WO2010028972A1 - Method and system for three-dimensional detection of objects using thz radiation - Google Patents

Method and system for three-dimensional detection of objects using thz radiation Download PDF

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WO2010028972A1
WO2010028972A1 PCT/EP2009/061225 EP2009061225W WO2010028972A1 WO 2010028972 A1 WO2010028972 A1 WO 2010028972A1 EP 2009061225 W EP2009061225 W EP 2009061225W WO 2010028972 A1 WO2010028972 A1 WO 2010028972A1
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field effect
effect transistor
source
radiation
fet1
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PCT/EP2009/061225
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French (fr)
Inventor
Hartmut Roskos
Alvydas Lisauskas
Torsten LÖFFLER
Wojtek Knap
Dominique Coquillat
Frédéric Teppe
Michel Diakonov
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Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt A. M.
Centre National De La Recherche Scientifique
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    • G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging

Definitions

  • the present invention relates to a system and a method for three-dimensional detection of an object with electromagnetic high-frequency radiation.
  • the terahertz frequency range or submillimeter wavelength range which is roughly defined as 100 GHz to 10 THz, is one of the last "dark" regions of the electromagnetic spectrum.
  • Technically usable, and in particular coherent sources and corresponding detectors are not commercially available in this frequency range or only at low frequencies
  • Developments in recent decades have led to systems that, due to their complexity, have only been used in experimental fields such as radio astronomy or atmospheric research, and the availability of inexpensive sources and detectors and applications for day-to-day life although the THz frequency range has intrinsic advantages over other frequency bands of the electromagnetic spectrum:
  • THz radiation is non-ionizing and therefore considered safe in the biomedical field.
  • THz radiation provides essential information about charge carrier dynamics, especially in nanostructures, which play an essential role in future photonic and electronic components.
  • THz radiation shows less scattering compared to optical frequencies and is therefore particularly suitable for use in industrial environments in which, for example, dust is increasingly generated.
  • more complex quantum cascade laser systems are also used as sources such as optoelectronic systems based on femtosecond pulsed laser or the mixing of two continuous wave laser sources.
  • THz radiation is currently detected in the known heterodyne mixer systems, for example, Schottky diode mixers, photoconductive detectors, or power detectors, such as photovoltaic detectors, bolometems, or Golay cells.
  • PMD elements make it possible to simultaneously detect the intensity of the radiation reflected by the object and the phase position of the modulation.
  • Such a PMD element mixes the received modulated optical signal in the detector element with an electrical reference signal which is phase locked coupled to the modulation of the optical signal.
  • the present invention has for its object to provide a system and a method for three-dimensional detection of an object with electromagnetic high-frequency radiation having a frequency in a range of 100 GHz to 10 THz.
  • a system for three-dimensional detection of an object with electromagnetic high frequency radiation with a radiation source for high-frequency radiation having a frequency in a range of 100 GHz to 10 THz, a receiver for detecting the radiated from the radiation source high-frequency radiation, the antenna element and a field effect transistor for mixing the radiated from the radiation source high frequency radiation with a local oscillator signal, wherein the field effect transistor has a source, a drain and a gate, and with a signal source for generating an electrical modulation signal see, the signal source is so connected to the radiation source in that the high-frequency radiation can be modulated with the modulation signal, and wherein the signal source is connected to the gate of the field-effect transistor in such a way that the sensitivity of the field field - -
  • the radiation source is arranged to emit electromagnetic high-frequency radiation in a range of 300 GHz to 1 THz.
  • the radiation source can be set up so that the high-frequency radiation can be modulated directly with the modulation signal.
  • a direct modulation of the emitted high-frequency radiation can generally be realized in the electrically driven high-frequency sources, for example (quantum cascade) lasers or diode sources, by directly modulating the current or voltage driving the source.
  • the radiation source may have a modulator which is connected to the signal source, so that the radiation emitted by the radiation source high-frequency radiation after emission by the actual radiation source is a modulation impressed.
  • modulators can be, for example, semiconductor components or else the components known from non-linear optics, such as, for example, a Pockels cell.
  • the radiation source is set up so that either the intensity of the emitted high-frequency radiation or its frequency or both can be modulated.
  • the antenna element is a radio-frequency antenna resonant at the operating frequency of the radiation source, for example a dipole antenna or even a broadband antenna, which enables frequency tuning of the radiation source without losing the sensitivity on the receiver side.
  • the field effect transistor used in the receiver as a mixer is a field effect transistor having a source, a drain and a gate, which has a gate-source contact, a source-drain channel and a gate-drain contact.
  • a field-effect transistor (FET) in the sense of the present invention is a unipolar transistor in which, unlike the bipolar transistors, only one charge type is involved in the current flow - depending on the design, the electrons or holes may be.
  • the field-effect transistors are preferably switched largely without power or loss.
  • a possible example of a field effect transistor according to the invention is a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET).
  • field-effect transistors are voltage-controlled circuit elements. The control takes place via the gate-source voltage, which regulates the channel cross-section - -
  • the carrier density, i. of the resistance of the semiconductor serves to switch or to amplify the electric current through the source-drain channel.
  • resistive mixers are understood as meaning both classical resistive mixers in which the modulation of the channel resistance occurs in the quasi-stationary limiting case and plasmonic resistive mixers in which collective carrier vibrations (plasmon) are excited in the 2-dimensional electron gas.
  • the plasmons may be weakly attenuated or over-attenuated.
  • the high-frequency radiation to be detected is fed in one embodiment via the gate-source contact in the field effect transistor.
  • the field effect transistor has the highest possible impedance at the target frequency of the high-frequency radiation via the source-drain channel.
  • the source-drain channel has a high-impedance termination for the high-frequency radiation to be received, at least on one side.
  • the high-frequency impedance of the source-drain channel at the target frequency is greater than 1 M ⁇ .
  • the high impedance at the source-drain channel in one embodiment is externally, i. provided by the circuitry, but it may also be realized by the design of the transistor itself.
  • the drain of the field effect transistor may be connected to an impedance matching element, preferably a waveguide with matching impedance.
  • the antenna element or a connection of the antenna element is connected to the gate of the field effect transistor.
  • the drain is connected to a voltage integrator which generates an integrated voltage output signal that is proportional to the power of the high frequency radiation impinging on the antenna element.
  • the integrated voltage also depends on the phase difference between the incident on the antenna element high-frequency radiation and the local oscillator signal.
  • the gate is connected to a DC voltage source.
  • the bias of the gate in addition to the local oscillator signal, allows the operating point of the field effect transistor to be adjusted so that the amplitude modulation of the local oscillator signal toggles the transistor between high and low sensitivity states.
  • the system according to the invention has a phase shifter which inserts a selectably adjustable phase shift between the high-frequency radiation to be detected and the local oscillator signal.
  • the phase shifter is arranged in a preferred embodiment of the invention between the signal source for generating the modulation signal and the gate of the field effect transistor, so that the phase of the local oscillator signal relative to the phase of the incident on the antenna element radiofrequency radiation can be moved.
  • phase of the modulation of the high-frequency radiation is shifted. This can be done for example by a phase shifter, which shifts the modulation signal between the signal source and the radiation source.
  • the insertion of a phase shift between the modulation of the detected high-frequency radiation and the local oscillator signal makes it possible to detect the phase position of the modulation of the high-frequency radiation relative to the local oscillator signal by measuring the quadrature components and thus a measure of the transit time or the path length of the electromagnetic high-frequency radiation between the Radiation source and the receiver to determine.
  • the antenna element is connected to the drain of the field effect transistor. This allows a coupling of the high-frequency radiation to be detected to the source-drain channel of the field-effect transistor.
  • the source of the field effect transistor is preferably connected to a current integrator, the voltage output of which depends on the power of the radio-frequency radiation incident on the antenna element.
  • the resulting DC current is read out at the source-drain channel with low impedance.
  • the voltage output of the current integrator is also dependent on the phase difference between the modulation of the incident high-frequency radiation and the phase position of the local oscillator signal.
  • the receiver has a matrix-like arrangement of a plurality of antenna elements and field-effect transistors.
  • Such an arrangement makes it possible to detect the radiation in a cell-shaped or planar element, wherein in particular planar elements allow the detection of a two-dimensional image in the manner of a CCD or CMOS chip, while for each pixel a depth information can be detected simultaneously, so that a three-dimensional Illustration of the detected object is possible.
  • the receiver of the system in which a plurality of antenna elements and field effect transistors form the receiver of the system, four field effect transistors are combined to form a different pixel. These four field effect transistors are preferably fed by the same antenna element, but may each be connected to a single antenna element.
  • the local oscillator signals which are connected to the four field effect transistors of such a pixel, each shifted by 90 ° to each other, so that at the same time all quadrature components of the signal can be detected with a single pixel.
  • the antenna element is connected via a high frequency divider both to the gate and to the drain of the field effect transistor. This makes it possible to improve the power detection of the high-frequency signal incident on the antenna element. In this way, the high-frequency signal is coupled into both the gate-source contact and the source-drain channel.
  • Examples of possible high frequency dividers include a capacitor disposed between the gate and drain of the field effect transistor, an impedance divider, etc. The selection of the divider and its components, e.g. two impedances makes it possible to adjust the phase shift between the parts of the high-frequency radiation connected to the gate and to the drain in such a way that an optimal signal increase is achieved and the signal components in the field-effect transistor interfere as non-destructively as possible.
  • the receiver for a single antenna element comprises two field effect transistors, wherein the first field effect transistor forms a detector transistor and the second field effect transistor for compensation of the signal component (compensation transistor), which modula applied by a rectification at the gate of the detector field effect transistor - tion voltage of the local oscillator signal is caused.
  • the local oscillator signal is fed to the gate of the detector transistor and the antenna element is also connected, for example, to the gate of the detector transistor.
  • the second compensation transistor is provided at its gate only with the local oscillator signal, so that the output of the compensation transistor is a measure of the rectified modulation signal at the gate of the transistor. If one then subtracts the signal of the compensation transistor from the signal output of the detector transistor in a differential amplifier, the effect of rectification of the local oscillator signal applied to the gate is compensated.
  • Such an arrangement is realized in one embodiment of the invention in that a low-pass filter is provided in front of the gate of the compensation transistor, which indeed passes the modulation frequency of the local oscillator signal, but filters the frequency of the high-frequency signal.
  • the high-frequency radiation of the radiation source is amplitude-modulated with a sinusoidal modulation signal.
  • the sinusoidal modulation signal used to impose amplitude modulation on the radio frequency radiation is also coupled into the gate of the field effect transistor to impress the modulation signal to the gate electrode.
  • the output signal of the field effect transistor depends on the product of the sensitivity of the transistor and the intensity of the incident electromagnetic high frequency radiation. If both the incident radiation is intensity-modulated and the sensitivity of the detector is modulated with the same but out-of-phase modulation signal, then the output of the detector will include a rectified voltage component based on the phase difference between the gate applied modulation and the modulation of the radio frequency signal depends.
  • the modulation of the high frequency radiation and the modulation of the gate (local oscillator signal), i. the sensitivity of the field effect transistor, phase-locked together.
  • the phase of the modulation of the high-frequency signal thus determined allows the back-calculation of the distance between an object which reflects the high-frequency radiation emitted by the radiation source and the field-effect transistor within the limits of the 2 ⁇ uncertainty.
