung von der Wellenlänge unabhängig ist. Demnach kann ein Wandler mit einer Spiral-Phasenplatte mit einer Stufenhöhe von einigen wenigen Millimetern zur Erzeugung eines optischen Strahls mit großem Drehimpuls verwendet werden. Der Wirkungsgrad der Umwandlung in einen einzelnen Laguerre-Gaußschen Modus nimmt jedoch mit steigendem 1 signifikant ab (M. W. Beijersbergen, R. P. C. Coerwinkel, M. Kristensen und J. P. Woerdman, Optics Comm. 112 (1994) 321), weshalb sich der erzeugte Strahl nicht in einem reinen Modus befinden würde.
Experimenteller Aufbau
8 zeigt einen experimentellen Aufbau, um Millimeterwellen freier Laguerre-Gaußscher Modi zu erzeugen. Als Quelle 10 wurde ein InP-Gunndiodenoszillator mit einer Spitzenausgangsleistung von 10–20 mW verwendet. Durch Einstellung der Abmessungen des Hohlraumresonators konnte der linear polarisierte Ausgang zwischen 72 und 95 GHz eingestellt werden (G. M. Smith, TEO's at mm-wave frequencies and their characterisation using quasioptical techniques, Ph. D. Thesis, St Andrews (1990)). Eine kreisförmige Öffnung eines gewellten Hornstrahlers 3 erzeugt einen zu etwa 98% reinen HG₀₀-Strahl mit einer Rayleighweite von 50 mm (R. J. Wylde, Proc IEE, par H, 13 (1984) 258). Eine Polyethylenlinse 4 mit einer Brennweite von 120 mm richtete den Strahl mit einer Weite von w ≈ 25 mm parallel.
Da w » Iλ ist, ist die Näherung für kleine Winkel in diesem Fall zulässig. Die Phasenplatte 6 war ebenfalls aus Polyethylen hergestellt, das bei Frequenzen im Millimeterbereich einen Brechungsindex von 1,52 aufweist (J. C. G. Lesurf, Millimetre-wave Optics, Devices and Systems (Adam Hilger/IOP, 1990)). Es wurden zwei verschiedene Phasenplatten verwendet. Das eine wurde zur Erzeugung des LG 1 / 0-Modus, das andere zur Erzeugung des LG 2 / 0-Modus verwendet. Die Stufenhöhen betrugen 6,7 mm bzw. 13,4 mm, um eine einzelne und eine doppelte Stufe in der Wellenlänge bei 86 GHz zu erhalten. In der ebenen Fläche der Phasenplatte und den beiden Oberflächen der Kollimationslinse war ein Antireflexionsmuster aus konzentrischen Rillen einer Tiefe von λ/4 geschnitten.
Der Ausgang der Phasenplatte wurde über einen Aluminiumspiegel 12 auf einen Detektor 11 reflektiert, der auf einem x-y-Scanningtisch 13 im Fernfeld des Wandlers befestigt war. Als Detektor 11 wurde ein Detektor Anritsu MP81B/ML83A mit einem mit dem Hornstrahler des Oszillators identischen Hornstrahler 3 verwendet. Das Antennendiagramm des Horns hat eine Gaußsche Form, weshalb das gemessene Intensitätsprofil der Faltung des echten Fernfeldstreuungsmusters und einer Gaußschen Verteilungsfunktion entsprtcht. Der x-y-Scanningtisch und der Detektor wurden mit Hilfe eines Computers zur Messung eines 50 × 50-Rasters über eine quadratische Fläche mit einer Seitenlänge von 100 mm gesteuert. Die ausgelesenen Werte wurden in Mathematica übertragen (Wolfram Research, Inc., Mathematica, Version 2.2, Champaign, IIIinois, USA (1994)) wo sie interpoliert und als Dichtegraph dargestellt wurden.
Ergebnisse
9a zeigt das Ergebnis der Umwandlung von HG₀₀ in LG 1 / 0. Das zentrale Minimum, ein Charakteristikum des Laguene-Gaußschen Modus, ist klar definiert. 9b zeigt das entsprechende Ergebnis für den LG 2 / 0-Modus. Wie erwartet, ist der Radius der maximalen Intensität des LG 2 / 0-Modus das √2-Fache des Radius des LG 1 / 0 1-Modus (M. J. Padgett und L. Allen, „The Poynting vector in Laguerre-Gaussian Laser modes", Optics Comm. (im Druck)). Der Zustand der linearen Polarisation der Laguene-Gaußschen Strahlen wurde mit Hilfe einer Polarisationseinrichtung mit Drahtnetz nachgewiesen, mit welcher der Strahl vollkommen ausgelöscht werden konnte.