  • the methods known from interferometry can be used in one embodiment; for example, a broad spectrum of modulation frequencies (analogous to white-light interferometry) or different modulation sequences, in particular modulations deviating from a sinusoidal curve, can be used Example, quasi-random signal sequences, can be used.
  • a method for three-dimensional detection of an object with electromagnetic high-frequency radiation comprising the following steps: generating electromagnetic high-frequency radiation having a frequency in the range of 100 GHz to 10 THz, modulating the amplitude or frequency of the high-frequency radiation a modulation signal, detecting the modulated radio frequency radiation with a receiver having an antenna element and a field effect transistor for mixing the radio frequency radiation radiated by the radiation source with a local oscillator signal, wherein the field effect transistor has a source, a drain and a gate, and modulating the sensitivity of the - -
  • FIG. 1 shows schematically the structure of a system according to the invention for the three-dimensional detection of an object according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 2 shows a first embodiment of the receiver of the system according to the invention from FIG. 1.
  • FIG. 3 shows an alternative embodiment of the receiver of FIG. 1.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the receiver, wherein the high-frequency signal is coupled to the gate and the source.
  • FIG. 5 shows an alternative embodiment of the receiver of the system according to the invention with a compensation transistor.
  • FIG. 6 shows an alternative embodiment of a receiver with compensation transistor and an additional shunt between gate and drain of the field effect transistors used.
  • FIG. 7 shows an alternative connection of a receiver with two field-effect transistors.
  • Figure 1 shows schematically the structure of a system according to the invention with a radiation source 1, which emits an electromagnetic high frequency signal 3 with a frequency of 600 GHz.
  • the electromagnetic high-frequency radiation 3 illuminates an object 4, which reflects parts of the radiation 3 onto a receiver 2.
  • the radiation source 1 is a quantum cascade laser.
  • the radiation source 1 impresses the radiated electromagnetic radiation 3 on a sinusoidal amplitude modulation with a modulation frequency of 10 MHz.
  • the quantum cascade laser 1 is connected to a signal source 5, which specifies a sinusoidal modulation signal at 10 MHz.
  • the signal source 5 is also connected to the gate G of a field effect transistor of the receiver 2. Due to the modulation of the gate G of the field effect transistor, the sensitivity of the transistor is modulated with the same frequency as the intensity of the electromagnetic radiation 3. Due to the generation in the same signal source 5, the intensity modulation of - -
  • FIG. 2 schematically shows a first embodiment of the receiver 2 of the system according to the invention.
  • the receiver 2 has a high-frequency antenna 21 which is resonant at the target frequency of 600 GHz.
  • One terminal of the dipole antenna 21 is connected to the gate G of the detector field effect transistor FET1.
  • the gate G of the transistor FET1 is also connected to the signal source 5 via a phase shifter 22.
  • the signal source 5 provides a modulation voltage with a frequency of 10 MHz, wherein the same voltage signal is also used to modulate the high frequency source 1 (see scheme of Figure 1).
  • the gate G of the field effect transistor FET1 is connected to a DC voltage source 23.
  • the DC bias voltage of the bias voltage source 23 applied to the gate G of the field effect transistor FET1 is selected so that the modulation of the signal source 5 modulates the sensitivity of the transistor FET1 between high and low.
  • the drain of the field effect transistor FET1 is connected to a voltage integrator 24, which integrates the voltage applied to the drain and outputs a voltage signal which is proportional to the power of the high frequency radiation incident on the antenna element 21 and which at the same time is a function of the phase difference between the phase positions of the received radio frequency signal and the Modulationslator signal originating from the signal source 5 is.
  • a circuit can be implemented in which the current instead of the voltage represents the measured variable.
  • a phase shifter 22 now makes it possible to shift the phase position of the modulation source or local oscillator signal originating from the signal source 5 at the gate G of the field-effect transistor FET1 in relation to the phase of the amplitude modulation on the antenna element 21. In this way, with the help of four measurements all quadrature components of the incident high-frequency signal can be detected and thus determine the phase position with respect to the local oscillator signal. In this case, the phase position of the local oscillator signal with the aid of the phase shifter 22 is shifted by 90 ° between each measurement.
  • the transistor P-FET can - -
  • the modulation signal U 1n of the signal source 5 is added to the constant bias voltage U 0 , U 0 being adjusted so that the maximum response at the voltage U 0 -U 1n is obtained.
  • the voltage AU present at the drain D is a periodic time-dependent function, that of the total phase shift A ⁇ + ⁇ 0 between the intensity modulation of the incident high-frequency electromagnetic radiation 3 and the modulation U 1n of the gate G depends, where A ⁇ is the phase of the gate modulation and ⁇ 0 is the phase of the modulation of the radiofrequency radiation 3 incident on the transistor.
  • the autocorrelation function AU m teg r ated reaches a maximum when the incident
  • High frequency radiation 3 and the oscillations of the voltage applied to the gate G have a phase difference of n ⁇ , where n is an odd number. This condition is satisfied if and only if the maximum of the modulated signal impinges on the transistor P-FET at the same instant to which its gate G is biased so that the sensitivity is maximum.
  • the radiation incident on the field-effect transistor FET 1 has a phase shift ⁇ which is proportional to the distance d between the
  • FIG. 3 shows an alternative embodiment of the receiver 2 'to the embodiment from FIG. 2.
  • the antenna element 21 is connected to the source-drain channel instead of the gate G.
  • the rectified signal is detected by means of a current integrator whose output voltage proportional to the incident on the antenna element 21 power of the high-frequency radiation is and depends on the phase difference between the high-frequency radiation and the local oscillator signal.
  • Figure 4 shows an embodiment of the receiver 2 "which is a combination of the couplings of the antennas 21 to the field effect transistor FET1 shown in Figures 2 and 3.
  • a high-frequency divider 26 of two impedances Z 1 , Z 2 is provided, which conducts the high-frequency signal received by antenna element 21 to the gate and drain of field-effect transistor FET1
  • voltage integration of the output signal occurs of the field effect transistor FET1 at the drain of the transistor FET 1.
  • the complex impedances of the divider 26 are selected such that the parts of the high frequency signal coupled in via the gate and the drain into the field effect transistor FET1 are structurally superimposed.
  • FIGS. 5 to 7 show receivers 2 '", 2" ", 2 with an arrangement of two field effect transistors FET1, FET2 per antenna element 21, a first field effect transistor FET1 serving as a detector transistor, ie as a mixer element, while the second one
  • the rectified gate modulation signal or local oscillator signal provides at the output of the field effect transistor FET1 for a direct voltage component or offset which has no significance for the high-frequency signal 3 to be detected Embodiments make it possible to compensate or subtract this offset.
  • the antenna element 21 is also connected both to the gate G of the field-effect transistor FET1 (detector transistor) and via a capacitance C D to the source-drain channel of the field-effect transistor FET1 in the embodiment of FIG.
  • the modulation signal of the signal source 5 is also connected to the gate G in order to generate a mixed signal of the two signals in the field effect transistor FET1.
  • the gate G of the field effect transistor FET1 is additionally connected to the gate G of the field effect transistor FET2.
  • a low-pass filter is provided in front of the gate of the field effect transistor FET2, so that the high frequency radiation is completely filtered out and only the modulation or local oscillator signal of the signal source 5 reaches the gate G of the field effect transistor FET2.
  • the field-effect transistors FET1 and FET2 are identical in construction, so that the second field-effect transistor FET2, which is not supplied with the high-frequency signal, generates a rectification signal based on the modulation signal, which corresponds to the corresponding offset of the signal of the field-effect transistor FET1 , If the output signal of the field-effect transistor FET2 is now subtracted from the output signal of the field-effect transistor FET1 in the downstream differential amplifier 27, a voltage signal which can be integrated into it is obtained which is equal to that of the rectification of the modulation signal - -
  • the signal integrated with the aid of a voltage integrator 24 is then again proportional to the incident high-frequency power and dependent on the difference between the phase positions of the high-frequency radiation and the modulation or local oscillator signal.
  • an additional shunt across the capacitances C D , C B of the field-effect transistors FET 1 and FET 2 is provided compared to the embodiment of FIG.
  • the shunt resistors are used to draw a current across the source-drain channels of the field-effect transistors FET 1 and FET 2, thus increasing the rectification efficiency for the high-frequency signal.
  • the antenna element is connected to its drain instead of the gates of the field-effect transistors FET1, FET2. Only the optional capacitances C D and C B enable an additional coupling of the modulation signal to the gates G.
  • Such a circuit causes the amplitude of the current through the source-drain channel to be proportional to the high-frequency power if the high-frequency power is not modulated is.
  • the amplitude of the current through the source-drain channel includes information about the relative phase difference between the local oscillator signal and the carrier wave modulation.

Abstract

For optical frequencies, there are systems known from the prior art which not only make it possible to represent an object two-dimensionally, but also detect it three-dimensionally, in other words to determine the distance between the object and the detector for individual pixels. In contrast, the object of the present invention is to provide a system and a method for detecting an object three-dimensionally using high-frequency electromagnetic radiation at a frequency in a range of 100 GHz to 10 THz. According to the invention, this object is met by a system for detecting an object three-dimensionally using high-frequency electromagnetic radiation, the system comprising a radiation source for radiating high frequency radiation at a frequency in a range of 100 GHz to 10 THz, a receiver for detecting the high frequency radiation emitted from the radiation source, said receiver comprising an antenna element and a field effect transistor for mixing the high frequency radiation emitted by the radiation source with a local oscillator signal, wherein the field effect transistor comprises a source, a drain and a gate, and comprising a signal source for generating an electric modulation signal, wherein the signal source is connected to the radiation source in such a way that the high frequency radiation can be modulated by the modulation signal, and wherein the signal source is connected to the gate of the field effect transistor in such a way that the sensitivity of the field effect transistor can be modulated using a local oscillator signal coupled at a fixed phase to the modulation signal.

Description

VERFAHREN UND SYSTEM ZUR DREIDIMENSIONALEN ERFASSUNG VON OBJEKTEN METHOD AND SYSTEM FOR THE THREE-DIMENSIONAL COLLECTION OF OBJECTS
MITTELS THZ-STRAHLUNGBY THZ RADIATION
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur dreidimensionalen Erfassung eines Objekts mit elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung.The present invention relates to a system and a method for three-dimensional detection of an object with electromagnetic high-frequency radiation.
Der Terahertzfrequenzbereich oder Submillimeterwellenlängenbereich, der grob von 100 GHz bis 10 THz definiert ist, ist einer der letzten „dunklen" Bereiche des elektromagnetischen Spektrums. Technische nutzbare, insbesondere kohärente Quellen und entsprechende Detektoren, sind in diesem Frequenzbereich bisher nicht oder nur bei niedrigen Frequenzen kommerziell erhältlich. Die Entwicklungen der letzten Jahrzehnte haben zu Systemen geführt, die aufgrund ihrer Komplexität bisher jedoch nur in experimentell geprägten Gebieten, wie der Radioastronomie oder der Atmosphärenforschung, Anwendung finden. Für Anwendungen des täglichen Lebens fehlt es bisher an der Verfügbarkeit preiswerter Quellen und Detektoren und dies, obwohl der THz-Frequenzbereich gegenüber anderen Frequenzbändern des elektromagnetischen Spektrums intrinsische Vorteile aufweist:The terahertz frequency range or submillimeter wavelength range, which is roughly defined as 100 GHz to 10 THz, is one of the last "dark" regions of the electromagnetic spectrum.Technically usable, and in particular coherent sources and corresponding detectors are not commercially available in this frequency range or only at low frequencies Developments in recent decades have led to systems that, due to their complexity, have only been used in experimental fields such as radio astronomy or atmospheric research, and the availability of inexpensive sources and detectors and applications for day-to-day life although the THz frequency range has intrinsic advantages over other frequency bands of the electromagnetic spectrum:
• Viele optisch undurchsichtige Materialien sind im THz-Frequenzbereich transparent.• Many optically opaque materials are transparent in the THz frequency range.
• THz-Strahlung ist nichtionisierend und wird daher im biomedizinischen Bereich als sicher betrachtet.• THz radiation is non-ionizing and therefore considered safe in the biomedical field.
• Bestimmte rotatorische, vibronische oder libratorische Molekülanregungen weisen eine Resonanzfrequenz im THz-Frequenzbereich auf. • THz-Strahlung liefert wesentliche Informationen über Ladungsträgerdynamiken, insbesondere in Nanostrukturen, die eine essentielle Rolle in zukünftigen photonischen und elektronischen Komponenten spielen.• Certain rotational, vibronic, or libratory molecular excitations have a resonance frequency in the THz frequency range. • THz radiation provides essential information about charge carrier dynamics, especially in nanostructures, which play an essential role in future photonic and electronic components.
• THz-Strahlung zeigt eine geringere Streuung verglichen mit optischen Frequenzen und ist daher insbesondere zur Verwendung in industriellen Umgebungen, in denen es beispiels- weise vermehrt zu Staubbildung kommt, geeignet.• THz radiation shows less scattering compared to optical frequencies and is therefore particularly suitable for use in industrial environments in which, for example, dust is increasingly generated.
• Betrachtet man Kommunikationssysteme, so ermöglichen höhere Frequenzen größere Übertragungsbandbreiten.• Looking at communication systems, higher frequencies allow greater transmission bandwidths.
Die meisten rein elektronischen Vorrichtungen, die im THz-Frequenzbereich arbeiten, basieren auf GaAs- oder InP-Halbleitertechnologie. Zuletzt wurde gezeigt, daß auch SiGe- und CMOS-Most purely electronic devices operating in the THz frequency range are based on GaAs or InP semiconductor technology. Finally, it has been shown that SiGe and CMOS
Halbleitertechnologien zu Vorrichtungen führen, die bei Frequenzen bis zu 100 GHz arbeiten. Bei - -Semiconductor technologies lead to devices that operate at frequencies up to 100 GHz. at - -
höheren Frequenzen bis hin zu 1 THz und darüber hinaus werden komplexere Quantenkaskadenla- sersyteme ebenso als Quellen verwendet wie optoelektronische Systeme, basierend auf Femtose- kundenkurzpulslasem oder dem Mischen zweier Dauerstrichlaserquellen.higher frequencies up to 1 THz and beyond, more complex quantum cascade laser systems are also used as sources such as optoelectronic systems based on femtosecond pulsed laser or the mixing of two continuous wave laser sources.
THz-Strahlung wird in den bekannten Systemen zur Zeit mit Heterodynmischem, zum Beispiel Schottky-Diodenmischem, photokonduktiven Detektoren oder Leistungsdetektoren, wie zum Beispiel photovoltaischen Detektoren, Bolometem oder Golay-Zellen, erfaßt.THz radiation is currently detected in the known heterodyne mixer systems, for example, Schottky diode mixers, photoconductive detectors, or power detectors, such as photovoltaic detectors, bolometems, or Golay cells.
Alle zuvor beschriebenen Techniken weisen jedoch eine erhebliche Komplexität der Quellen- und Detektorbauelemente selbst sowie bei deren Herstellung auf, so daß diese zwar im Bereich der Forschung und Entwicklung sowie in forschungsnahen Anwendungsgebieten, wie der Radioastronomie, Verwendung finden, jedoch nicht für Massenmärkte geeignet sind.However, all of the techniques described above have a considerable complexity of the source and detector components themselves and in their production, so that while they are used in research and development as well as in research-related applications, such as radio astronomy, but are not suitable for mass markets.
Für optische Frequenzen sind aus dem Stand der Technik, beispielsweise der WO 2002/033817, Systeme bekannt, die es nicht nur ermöglichen, ein Objekt zweidimensional abzubilden, sondern auch das Objekt dreidimensional zu erfassen, d.h. den Abstand zwischen Objekt und Detektor für einzelne Bildpunkte zu bestimmen. Dazu ist es erforderlich, das Objekt aktiv mit moduliertem Licht zu beleuchten. Die aus dem Stand der Technik bekannten, sogenannten PhotoMixing Devices, kurzFor optical frequencies, systems are known from the prior art, for example WO 2002/033817, which not only make it possible to image an object two-dimensionally but also to grasp the object three-dimensionally, ie. determine the distance between object and detector for individual pixels. For this it is necessary to actively illuminate the object with modulated light. The known from the prior art, so-called PhotoMixing Devices, in short
PMD-Elemente, ermöglichen es, die Intensität der vom Objekt reflektierten Strahlung und die Pha- senlage der Modulation gleichzeitig zu erfassen. Ein solches PMD-Element mischt das empfangene modulierte optische Signal in dem Detektorelement mit einem elektrischen Referenzsignal, welches phasenstarr an die Modulation des optischen Signals gekoppelt ist.PMD elements make it possible to simultaneously detect the intensity of the radiation reflected by the object and the phase position of the modulation. Such a PMD element mixes the received modulated optical signal in the detector element with an electrical reference signal which is phase locked coupled to the modulation of the optical signal.
Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein System und ein Verfah- ren zur dreidimensionalen Erfassung eines Objekts mit elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung mit einer Frequenz in einem Bereich von 100 GHz bis 10 THz bereitzustellen.In contrast, the present invention has for its object to provide a system and a method for three-dimensional detection of an object with electromagnetic high-frequency radiation having a frequency in a range of 100 GHz to 10 THz.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein System zur dreidimensionalen Erfassung eines Objektes mit elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung gelöst mit einer Strahlungsquelle für Hoch- frequenzstrahlung mit einer Frequenz in einem Bereich von 100 GHz bis 10 THz, einem Empfänger zur Erfassung der von der Strahlungsquelle abgestrahlten Hochfrequenzstrahlung, der ein Antennenelement und einen Feldeffekttransistor zum Mischen der von der Strahlungsquelle abgestrahlten Hochfrequenzstrahlung mit einem Lokaloszillatorsignal aufweist, wobei der Feldeffekttransistor eine Source, einen Drain und ein Gate aufweist, und mit einer Signalquelle zur Erzeugung eines elektri- sehen Modulationssignals, wobei die Signalquelle derart mit der Strahlungsquelle verbunden ist, dass die Hochfrequenzstrahlung mit dem Modulationssignal modulierbar ist, und wobei die Signalquelle derart mit dem Gate des Feldeffekttransistors verbunden ist, dass die Sensitivität des Feldef- - -This object is achieved by a system for three-dimensional detection of an object with electromagnetic high frequency radiation with a radiation source for high-frequency radiation having a frequency in a range of 100 GHz to 10 THz, a receiver for detecting the radiated from the radiation source high-frequency radiation, the antenna element and a field effect transistor for mixing the radiated from the radiation source high frequency radiation with a local oscillator signal, wherein the field effect transistor has a source, a drain and a gate, and with a signal source for generating an electrical modulation signal see, the signal source is so connected to the radiation source in that the high-frequency radiation can be modulated with the modulation signal, and wherein the signal source is connected to the gate of the field-effect transistor in such a way that the sensitivity of the field field - -
fekttransistors mit einem phasenstarr an das Modulationssignal gekoppelten Lokaloszillatorsignal modulierbar ist.fekttransistors with a phase-locked to the modulation signal coupled local oscillator signal is modulated.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Strahlungsquelle so eingerichtet, daß sie elektromag- netische Hochfrequenzstrahlung in einem Bereich von 300 GHz bis 1 THz abstrahlt.In one embodiment of the invention, the radiation source is arranged to emit electromagnetic high-frequency radiation in a range of 300 GHz to 1 THz.
Dabei kann die Strahlungsquelle so eingerichtet sein, daß die Hochfrequenzstrahlung direkt mit dem Modulationssignal modulierbar ist. Eine solche direkte Modulation der abgestrahlten Hochfrequenzstrahlung läßt sich in der Regel bei den elektrisch getriebenen Hochfrequenzquellen, beispielsweise (Quantenkaskaden-)Lasem oder Diodenquellen, realisieren, indem der die Quelle treibende Strom bzw. die Spannung unmittelbar moduliert werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Strahlungsquelle einen Modulator aufweisen, der mit der Signalquelle verbunden ist, so daß der von der Strahlungsquelle abgestrahlten Hochfrequenzstrahlung nach der Emission durch die eigentliche Strahlungsquelle eine Modulation aufgeprägt wird. Solche Modulatoren können beispielsweise Halbleiter- bauelemente oder auch die aus der nichtlinearen Optik bekannten Bauelemente, wie zum Beispiel ein Pockels-Zellen, sein.In this case, the radiation source can be set up so that the high-frequency radiation can be modulated directly with the modulation signal. Such a direct modulation of the emitted high-frequency radiation can generally be realized in the electrically driven high-frequency sources, for example (quantum cascade) lasers or diode sources, by directly modulating the current or voltage driving the source. Alternatively or additionally, the radiation source may have a modulator which is connected to the signal source, so that the radiation emitted by the radiation source high-frequency radiation after emission by the actual radiation source is a modulation impressed. Such modulators can be, for example, semiconductor components or else the components known from non-linear optics, such as, for example, a Pockels cell.
Dabei ist je nach Ausführungsform die Strahlungsquelle so eingerichtet, daß entweder die Intensität der abgestrahlten Hochfrequenzstrahlung oder deren Frequenz oder beide modulierbar sind.Depending on the embodiment, the radiation source is set up so that either the intensity of the emitted high-frequency radiation or its frequency or both can be modulated.
Bei dem Antennenelement handelt es sich in einer Ausführungsform der Erfindung um eine bei der Betriebsfrequenz der Strahlungsquelle resonante Hochfrequenzantenne, beispielsweise eine Dipolantenne oder auch um eine breitbandige Antenne, welche eine Frequenzabstimmung der Strahlungsquelle ermöglicht, ohne die Sensitivität auf der Empfängerseite zu verlieren.In one embodiment of the invention, the antenna element is a radio-frequency antenna resonant at the operating frequency of the radiation source, for example a dipole antenna or even a broadband antenna, which enables frequency tuning of the radiation source without losing the sensitivity on the receiver side.
Der in dem Empfänger als Mischer verwendete Feldeffekttransistor ist ein Feldeffekttransistor mit einer Source, einem Drain und einem Gate, welcher einen Gate-Source-Kontakt, einen Source- Drain-Kanal und einen Gate-Drain-Kontakt aufweist.The field effect transistor used in the receiver as a mixer is a field effect transistor having a source, a drain and a gate, which has a gate-source contact, a source-drain channel and a gate-drain contact.