Dies bestätigt, dass im Gegensatz zu früheren, auf Wellenleitern beruhenden Arbeiten im Mikrowellenbereich (M. Kristensen, M. W. Beijersbergen und J. P. Woerdman, Optics Comm. 104 (1994) 229) in diesem Fall keine Kombination von Spinpolarisation und dem Bahndrehimpuls vorliegt.
Bei beiden erzeugten Laguene-Gaußschen Modi wurden im Ring „Heiße Flecken" mit einer etwa 10% höheren Intensität beobachtet. Zwei mögliche Ursachen hierfür wurden modellmäßig in Betracht gezogen. Eine Ursache ist auf eine Unvollkommenheit im Zentrum der Phasenplatte zurückzuführen, die durch die begrenzte Größe des Werkzeugs verursacht war; die andere ist auf einen kleinen Versatz zwischen der Achse des HG₀₀-Strahls und der Achse der Phasenplatte zurückzuführen. Die Größe der beobachteten „Heißen Flecken" ist mit der Genauigkeit des experimentellen Aufbaus in Einklang.

Claims

Verfahren zur Übertragung von Hochfrequenzstrahlung über einen Azimutwinkel von im Wesentlichen 360°, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Wesentlichen konischer Reflektor mit einem Strahl mit einer Laguene-Gaußschen Intensitätsverteilung bestrahlt wird, wobei das Minimum der Laguene-Gaußschen Intensitätsverteilung mit dem Scheitel des Reflektors zusammenfällt und die Anordnung des Strahls und des Reflektors so ist, dass die vom Reflektor reflektierte Strahlung divergent ist.
Hochfrequenzantenne, die eine Übertragung über einen Azimutwinkel von im Wesentlichen 360° ermöglicht, mit einem konischen Reflektor und einer Einrichtung zum Bestrahlen des Reflektors mit einem Strahl mit einer Laguene-Gaußschen Intensitätsverteilung, wobei das Minimum der Laguene-Gaußschen Intensitätsverteilung mit dem Scheitel des Reflektors zusammenfällt und die Anordnung des Strahls und des Reflektors so ist, dass die vom Reflektor reflektierte Strahlung divergent ist.
Hochfrequenzantenne nach Anspruch 2, die ferner eine Strahlungsquelle mit einer Fundamentalen Hermite-Gaußschen Intensitätsverteilung und eine Einrichtung aufweist, die diese Strahlung in eine Strahlung mit Laguerre-Gaußscher Intensitätsverteilung umwandelt.
Hochfrequenzantenne nach Anspruch 3, wobei die Einrichtung zur Umwandlung der Strahlung mit Fundamental Hermite-Gaußscher Intensitätsverteilung ein Spiral-Phasenplättchen aufweist.
Hochfrequenzantenne nach Anspruch 4, die ferner eine Einrichtung zur Kollimation der Strahlung aufweist.
Hochfrequenzantenne nach Anspruch 5, wobei die Einrichtung zur Kollimation der Strahlung mit einer Fundamental Hermite-Gaußschen Intensitätsverteilung mindestens eine Linse aufweist.
Hochfrequenzantenne nach Anspruch 6, die ferner eine Einrichtung zur Steuerung des Elevationswinkelbereichs der Abstrahlung der Hochfrequenzantenne aufweist.
Hochfrequenzantenne nach Anspruch 7, wobei die Einrichtung zur Steuerung des Elevationswinkelbereichs der Abstrahlung der Hochfrequenzantenne eine Linse aufweist.
Hochfrequenzantenne nach Anspruch 8, wobei die Strahlung mit Fundamentaler Hermite-Gaußscher Intensitätsverteilung linear polarisiert ist.
Hochfrequenzantenne nach Anspruch 9, die ferner eine Einrichtung zur Umwandlung der linear polarisierten Strahlung in zirkular polarisierte Strahlung aufweist.
Hochfrequenzantenne nach Anspruch 10, wobei die Einrichtung zur Umwandlung der linear polarisierten Strahlung in zirkular polarisierte Strahlung ein Lambda-Viertel-Plättchen enthält.