Ein Feldeffekttransistor (kurz FET, engl, field-effect transistor) im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein unipolarer Transistor, bei dem im Gegensatz zu den Bipolartransistoren nur ein Ladungstyp am Stromfluss beteiligt ist - abhängig von der Bauart können die Elektronen oder Löcher sein. Die Feldeffekttransistoren werden vorzugsweise weitestgehend leistungs- bzw. verlustlos geschaltet. Ein mögliches Beispiel für einen erfindungsgemäßen Feldeffekttransistor ist ein MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-FET). Im Gegensatz zu Bipolartransistoren (stromgesteuert) sind Feldeffekttransistoren spannungsgesteuerte Schaltungselemente. Die Ansteuerung erfolgt über die Gate-Source-Spannung, welche zur Regulation des Kanalquerschnittes - -For the purposes of the present invention, a field-effect transistor (FET) in the sense of the present invention is a unipolar transistor in which, unlike the bipolar transistors, only one charge type is involved in the current flow - depending on the design, the electrons or holes may be. The field-effect transistors are preferably switched largely without power or loss. A possible example of a field effect transistor according to the invention is a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET). In contrast to bipolar transistors (current-controlled), field-effect transistors are voltage-controlled circuit elements. The control takes place via the gate-source voltage, which regulates the channel cross-section - -
bzw. der Ladungsträgerdichte, d.h. des Widerstands des Halbleiters, dient, um so den elektrischen Strom über den Source-Drain-Kanal zu schalten oder zu verstärken.or the carrier density, i. of the resistance of the semiconductor serves to switch or to amplify the electric current through the source-drain channel.
Der Feldeffekttransistor arbeitet in der erfindungsgemäßen Anordnung als resistiver Mischer. Unter resistiven Mischern versteht man im Sinne dieser Anmeldung sowohl klassische resistive Mischer, bei denen die Modulierung des Kanalwiderstandes im quasistationären Grenzfall erfolgt, als auch plasmonische resistive Mischer, bei denen kollektive Ladungsträgerschwingungen (Plasmonen) im 2-dimensionalen Elektronengas angeregt werden. Die Plasmonen können schwach gedämpft oder überdämpft sein.The field effect transistor operates in the inventive arrangement as a resistive mixer. For the purposes of this application, resistive mixers are understood as meaning both classical resistive mixers in which the modulation of the channel resistance occurs in the quasi-stationary limiting case and plasmonic resistive mixers in which collective carrier vibrations (plasmon) are excited in the 2-dimensional electron gas. The plasmons may be weakly attenuated or over-attenuated.
Die zu erfassende Hochfrequenzstrahlung wird in einer Ausführungsform über den Gate-Source- Kontakt in den Feldeffekttransistor eingespeist.The high-frequency radiation to be detected is fed in one embodiment via the gate-source contact in the field effect transistor.
Zweckmäßig ist eine Ausführungsform, bei welcher der Feldeffekttransistor bei der Zielfrequenz der Hochfrequenzstrahlung über den Source-Drain-Kanal eine möglichst hohe Impedanz aufweist. Um diese Randbedingung zu erfüllen, weist der Source-Drain-Kanal in einer Ausführungsform der Erfindung zumindest einseitig einen hochimpedanten Abschluss für die zu empfangene Hochfrequenzstrahlung auf. Dabei ist in einer Ausführungsform die Hochfrequenzimpedanz des Source-Drain- Kanals bei der Zielfrequenz größer als 1 MΩ. Die hohe Impedanz am Source-Drain-Kanal wird in einer Ausführungsform extern, d.h. durch die Beschaltung, bereitgestellt, sie kann jedoch auch durch die Konstruktion des Transistors selbst realisiert sein. Zum externen Bereitstellen der hohen Impedanz kann in einer Ausführungsform der Erfindung der Drain des Feldeffekttransistors mit einem Impedanzanpassungselement, vorzugsweise einer Wellenleitung mit passender Impedanz, verbunden sein. In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Antennenelement, bzw. ein Anschluss des Antennenelements mit dem Gate des Feldeffekttransistors verbunden. In einer solchen Ausführungsform ist der Drain mit einem Spannungsintegrator verbunden, welcher ein integriertes Spannungsausgangssignal erzeugt, das proportional zu der auf das Antennenelement auftreffenden Leistung der Hochfrequenzstrahlung ist. Die integrierte Spannung hängt darüber hinaus von der Phasendifferenz zwischen der auf das Antennenelement einfallenden Hochfrequenzstrahlung und dem Lokaloszillatorsignal ab.It is expedient to use an embodiment in which the field effect transistor has the highest possible impedance at the target frequency of the high-frequency radiation via the source-drain channel. In order to meet this boundary condition, in one embodiment of the invention, the source-drain channel has a high-impedance termination for the high-frequency radiation to be received, at least on one side. In one embodiment, the high-frequency impedance of the source-drain channel at the target frequency is greater than 1 MΩ. The high impedance at the source-drain channel in one embodiment is externally, i. provided by the circuitry, but it may also be realized by the design of the transistor itself. For externally providing the high impedance, in one embodiment of the invention, the drain of the field effect transistor may be connected to an impedance matching element, preferably a waveguide with matching impedance. In one embodiment of the invention, the antenna element or a connection of the antenna element is connected to the gate of the field effect transistor. In such an embodiment, the drain is connected to a voltage integrator which generates an integrated voltage output signal that is proportional to the power of the high frequency radiation impinging on the antenna element. The integrated voltage also depends on the phase difference between the incident on the antenna element high-frequency radiation and the local oscillator signal.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Gate mit einer Gleichspannungsquelle verbunden. Die Vorspannung des Gates zusätzlich zu der Beaufschlagung mit dem Lokaloszillatorsignal ermög- licht es, den Arbeitspunkt des Feldeffekttransistors so einzustellen, dass die Amplitudenmodulation des Lokaloszillatorsignals den Transistor zwischen Zuständen hoher und niedriger Sensitivität hin und her schaltet. - -In one embodiment of the invention, the gate is connected to a DC voltage source. The bias of the gate, in addition to the local oscillator signal, allows the operating point of the field effect transistor to be adjusted so that the amplitude modulation of the local oscillator signal toggles the transistor between high and low sensitivity states. - -
In einer Ausführungsform weist das erfindungsgemäße System einen Phasenschieber auf, der eine auswählbar einstellbare Phasenverschiebung zwischen der zu erfassenden Hochfrequenzstrahlung und dem Lokaloszillatorsignal einfügt.In one embodiment, the system according to the invention has a phase shifter which inserts a selectably adjustable phase shift between the high-frequency radiation to be detected and the local oscillator signal.
Dabei ist der Phasenschieber in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zwischen der Signalquelle zur Erzeugung des Modulationssignals und dem Gate des Feldeffekttransistors angeordnet, so daß die Phase des Lokaloszillatorsignals relativ zu der Phase der auf das Antennenelement einfallenden Hochfrequenzstrahlung verschoben werden kann.In this case, the phase shifter is arranged in a preferred embodiment of the invention between the signal source for generating the modulation signal and the gate of the field effect transistor, so that the phase of the local oscillator signal relative to the phase of the incident on the antenna element radiofrequency radiation can be moved.
Jedoch sind alternative Ausführungsformen denkbar, in denen die Phase der Modulation der Hochfrequenzstrahlung verschoben wird. Dies kann beispielsweise durch einen Phasenschieber geschehen, der das Modulationssignal zwischen Signalquelle und Strahlungsquelle verschiebt.However, alternative embodiments are conceivable in which the phase of the modulation of the high-frequency radiation is shifted. This can be done for example by a phase shifter, which shifts the modulation signal between the signal source and the radiation source.
Das Einfügen einer Phasenverschiebung zwischen der Modulation der erfaßten Hochfrequenzstrah- lung und dem Lokaloszillatorsignal ermöglicht es, durch Messung der Quadraturkomponenten die Phasenlage der Modulation der Hochfrequenzstrahlung relativ zu dem Lokaloszillatorsignal zu erfassen und somit ein Maß für die Laufzeit bzw. die Pfadlänge der elektromagnetischen Hochfrequenzstrahlung zwischen der Strahlungsquelle und dem Empfänger zu bestimmen.The insertion of a phase shift between the modulation of the detected high-frequency radiation and the local oscillator signal makes it possible to detect the phase position of the modulation of the high-frequency radiation relative to the local oscillator signal by measuring the quadrature components and thus a measure of the transit time or the path length of the electromagnetic high-frequency radiation between the Radiation source and the receiver to determine.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist das Antennenelement mit dem Drain des Feldeffekttransistors verbunden. Dies ermöglicht eine Kopplung der zu erfassenden Hochfrequenzstrahlung an den Source-Drain-Kanal des Feldeffekttransistors.In an alternative embodiment of the invention, the antenna element is connected to the drain of the field effect transistor. This allows a coupling of the high-frequency radiation to be detected to the source-drain channel of the field-effect transistor.
In einer solchen Ausführungsform ist vorzugsweise die Source des Feldeffekttransistors mit einem Strom integrator verbunden, dessen Spannungsausgang von der Leistung der auf das Antennenelement einfallenden Hochfrequenzstrahlung abhängig ist. Der entstehende Gleichstrom wird am Source-Drain-Kanal mit niedriger Impedanz ausgelesen. Darüber hinaus ist auch der Spannungsausgang des Stromintegrators von der Phasendifferenz zwischen der Modulation der einfallenden Hochfrequenzstrahlung und der Phasenlage des Lokaloszillatorsignals abhängig.In such an embodiment, the source of the field effect transistor is preferably connected to a current integrator, the voltage output of which depends on the power of the radio-frequency radiation incident on the antenna element. The resulting DC current is read out at the source-drain channel with low impedance. In addition, the voltage output of the current integrator is also dependent on the phase difference between the modulation of the incident high-frequency radiation and the phase position of the local oscillator signal.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist der Empfänger eine matrixförmige Anordnung einer Mehrzahl von Antennenelementen und Feldeffekttransistoren auf. Eine solche Anordnung ermöglicht die Erfassung der Strahlung in einem zellenförmigen oder flächigen Element, wobei insbesondere flächige Elemente die Erfassung eines zweidimensionalen Bildes nach Art eines CCD- oder CMOS- Chips ermöglichen, während für jeden Bildpunkt gleichzeitig eine Tiefeninformation erfasst werden kann, so daß eine dreidimensionale Abbildung des erfaßten Gegenstandes möglich ist. - -In one embodiment of the invention, the receiver has a matrix-like arrangement of a plurality of antenna elements and field-effect transistors. Such an arrangement makes it possible to detect the radiation in a cell-shaped or planar element, wherein in particular planar elements allow the detection of a two-dimensional image in the manner of a CCD or CMOS chip, while for each pixel a depth information can be detected simultaneously, so that a three-dimensional Illustration of the detected object is possible. - -
In einer Ausführungsform der Erfindung, bei welcher eine Mehrzahl von Antennenelementen und Feldeffekttransistoren den Empfänger des Systems bilden, sind jeweils vier Feldeffekttransistoren zu einem anderen Bildelement bzw. Bildpunkt (Pixel) zusammengefaßt. Diese vier Feldeffekttransistoren werden vorzugsweise von dem gleichen Antennenelement gespeist, können jedoch auch jeweils mit einem einzigen Antennenelement verbunden sein. In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Lokaloszillatorsignale, welche mit den vier Feldeffekttransistoren eines solchen Bildpunktes verbunden sind, um jeweils 90° gegeneinander verschoben, so daß gleichzeitig alle Quadraturkomponenten des Signals mit einem einzigen Bildpunkt erfasst werden können.In one embodiment of the invention, in which a plurality of antenna elements and field effect transistors form the receiver of the system, four field effect transistors are combined to form a different pixel. These four field effect transistors are preferably fed by the same antenna element, but may each be connected to a single antenna element. In one embodiment of the invention, the local oscillator signals, which are connected to the four field effect transistors of such a pixel, each shifted by 90 ° to each other, so that at the same time all quadrature components of the signal can be detected with a single pixel.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Antennenelement über einen Hochfrequenzteiler sowohl mit dem Gate als auch mit dem Drain des Feldeffekttransistors verbunden. Dies ermöglicht eine Verbesserung der Leistungserfassung des auf das Antennenelement einfallenden Hochfrequenzsignals. Auf diese Weise wird das Hochfrequenzsignal sowohl in den Gate-Source-Kontakt als auch in den Source-Drain-Kanal eingekoppelt. Beispiele für mögliche Hochfrequenzteiler umfassen eine zwischen Gate und Drain des Feldeffekttransistors angeordnete Kapazität, einen Impedanzteiler, etc. Die Auswahl des Teilers und seiner Bauelemente, z.B. zweier Impedanzen, ermöglicht es, die Phasenverschiebung zwischen den mit dem Gate und mit dem Drain verbundenen Anteile der Hochfrequenzstrahlung so anzupassen, dass eine optimale Signalüberhöhung erreicht wird und die Signalanteile in dem Feldeffekttransistor möglichst nicht destruktiv interferieren.In one embodiment of the invention, the antenna element is connected via a high frequency divider both to the gate and to the drain of the field effect transistor. This makes it possible to improve the power detection of the high-frequency signal incident on the antenna element. In this way, the high-frequency signal is coupled into both the gate-source contact and the source-drain channel. Examples of possible high frequency dividers include a capacitor disposed between the gate and drain of the field effect transistor, an impedance divider, etc. The selection of the divider and its components, e.g. two impedances makes it possible to adjust the phase shift between the parts of the high-frequency radiation connected to the gate and to the drain in such a way that an optimal signal increase is achieved and the signal components in the field-effect transistor interfere as non-destructively as possible.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist der Empfänger für ein einziges Antennenelement zwei Feldeffekttransistoren auf, wobei der erste Feldeffekttransistor einen Detektor-Transistor bildet und der zweite Feldeffekttransistor zur Kompensation des Signalanteils dient (Kompensationstransistor), welcher durch eine Gleichrichtung am Gate des Detektor-Feldeffekttransistors anliegenden Modula- tionsspannung des Lokaloszillatorsignals hervorgerufen wird. Auch in einer solchen Ausführungsform wird das Lokaloszillatorsignal in das Gate des Detektor-Transistors gespeist und das Antennenelement ist beispielsweise ebenfalls mit dem Gate des Detektor-Transistors verbunden. Der zweite Kompensations-Transistor hingegen ist an seinem Gate lediglich mit dem Lokaloszillatorsignal versehen, so daß der Ausgang des Kompensations-Transistors ein Maß für das gleichgerichtete Modulationssignal am Gate des Transistors ist. Zieht man dann in einem Differenzverstärker das Signal des Kompensations-Transistors von dem Signalausgang des Detektor-Transistors ab, so wird der Effekt der Gleichrichtung des am Gate anliegenden Lokaloszillatorsignals kompensiert.In one embodiment of the invention, the receiver for a single antenna element comprises two field effect transistors, wherein the first field effect transistor forms a detector transistor and the second field effect transistor for compensation of the signal component (compensation transistor), which modula applied by a rectification at the gate of the detector field effect transistor - tion voltage of the local oscillator signal is caused. Also in such an embodiment, the local oscillator signal is fed to the gate of the detector transistor and the antenna element is also connected, for example, to the gate of the detector transistor. The second compensation transistor, however, is provided at its gate only with the local oscillator signal, so that the output of the compensation transistor is a measure of the rectified modulation signal at the gate of the transistor. If one then subtracts the signal of the compensation transistor from the signal output of the detector transistor in a differential amplifier, the effect of rectification of the local oscillator signal applied to the gate is compensated.
Eine solche Anordnung wird in einer Ausführungsform der Erfindung dadurch realisiert, dass vor dem Gate des Kompensations-Transistors ein Tiefpassfilter vorgesehen ist, welcher zwar die Modulationsfrequenz des Lokaloszillatorsignals durchläßt, jedoch die Frequenz des Hochfrequenzsignals filtert. - -Such an arrangement is realized in one embodiment of the invention in that a low-pass filter is provided in front of the gate of the compensation transistor, which indeed passes the modulation frequency of the local oscillator signal, but filters the frequency of the high-frequency signal. - -
Im folgenden wird nun beispielhaft beschrieben, wie mit Hilfe einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems ein Verfahren zur dreidimensionalen Erfassung eines Objekts mit elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung ausgeführt werden kann.In the following it will now be described by way of example how a method for the three-dimensional detection of an object with electromagnetic high-frequency radiation can be carried out with the aid of an embodiment of the system according to the invention.
In einer Ausführungsform wird beispielsweise die Hochfrequenzstrahlung der Strahlungsquelle mit einem sinusförmigen Modulationssignal amplitudenmoduliert. Das sinusförmige Modulationssignal, das zum Aufprägen einer Amplitudenmodulation auf die Hochfrequenzstrahlung verwendet wird, wird auch in das Gate des Feldeffekttransistors eingekoppelt, um der Gate-Elektrode das Modulationssignal aufzuprägen. Das Ausgangssignal des Feldeffekttransistors hängt vom Produkt aus der Sensitivität des Transistors und der Intensität der einfallenden elektromagnetischen Hochfrequenzstrahlung ab. Ist sowohl die einfallende Strahlung intensitätsmoduliert als auch die Sensitivität des Detektors mit dem gleichen, jedoch phasenverschobenen Modulationssignal moduliert, so enthält das Ausgangssignal des Detektors einen gleichgerichteten Spannungs- bzw. Stromanteil, der von der Phasendifferenz zwischen der dem Gate aufgeprägten Modulation und der Modulation des Hochfrequenzsignals abhängt.In one embodiment, for example, the high-frequency radiation of the radiation source is amplitude-modulated with a sinusoidal modulation signal. The sinusoidal modulation signal used to impose amplitude modulation on the radio frequency radiation is also coupled into the gate of the field effect transistor to impress the modulation signal to the gate electrode. The output signal of the field effect transistor depends on the product of the sensitivity of the transistor and the intensity of the incident electromagnetic high frequency radiation. If both the incident radiation is intensity-modulated and the sensitivity of the detector is modulated with the same but out-of-phase modulation signal, then the output of the detector will include a rectified voltage component based on the phase difference between the gate applied modulation and the modulation of the radio frequency signal depends.
Aufgrund der Abstammung von der gleichen Signalquelle sind die Modulation der Hochfrequenzstrahlung und die Modulation des Gates (Lokaloszillatorsignal), d.h. der Sensitivität des Feldeffekttransistors, phasenstarr aneinander gekoppelt. Die so bestimmte Phase der Modulation des Hoch- frequenzsignals erlaubt die Rückberechnung des Abstands zwischen einem Objekt, welches die von der Strahlungsquelle abgestrahlte Hochfrequenzstrahlung reflektiert, und dem Feldeffekttransistor im Rahmen der Grenzen der 2π-Unbestimmtheit.Due to the descent from the same signal source, the modulation of the high frequency radiation and the modulation of the gate (local oscillator signal), i. the sensitivity of the field effect transistor, phase-locked together. The phase of the modulation of the high-frequency signal thus determined allows the back-calculation of the distance between an object which reflects the high-frequency radiation emitted by the radiation source and the field-effect transistor within the limits of the 2π uncertainty.
Um die 2π-Unbestimmtheit zu umgehen, können in einer Ausführungsform die aus der Interfero- metrie bekannten Verfahren eingesetzt werden, beispielsweise können ein breites Spektrum an Modulationsfrequenzen (analog zur Weißlicht-Interferometrie) oder verschiedene Modulationssequenzen, insbesondere von einem sinusförmigen Verlauf abweichende Modulationen, zum Beispiel quasi zufällige Signalfolgen, verwendet werden.In order to avoid the 2π uncertainty, the methods known from interferometry can be used in one embodiment; for example, a broad spectrum of modulation frequencies (analogous to white-light interferometry) or different modulation sequences, in particular modulations deviating from a sinusoidal curve, can be used Example, quasi-random signal sequences, can be used.
Die zuvor genannte Aufgabe wird daher auch durch ein Verfahren zur dreidimensionalen Erfassung eines Objekts mit elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung gelöst, das die folgenden Schritte aufweist: Erzeugen von elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung mit einer Frequenz im Bereich von 100 GHz bis 10 THz, Modulieren der Amplitude oder Frequenz der Hochfrequenzstrahlung mit einem Modulationssignal, Erfassen der modulierten Hochfrequenzstrahlung mit einem Empfänger, der ein Antennenelement und einen Feldeffekttransistor zum Mischen der von der Strahlungsquelle abgestrahlten Hochfrequenzstrahlung mit einem Lokaloszillatorsignal aufweist, wobei der Feldeffekttransistor eine Source, einen Drain und einen Gate aufweist, und Modulieren der Sensitivität des - -The above object is therefore also achieved by a method for three-dimensional detection of an object with electromagnetic high-frequency radiation, comprising the following steps: generating electromagnetic high-frequency radiation having a frequency in the range of 100 GHz to 10 THz, modulating the amplitude or frequency of the high-frequency radiation a modulation signal, detecting the modulated radio frequency radiation with a receiver having an antenna element and a field effect transistor for mixing the radio frequency radiation radiated by the radiation source with a local oscillator signal, wherein the field effect transistor has a source, a drain and a gate, and modulating the sensitivity of the - -
Feldeffekttransistors mit einem phasenstarr an das Modulationssignal gekoppelten Lokaloszillatorsignal.Field effect transistor with a phase-locked to the modulation signal coupled local oscillator signal.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden an- hand der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung und der dazugehörigen Figuren deutlich.Further advantages, features and possible applications of the present invention will become apparent from the following description of embodiments of the invention and the associated figures.
Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Systems zur dreidimensionalen Erfassung eines Objekts gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Figur 2 zeigt eine erste Ausführungsform des Empfängers des erfindungsgemäßen Systems aus Figur 1.Figure 1 shows schematically the structure of a system according to the invention for the three-dimensional detection of an object according to an embodiment of the invention. FIG. 2 shows a first embodiment of the receiver of the system according to the invention from FIG. 1.
Figur 3 zeigt eine alternative Ausführungsform des Empfängers aus Figur 1. Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Empfängers, wobei das Hochfrequenzsignal mit dem Gate und der Source gekoppelt ist. Figur 5 zeigt eine alternative Ausführungsform des Empfängers des erfindungsgemäßen Systems mit einem Kompensations-Transistor.FIG. 3 shows an alternative embodiment of the receiver of FIG. 1. FIG. 4 shows a further embodiment of the receiver, wherein the high-frequency signal is coupled to the gate and the source. FIG. 5 shows an alternative embodiment of the receiver of the system according to the invention with a compensation transistor.
Figur 6 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Empfängers mit Kompensations-Transistor und einem zusätzlichen Shunt zwischen Gate und Drain der verwendeten Feldeffekttransistoren. Figur 7 zeigt eine alternative Beschaltung eines Empfängers mit zwei Feldeffekttransistoren.FIG. 6 shows an alternative embodiment of a receiver with compensation transistor and an additional shunt between gate and drain of the field effect transistors used. FIG. 7 shows an alternative connection of a receiver with two field-effect transistors.
In den Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.In the figures, like elements are designated by like reference numerals.
Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Systems mit einer Strahlungsquelle 1 , die ein elektromagnetisches Hochfrequenzsignal 3 mit einer Frequenz von 600 GHz abstrahlt. Die elektromagnetische Hochfrequenzstrahlung 3 beleuchtet ein Objekt 4, welches Teile der Strahlung 3 auf einen Empfänger 2 reflektiert. In der dargestellten Ausführungsform ist die Strahlungsquelle 1 ein Quantenkaskadenlaser.Figure 1 shows schematically the structure of a system according to the invention with a radiation source 1, which emits an electromagnetic high frequency signal 3 with a frequency of 600 GHz. The electromagnetic high-frequency radiation 3 illuminates an object 4, which reflects parts of the radiation 3 onto a receiver 2. In the illustrated embodiment, the radiation source 1 is a quantum cascade laser.
Die Strahlungsquelle 1 prägt der abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung 3 eine sinusförmige Amplitudenmodulation mit einer Modulationsfrequenz von 10 MHz auf. Dazu ist der Quantenkaskadenlaser 1 mit einer Signalquelle 5 verbunden, die ein sinusförmiges Modulationssignal bei 10 MHz vorgibt.The radiation source 1 impresses the radiated electromagnetic radiation 3 on a sinusoidal amplitude modulation with a modulation frequency of 10 MHz. For this purpose, the quantum cascade laser 1 is connected to a signal source 5, which specifies a sinusoidal modulation signal at 10 MHz.
Die Signalquelle 5 ist darüber hinaus mit dem Gate G eines Feldeffekttransistors des Empfängers 2 verbunden. Durch die Modulation des Gates G des Feldeffekttransistors wird die Sensitivität des Transistors mit der gleichen Frequenz moduliert wie die Intensität der elektromagnetischen Strahlung 3. Aufgrund der Erzeugung in der gleichen Signalquelle 5 sind die Intensitätsmodulation der - -The signal source 5 is also connected to the gate G of a field effect transistor of the receiver 2. Due to the modulation of the gate G of the field effect transistor, the sensitivity of the transistor is modulated with the same frequency as the intensity of the electromagnetic radiation 3. Due to the generation in the same signal source 5, the intensity modulation of - -
elektromagnetischen Strahlung 3 und die Modulation der Sensitivität des Transistors phasenstarr aneinander gekoppelt.electromagnetic radiation 3 and the modulation of the sensitivity of the transistor phase-locked coupled to each other.
In Figur 2 ist eine erste Ausführungsform des Empfängers 2 des erfindungsgemäßen Systems schematisch dargestellt. Der Empfänger 2 weist eine Hochfrequenzantenne 21 auf, welche bei der Zielfrequenz von 600 GHz resonant ist. Ein Anschluss der Dipolantenne 21 ist mit dem Gate G des Detektor-Feldeffekttransistors FET1 verbunden.FIG. 2 schematically shows a first embodiment of the receiver 2 of the system according to the invention. The receiver 2 has a high-frequency antenna 21 which is resonant at the target frequency of 600 GHz. One terminal of the dipole antenna 21 is connected to the gate G of the detector field effect transistor FET1.
Das Gate G des Transistors FET1 ist darüber hinaus über einen Phasenschieber 22 mit der Signal- quelle 5 verbunden. Die Signalquelle 5 stellt eine Modulationsspannung mit einer Frequenz von 10 MHz bereit, wobei das gleiche Spannungssignal auch zum Modulieren der Hochfrequenzquelle 1 (siehe Schema aus Figur 1 ) verwendet wird.The gate G of the transistor FET1 is also connected to the signal source 5 via a phase shifter 22. The signal source 5 provides a modulation voltage with a frequency of 10 MHz, wherein the same voltage signal is also used to modulate the high frequency source 1 (see scheme of Figure 1).
Weiterhin ist das Gate G des Feldeffekttransistors FET1 mit einer Gleichspannungsquelle 23 ver- bunden. Die an dem Gate G des Feldeffekttransistors FET1 anliegende Gleichvorspannung der Vorspannungsquelle 23 ist so gewählt, dass die Modulation der Signalquelle 5 die Sensitivität des Transistors FET1 zwischen hoch und gering moduliert. Der Drain des Feldeffekttransistors FET1 ist mit einem Spannungsintegrator 24 verbunden, welcher die am Drain anliegende Spannung integriert und ein Spannungssignal ausgibt, welches proportional zu der Leistung der auf das Antennenele- ment 21 einfallenden Hochfrequenzstrahlung ist und welches gleichzeitig eine Funktion der Phasendifferenz zwischen den Phasenlagen des empfangenen Hochfrequenzsignals und des Modulationsbzw. Lokaloszillatorsignals, welches von der Signalquelle 5 stammt, ist.Furthermore, the gate G of the field effect transistor FET1 is connected to a DC voltage source 23. The DC bias voltage of the bias voltage source 23 applied to the gate G of the field effect transistor FET1 is selected so that the modulation of the signal source 5 modulates the sensitivity of the transistor FET1 between high and low. The drain of the field effect transistor FET1 is connected to a voltage integrator 24, which integrates the voltage applied to the drain and outputs a voltage signal which is proportional to the power of the high frequency radiation incident on the antenna element 21 and which at the same time is a function of the phase difference between the phase positions of the received radio frequency signal and the Modulationsbzw. Local oscillator signal originating from the signal source 5 is.
Analog kann eine Schaltung implementiert werden, bei welcher der Strom statt der Spannung die Messgröße darstellt.Analogously, a circuit can be implemented in which the current instead of the voltage represents the measured variable.
Ein Phasenschieber 22 ermöglicht es nun, die Phasenlage des von der Signalquelle 5 stammenden am Gate G des Feldeffekttransistors FET1 anliegenden Modulations- bzw. Lokaloszillatorsignals gegenüber der Phase der Amplitudenmodulation auf dem Antennenelement 21 auftreffenden Hoch- frequenzstrahlung zu verschieben. Auf diese Weise lassen sich mit Hilfe von vier Messungen alle Quadraturkomponenten des einfallenden Hochfrequenzsignals erfassen und so die Phasenlage in Bezug auf das Lokaloszillatorsignal bestimmen. Dabei wird zwischen jeder Messung die Phasenlage des Lokaloszillatorsignals mit Hilfe des Phasenschiebers 22 um 90° verschoben.A phase shifter 22 now makes it possible to shift the phase position of the modulation source or local oscillator signal originating from the signal source 5 at the gate G of the field-effect transistor FET1 in relation to the phase of the amplitude modulation on the antenna element 21. In this way, with the help of four measurements all quadrature components of the incident high-frequency signal can be detected and thus determine the phase position with respect to the local oscillator signal. In this case, the phase position of the local oscillator signal with the aid of the phase shifter 22 is shifted by 90 ° between each measurement.
Wenn mit Hilfe der Gleichspannungsquelle 23 eine konstante Vorspannung U0 zwischen der Sour- ce S und dem Gate G des Feldeffekttransistors FET1 angelegt wird, führt die einfallende Hochfrequenzstrahlung 3 zum Auftreten eines konstanten Drain-Potentials AU . Der Transistor P-FET kann - -If a constant bias voltage U 0 between the source S and the gate G of the field-effect transistor FET1 is applied with the aid of the DC voltage source 23, the incident high-frequency radiation 3 leads to the occurrence of a constant drain potential AU. The transistor P-FET can - -
zwischen einem eingeschalteten Zustand (hohe Sensitivität) und einem nahezu ausgeschalteten Zustand (keine Sensitivität) geschaltet werden durch Modulieren der Vorspannung U0 + Um desbetween an on state (high sensitivity) and a nearly off state (no sensitivity) are switched by modulating the bias voltage U 0 + U m of
Gates G. Dazu wird der konstanten Vorspannung U0 das Modulationssignal U1n der Signalquelle 5 hinzugefügt, wobei U0 so angepaßt wird, daß die maximale Antwort bei der Spannung U0 -U1n erhalten wird. Da die einfallende Hochfrequenzstrahlung 3 mit der gleichen Frequenz ωmod moduliert ist wie das Gate G, ist die am Drain D anliegende Spannung AU eine periodische zeitabhängige Funktion, die von der Gesamtphasenverschiebung Aφ + φ0 zwischen der Intensitätsmodulation der einfallenden elektromagnetischen Hochfrequenzstrahlung 3 und der Modulation U1n des Gates G abhängt, wobei Aφ die Phase der Gate-Modulation und φ0 die Phase der Modulation der auf den Transistor einfallenden Hochfrequenzstrahlung 3 ist.Gates G. For this purpose, the modulation signal U 1n of the signal source 5 is added to the constant bias voltage U 0 , U 0 being adjusted so that the maximum response at the voltage U 0 -U 1n is obtained. Since the incident high-frequency radiation 3 is modulated with the same frequency ω mod as the gate G, the voltage AU present at the drain D is a periodic time-dependent function, that of the total phase shift Aφ + φ 0 between the intensity modulation of the incident high-frequency electromagnetic radiation 3 and the modulation U 1n of the gate G depends, where Aφ is the phase of the gate modulation and φ 0 is the phase of the modulation of the radiofrequency radiation 3 incident on the transistor.
Die Autokorrelationsfunktion AU mtegrated erreicht ein Maximum, wenn die einfallendeThe autocorrelation function AU m teg r ated reaches a maximum when the incident
Hochfrequenzstrahlung 3 und die Oszillationen der am Gate G anliegenden Spannung eine Phasendifferenz von nπ aufweisen, wobei n eine ungerade Zahl ist. Diese Bedingung ist genau dann erfüllt, wenn das Maximum des modulierten Signals zu dem gleichen Zeitpunkt auf den Transistor P-FET auftrifft, zu dem dessen Gate G so vorgespannt ist, daß die Sensitivität maximal ist.High frequency radiation 3 and the oscillations of the voltage applied to the gate G have a phase difference of nπ, where n is an odd number. This condition is satisfied if and only if the maximum of the modulated signal impinges on the transistor P-FET at the same instant to which its gate G is biased so that the sensitivity is maximum.
Wenn das Objekt 4 aus Figur 1 mit der von der Strahlungsquelle 1 abgestrahlten intensitätsmodu- lierten Hochfrequenzstrahlung 3 beleuchtet wird, weist die auf den Feldeffekttransistor FET1 auftref- fende Strahlung eine Phasenverschiebung Aφ auf, die proportional zum Abstand d zwischen demIf the object 4 from FIG. 1 is illuminated with the intensity-modulated high-frequency radiation 3 emitted by the radiation source 1, the radiation incident on the field-effect transistor FET 1 has a phase shift Δφ which is proportional to the distance d between the
Feldeffekttransistor FET1 und dem Objekt ist. Der Abstand d beträgt d = c - Aφ /2ωmod . Die Autokorrelationsfunktion für ein Objekt 4 in einem bestimmten Abstand, welcher eine Phasenverschiebung Aφ einfügt, kann aus vier Abtastpunkten A1, A2, A3 und A4, die jeweils um 90° zueinander phasenverschoben sind, rekonstruiert werden, wobei die folgende Gleichung verwendet wird:Field effect transistor FET1 and the object is. The distance d is d = c - Aφ / 2ω mod . The autocorrelation function for an object 4 at a certain distance, which introduces a phase shift Δφ, can be reconstructed from four sampling points A 1 , A 2 , A 3 and A 4 , each phase-shifted by 90 ° to each other, using the following equation becomes:
Δφ = arctan (A2 - A4)Z(A1 - A3).Δφ = arctane (A 2 -A 4 ) Z (A 1 -A 3 ).
In Figur 3 ist eine zu der Ausführungsform aus Figur 2 alternative Ausgestaltung des Empfängers 2' dargestellt. Im Gegensatz zu der Ausführungsform aus Figur 2 ist das Antennenelement 21 mit dem Source-Drain-Kanal verbunden statt mit dem Gate G. Das gleichgerichtete Signal wird mit Hilfe eines Strom integrators erfasst, dessen Ausgangsspannung proportional zu der auf das Antennenelement 21 einfallenden Leistung der Hochfrequenzstrahlung ist und die von der Phasendifferenz zwischen der Hochfrequenzstrahlung und dem Lokaloszillatorsignal abhängt. - -FIG. 3 shows an alternative embodiment of the receiver 2 'to the embodiment from FIG. 2. In contrast to the embodiment of Figure 2, the antenna element 21 is connected to the source-drain channel instead of the gate G. The rectified signal is detected by means of a current integrator whose output voltage proportional to the incident on the antenna element 21 power of the high-frequency radiation is and depends on the phase difference between the high-frequency radiation and the local oscillator signal. - -
Figur 4 zeigt eine Ausführungsform des Empfängers 2", der eine Kombination der in Figuren 2 und 3 gezeigten Kopplungen der Antennen 21 an den Feldeffekttransistor FET1 darstellt. Zum Ankoppeln des Antennenelements 21 an den Feldeffekttransistor FET1 über dessen Gate und den Source- Drain-Kanal ist zwischen Antennenelement 21 und Feldeffekttransistor FET1 ein Hochfrequenzteiler 26 aus zwei Impedanzen Z1, Z2 vorgesehen, der das Hochfrequenzsignal, das von dem Antennenelement 21 empfangen wird auf das Gate und den Drain des Feldeffekttransistors FET1 leitet. Wie in Figur 2 erfolgt eine Spannungsintegration des Ausgangssignals des Feldeffekttransistors FET1 am Drain des Transistors FET1. Die komplexen Impedanzen des Teilers 26 sind so gewählt, dass sich die über das Gate und den Drain in den Feldeffekttransistor FET1 eingekoppelten Teile des Hoch- frequenzsignals konstruktiv überlagern.Figure 4 shows an embodiment of the receiver 2 "which is a combination of the couplings of the antennas 21 to the field effect transistor FET1 shown in Figures 2 and 3. For coupling the antenna element 21 to the field effect transistor FET1 via its gate and the source-drain channel between antenna element 21 and field-effect transistor FET1, a high-frequency divider 26 of two impedances Z 1 , Z 2 is provided, which conducts the high-frequency signal received by antenna element 21 to the gate and drain of field-effect transistor FET1 As in Figure 2, voltage integration of the output signal occurs of the field effect transistor FET1 at the drain of the transistor FET 1. The complex impedances of the divider 26 are selected such that the parts of the high frequency signal coupled in via the gate and the drain into the field effect transistor FET1 are structurally superimposed.
Die Ausführungsformen der Figuren 5 bis 7 zeigen Empfänger 2'", 2"", 2 mit einer Anordnung von zwei Feldeffekttransistoren FET1 , FET2 pro Antennenelement 21 , wobei ein erster Feldeffekttransistor FET1 jeweils als Detektor-Transistor, d.h. als Mischerelement dient, während der zweite Feldef- fekttransistor FET2 die Funktion eines Kompensations- bzw. Abgleichstransistor übernimmt. Das gleichgerichtete Gatemodulationssignal bzw. Lokaloszillatorsignal sorgt am Ausgang des Feldeffekttransistors FET1 für einen Gleichspannungsanteil bzw. Offset der keine Signifikanz für das zu erfassende Hochfrequenzsignal 3 aufweist. Die in Figuren 5 bis 7 dargestellten Ausführungsformen ermöglichen es, diesen Offset zu kompensieren bzw. zu subtrahieren.The embodiments of FIGS. 5 to 7 show receivers 2 '", 2" ", 2 with an arrangement of two field effect transistors FET1, FET2 per antenna element 21, a first field effect transistor FET1 serving as a detector transistor, ie as a mixer element, while the second one The rectified gate modulation signal or local oscillator signal provides at the output of the field effect transistor FET1 for a direct voltage component or offset which has no significance for the high-frequency signal 3 to be detected Embodiments make it possible to compensate or subtract this offset.
Wie in Figur 4 ist auch bei der Ausführungsform aus Figur 5 das Antennenelement 21 sowohl mit dem Gate G des Feldeffekttransistors FET1 (Detektor-Transistor) verbunden als auch über eine Kapazität CD mit dem Source-Drain-Kanal des Feldeffekttransistors FET1 gekoppelt. Gleichzeitig ist auch das Modulationssignal der Signalquelle 5 mit dem Gate G verbunden, um in dem Feldeffekt- transistor FET1 ein Mischsignal der beiden Signale zu erzeugen. Bei der in Figur 5 gezeigten Ausführungsform ist das Gate G des Feldeffekttransistors FET1 zusätzlich mit dem Gate G des Feldeffekttransistors FET2 verbunden. Dabei ist vor dem Gate des Feldeffekttransistors FET2 ein Tiefpaßfilter vorgesehen, so daß die Hochfrequenzstrahlung vollständig herausgefiltert wird und nur das Modulations- bzw. Lokaloszillatorsignal der Signalquelle 5 das Gate G des Feldeffekttransistors FET2 erreicht.As in FIG. 4, the antenna element 21 is also connected both to the gate G of the field-effect transistor FET1 (detector transistor) and via a capacitance C D to the source-drain channel of the field-effect transistor FET1 in the embodiment of FIG. At the same time, the modulation signal of the signal source 5 is also connected to the gate G in order to generate a mixed signal of the two signals in the field effect transistor FET1. In the embodiment shown in Figure 5, the gate G of the field effect transistor FET1 is additionally connected to the gate G of the field effect transistor FET2. In this case, a low-pass filter is provided in front of the gate of the field effect transistor FET2, so that the high frequency radiation is completely filtered out and only the modulation or local oscillator signal of the signal source 5 reaches the gate G of the field effect transistor FET2.
Bei allen Ausführungsformen der Figuren 5 bis 7 sind die Feldeffekttransistoren FET1 und FET2 bauartgleich, so daß der zweite Feldeffekttransistor FET2, welcher nicht mit dem Hochfrequenzsignal gespeist wird, lediglich auf Grundlage des Modulationssignals ein Gleichrichtungssignal erzeugt, welches dem entsprechenden Offset des Signals des Feldeffekttransistors FET1 entspricht. Wird in dem nachgeschalteten Differenzverstärker 27 nun das Ausgangssignal des Feldeffekttransistors FET2 von dem Ausgangssignal des Feldeffekttransistors FET1 abgezogen, so erhält man ein aufin- tegrierbares Spannungssignal, welches um den von der Gleichrichtung des Modulationssignals - -In all embodiments of FIGS. 5 to 7, the field-effect transistors FET1 and FET2 are identical in construction, so that the second field-effect transistor FET2, which is not supplied with the high-frequency signal, generates a rectification signal based on the modulation signal, which corresponds to the corresponding offset of the signal of the field-effect transistor FET1 , If the output signal of the field-effect transistor FET2 is now subtracted from the output signal of the field-effect transistor FET1 in the downstream differential amplifier 27, a voltage signal which can be integrated into it is obtained which is equal to that of the rectification of the modulation signal - -
stammenden Offset bereinigt ist. Das mit Hilfe eines Spannungsintegrators 24 aufintegrierte Signal ist dann wieder proportional zur einfallenden Hochfrequenzleistung und abhängig von der Differenz der Phasenlagen von Hochfrequenzstrahlung und Modulations- bzw. Lokaloszillatorsignal.derived offset is adjusted. The signal integrated with the aid of a voltage integrator 24 is then again proportional to the incident high-frequency power and dependent on the difference between the phase positions of the high-frequency radiation and the modulation or local oscillator signal.
Bei der Ausführungsform aus Figur 6 ist gegenüber der Ausführungsform aus Figur 5 ein zusätzlicher Shunt über die Kapazitäten CD, CB der Feldeffekttransistoren FET 1 bzw. FET 2 vorgesehen. Die Shunt-Widerstände werden verwendet, um einen Strom über die Source-Drain-Kanäle der Feldeffekttransistoren FET 1 und FET 2 zu ziehen und so die Gleichrichtungseffizienz für das Hochfrequenzsignal zu erhöhen.In the embodiment of FIG. 6, an additional shunt across the capacitances C D , C B of the field-effect transistors FET 1 and FET 2 is provided compared to the embodiment of FIG. The shunt resistors are used to draw a current across the source-drain channels of the field-effect transistors FET 1 and FET 2, thus increasing the rectification efficiency for the high-frequency signal.
Anzumerken ist, dass in allen Ausführungsformen aus Figuren 5 bis 7 die mit den Feldeffekttransistoren FET1 und FET2 verschalteten Elemente CD, CB bzw. R0, RB identisch sind, um eine möglichst vollständige Kompensation der durch die Gleichrichtung des Lokaloszillatorsignals erzielten Spannungen bzw. Ströme zu ermöglichen.It should be noted that in all embodiments of FIGS. 5 to 7 the elements C D , C B and R 0 , R B connected to the field-effect transistors FET1 and FET2 are identical in order to compensate as completely as possible the voltages obtained by the rectification of the local oscillator signal To allow currents.
Bei der Ausführungsform aus Figur 7 ist das Antennenelement statt mit den Gates der Feldeffekttransistoren FET1 , FET2 mit deren Drains verbunden. Erst die optionalen Kapazitäten CD bzw. CB ermöglichen eine zusätzliche Kopplung des Modulationssignals an die Gates G. Eine solche Schaltung bewirkt, dass die Amplitude des Stroms über den Source-Drain-Kanal proportional zur Hoch- frequenzleistung ist, wenn die Hochfrequenzleistung nicht moduliert ist. Wird die Hochfrequenzleistung hingegen moduliert, enthält die Amplitude des Stroms über den Source-Drain-Kanal Information über die relative Phasendifferenz zwischen Lokaloszillatorsignal und der Trägerwellenmodulation.In the embodiment of FIG. 7, the antenna element is connected to its drain instead of the gates of the field-effect transistors FET1, FET2. Only the optional capacitances C D and C B enable an additional coupling of the modulation signal to the gates G. Such a circuit causes the amplitude of the current through the source-drain channel to be proportional to the high-frequency power if the high-frequency power is not modulated is. On the other hand, when the high-frequency power is modulated, the amplitude of the current through the source-drain channel includes information about the relative phase difference between the local oscillator signal and the carrier wave modulation.
Für Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, dass sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen Zusammenstellungen mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen un- möglich oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarer Merkmalskombinationen wird hier nur der Kürze und der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.For purposes of the original disclosure, it is to be understood that all such features as will become apparent to those skilled in the art from the present description, drawings, and claims, even if concretely described only in connection with certain other features, both individually and separately any combinations with other of the features or feature groups disclosed herein are combinable, unless this has been expressly excluded or technical conditions make such combinations impossible or pointless. On the comprehensive, explicit representation of all conceivable combinations of features is omitted here only for the sake of brevity and readability of the description.
Während die Erfindung im Detail in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung darge- stellt und beschrieben wurde, erfolgt diese Darstellung und Beschreibung lediglich beispielhaft und ist nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht, so wie er durch die Ansprüche definiert wird. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. - -While the invention has been illustrated and described in detail in the drawings and the foregoing description, such illustration and description is exemplary only and is not intended to limit the scope of the protection as defined by the claims. The invention is not limited to the disclosed embodiments. - -
Abwandlungen der offenbarten Ausführungsformen sind für den Fachmann aus den Zeichnungen, der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen offensichtlich. In den Ansprüchen schließt das Wort "aufweisen" nicht andere Elemente aus, und der unbestimmte Artikel "eine" oder "ein" schließt eine Mehrzahl nicht aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in unterschiedlichen Ansprüchen beansprucht sind, schließt ihre Kombination nicht aus. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht. Variations of the disclosed embodiments will be apparent to those skilled in the art from the drawings, the description and the appended claims. In the claims, the word "comprising" does not exclude other elements, and the indefinite article "a" or "an" does not exclude a plurality. The mere fact that certain features are claimed in different claims does not exclude their combination. Reference signs in the claims are not intended to limit the scope of protection.
--
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Strahlungsquelle1 radiation source
2 2, 2„ 2„, 2„„ 2 Empfänger 2 2 , 2 " 2 ", 2 "" 2 receivers
3 Hochfrequenzsignal3 high-frequency signal
4 Objekt4 object
5 Signalquelle5 signal source
21 Antennenelement21 antenna element
22 Phasenschieber22 phase shifter
23 Vorspannungsquelle23 bias source
24 Spannungsintegrator24 voltage integrator
25 Strom integrator25 power integrator
26 Tiefpassfilter26 low-pass filter
27 Differenzverstärker27 differential amplifier
FET1 Detektor-FeldeffekttransistorFET1 detector field effect transistor
FET2 Kompensations-FeldeffekttransistorFET2 compensation field effect transistor
S SourceS Source
D DrainD drain
G GateG gate
CB, CD KapazitätCB, CD capacity
RB, RD ShuntRB, RD shunt
ZI , Z2 ImpedanzZI, Z 2 impedance
A1, A2, A3, A4 Abtastpunkte A 1 , A 2 , A 3 , A 4 sampling points

Claims

- -P a t e n t a n s p r ü c h e - P atentanspr che
1. System zur dreidimensionalen Erfassung eines Objekts mit elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung (3) mit einer Strahlungsquelle (1 ) für Hochfrequenzstrahlung (3) mit einer Frequenz in einem Bereich von 100 GHz bis 10 THz, einem Empfänger zur Erfassung der von der Strahlungsquelle (1 ) abgestrahlten Hochfrequenzstrahlung (3), der ein Antennenelement (21 ) und einen Feldeffekttransistor (FET1 ) zum Mischen der von der Strahlungsquelle (1 ) abgestrahlten Hochfrequenzstrahlung (3) mit einem Lokaloszillatorsignal aufweist, wobei der Feldeffekttransistor (FET1 ) eine Source (S), einen Drain (D) und ein Gate (G), aufweist, und mit einer Signalquelle (5) zur Erzeugung eines elektrischen Modulationssignals, wobei die Signalquelle (5) derart mit der Strahlungsquelle (1 ) verbunden ist, daß die Hochfrequenzstrahlung (1 ) mit dem Modulationssignal modulierbar ist und wobei die Signalquelle (5) derart mit dem Gate (G) des Feldeffekttransistors (FET1 ) verbunden ist, daß die Sensitivität des Feldeffekttransistors (FET1 ) mit einem phasenstarr an das Modulationssignal gekoppelten Lokaloszillatorsignal modulierbar ist.A system for three-dimensionally detecting an electromagnetic high-frequency radiation object (3) having a radiofrequency radiation source (1) having a frequency in a range of 100 GHz to 10 THz, a receiver for detecting radiation emitted from the radiation source (1) High frequency radiation (3) having an antenna element (21) and a field effect transistor (FET1) for mixing the radiated from the radiation source (1) high frequency radiation (3) with a local oscillator signal, wherein the field effect transistor (FET1) a source (S), a drain (D) and a gate (G), and with a signal source (5) for generating an electrical modulation signal, wherein the signal source (5) is connected to the radiation source (1) such that the high frequency radiation (1) with the modulation signal is modulated and wherein the signal source (5) is connected to the gate (G) of the field effect transistor (FET1) such that the sensitivity the field effect transistor (FET1) is modulated with a phase-locked to the modulation signal coupled local oscillator signal.
2. System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß es einen Phasenschieber (22) aufweist, welcher eine auswählbare Phasenverschiebung zwischen der zu erfassenden Hochfrequenzstrahlung (3) und dem Lokaloszillatorsignal einfügt.2. System according to claim 1, characterized in that it comprises a phase shifter (22) which inserts a selectable phase shift between the high-frequency radiation (3) to be detected and the local oscillator signal.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Antennenelement (21 ) mit dem Gate (G) des Feldeffekttransistors (FET1 ) verbunden ist.3. System according to claim 1 or 2, characterized in that the antenna element (21) to the gate (G) of the field effect transistor (FET1) is connected.
4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Drain (D) mit einem Spannungsintegrator (24) verbunden ist.4. System according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the drain (D) is connected to a voltage integrator (24).
5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Antennenelement (21 ) mit dem Drain (D) des Feldeffekttransistors (FET1 ) verbunden ist.5. System according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the antenna element (21) to the drain (D) of the field effect transistor (FET1) is connected.
6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Source (S) oder der Drain (D) des Feldeffekttransistors (FET1 ) mit einem Strom integrator (25) verbunden ist. - -6. System according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the source (S) or the drain (D) of the field effect transistor (FET1) with a current integrator (25) is connected. - -
7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gate (G) des Feldeffekttransitors (FET1 ) mit einer Gleichspannungsquelle (23) verbunden ist.7. System according to one of claims 1 to 6, characterized in that the gate (G) of the field effect transistor (FET1) is connected to a DC voltage source (23).
8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es eine matrixför- mige Anordnung einer Mehrzahl von Antennenelementen (21 ) und Feldeffekttransistoren8. System according to any one of claims 1 to 7, characterized in that it is a matrix-like arrangement of a plurality of antenna elements (21) and field effect transistors
(FET1 ) aufweist.(FET1).
9. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils vier Feldeffekttransistoren (FET1 ) ein Bildelement (Pixel) bilden.9. System according to any one of claims 1 to 8, characterized in that in each case four field effect transistors (FET1) form a picture element (pixel).
10. System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Antennenelement (21 ) über einen Teiler (26) sowohl mit dem Gate (G) als auch mit dem Drain (D) des Feldeffekttransistors (FET1 ) verbunden ist.10. System according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the antenna element (21) via a divider (26) with both the gate (G) and with the drain (D) of the field effect transistor (FET1) is connected.
11. System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalquelle (5) mit einem ersten Feldeffekttransistor (FET1 ) und einem zweiten Feldeffekttransistor (FET2) verbunden ist.11. System according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the signal source (5) with a first field effect transistor (FET1) and a second field effect transistor (FET2) is connected.
12. System nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Signalquelle (5) und dem zweiten Feldeffekttransistor (FET2) ein Tiefpassfilter (26) vorgesehen ist.12. System according to claim 1 1, characterized in that between the signal source (5) and the second field effect transistor (FET2), a low-pass filter (26) is provided.
13. System nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Drain (D) oder die Source (S) des ersten Feldeffekttransistors (FET1 ) und des zweiten Feldeffekttransistors (FET2) jeweils mit einem Eingang eines Differenzverstärkers (27) verbunden ist.13. System according to claim 11 or 12, characterized in that the drain (D) or the source (S) of the first field effect transistor (FET1) and the second field effect transistor (FET2) is in each case connected to an input of a differential amplifier (27).
14. Verfahren zur dreidimensionalen Erfassung eines Objekts (4) mit elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung (3) mit den Schritten14. A method for three-dimensional detection of an object (4) with electromagnetic high frequency radiation (3) with the steps
Erzeugen von elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung (3) mit einer Frequenz im Bereich von 100 GHz bis 10 THz, Modulieren der Amplitude oder Frequenz der Hochfrequenzstrahlung (3) mit einem Modulationssignal,Generating high-frequency electromagnetic radiation (3) having a frequency in the range of 100 GHz to 10 THz, modulating the amplitude or frequency of the high-frequency radiation (3) with a modulation signal,
Erfassen der modulierten Hochfrequenzstrahlung (3) mit einem Empfänger (2), der ein Antennenelement (21 ) und einen Feldeffekttransistor (FET1 ) zum Mischen der von der Strahlungsquelle (1) abgestrahlten Hochfrequenzstrahlung (3) mit einem Lokaloszillatorsignal aufweist, wobei der Feldeffekttransistor (FET1 ) eine Source (S), einen Drain (D) und ein Gate (G) aufweist, undDetecting the modulated radio frequency radiation (3) with a receiver (2) comprising an antenna element (21) and a field effect transistor (FET1) for mixing the radiated from the radiation source (1) high frequency radiation (3) with a local oscillator signal, wherein the field effect transistor (FET1 ) has a source (S), a drain (D) and a gate (G), and
Modulieren der Sensitivität des Feldeffekttransistors (FET1 ) mit einem phasenstarr an das Modulationssignal gekoppelten Lokaloszillatorsignal. - -Modulating the sensitivity of the field effect transistor (FET1) with a phase-locked to the modulation signal coupled local oscillator signal. - -
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Modulierens der Sensitivität des Feldeffekttransistors (FET1 ) durch Modulieren der Spannung am Gate (G) des Feldeffekttransistors (FET1 ) erfolgt. 15. The method according to claim 14, characterized in that the step of modulating the sensitivity of the field effect transistor (FET1) by modulating the voltage at the gate (G) of the field effect transistor (FET1) takes place.
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