DE3506266A1

DE3506266A1 - Verfahren und vorrichtung zum kontinuierlichen lenken eines millimeterwellenlaengestrahlungsbuendels

Info

Publication number: DE3506266A1
Application number: DE19853506266
Authority: DE
Inventors: Frederick Redding Conn. Kubick
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1984-03-02
Filing date: 1985-02-22
Publication date: 1985-10-10
Also published as: GB2155696B; US4822149A; GB8504460D0; JPS60218903A; GB2155696A

Description

Verfahren und Vorrichtung zum kontinuierlichen Lenken eines Millimeterwellenlängestrahlungsbündels

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung der im Oberbegriff der Patentansprüche 1 bzw. 2 und 3 angegebenen Art.

Die Erfindung befaßt sich mit Millimeterwellenlängevorrichtungen, bei denen anisotrope, nichtlineare dielektrische Materialien benutzt werden, die eine elektrooptische Veränderlichkeit aufweisen, und insbesondere mit dem Entwurf und der Herstellung von Mikrowellen- und Radarbauteilen, die bei Millimeterwellenlänge betreibbar sind, insbesondere bei Frequenzen in dem Bereich von 95 GHz.

Ferroelektrische Materialien sind seit der Entdeckung von Rochellesalz für ihre Eigenschaften spontaner Polarisation und Hysterese bekannt geworden, vgl. International Dictio-

-M-

nary of Physics and Electronics, D. Van Nostrand Company Inc., Princeton (1956). Andere Ferroelektrika einschließlich Bariumtitanat sind ebenfalls zum Gegenstand der Forschung geworden.

Die Anwendung von Eigenschaften von ferroelektrischen Materialien bei Millimeterwellenlängevorrichtungen und Radarsystemen ist jedoch weitgehend unerforschtes wissenschaftliches Terrain.

Bei Millimeterwellenlängen wird die übliche Mikrowellenpraxis durch die kleinen Abmessungen der Arbeitsbauteile, wie beispielsweise Wellenleiter und Resonanzvorrichtungen, behindert. Weiter gibt es einen beträchtlichen Mangel an geeigneten Materialien, aus denen die Bauteile hergestellt werden können. Darüber hinaus machtdie Fertigungspräzision, die durch die kleinen Abmessungen der Bauteile verlangt wird, deren Herstellung schwierig und teuer. Ferritphasenschieber, die bei anderen Frequenzen benutzt werden, sind ungeeignet, und alternative Materialien sind allgemein nicht verfügbar.

Ferroelektrische Materialien sind demgemäß von besonderem Interesse, weil gewisse dielektrische Eigenschaften derselben sich unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes verändern. Insbesondere kann durch die Einwirkung eines geeigneten elektrischen Feldes ein elektrooptischer Effekt erzeugt werden.

Bekanntlich sind ferroelektrische Materialien Stoffe, die, wenn kein elektrisches Feld auf sie einwirkt, ein von null verschiedenes elektrisches Dipolmoment haben. Sie werden aus diesem Grund häufig als spontan polarisierte Materialien angesehen. Viele ihrer Eigenschaften sind denjenigen von ferromagnetischen Materialien analog, obgleich es sich gezeigt hat, daß der beteiligte molekulare Mechanismus unterschiedlich ist. Trotzdem ist die Unterteilung der spontanen Polarisation in unterschiedliche Domänen ein Beispiel einer Ei-

genschaft, die sowohl ferromagnetische als auch ferroelektrische Materialien aufweisen.

Ein ferroelektrisches Medium hat die Eigenschaft, daß seine Ausbreitungskonstanten durch die Einwirkung eines ausreichend starken elektrischen Feldes längs einer geeigneten Richtung geändert werden können. Diese Erscheinung ist der bekannte elektrooptische Effekt. Ferroelektrische Medien sind besondere Medien, da sie zu linearer elektrooptischer Aktivität in der Lage sind, im Gegensatz zu den bekannteren Medien, bei denen die elektrooptische Aktivität typisch quadratisch ist. Diese lineare Aktivität, die als eine lineare Abhängigkeit des Brechungsindex von dem einwirkenden elektrischen Feld definiert ist, ist eine Konsequenz der Domänenstruktur des ferroelektrischen Materials.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Winkellenkung eines Millimeterwellenlängestrahlungsbündels, das durch ein Medium, insbesondere ein ferroelektrisches Medium, hindurchgeht, mittels einer elektrischen Einrichtung zu schaffen.

Weiter soll durch die Erfindung eine Millimeterwellenlängestrahlungsbündel-Winkellenkvorrichtung zur Verwendung in Radarsystemen geschaffen werden.

Ferner soll durch die Erfindung eine, insbesondere ferroelektrische, Millimeterwellenlängevorrichtung für Mikrowellenradarzwecke im Millimeterwellenlängebereich geschaffen werden, die in einem vorbestimmten Winkelbereich reversibel und kontinuierlich steuerbar ist.

Schließlich soll durch die Erfindung ein, insbesondere ferroelektrischer, Millimeterwellenlängestrahlungslenker zur Verarbeitung von Mikrowellensignalen in einem Radarsystem geschaffen werden.

Gemäß der Erfindung wird ein ferroelektrisches Paar Prismen

in dem Strahlengang von Millimeterwellenlängestrahlung angeordnet, um einen kontinuierlich steuerbaren Strahllenker für Radarzwecke zu schaffen. Das ferroelektrische Material der Prismen hat zusammenfallend ausgerichtete optische Achsen und wird der Einwirkung eines geeignet bemessenen elektrischen Feldes mittels das Medium rittlings überspannender Elektroden ausgesetzt. Die optischen Achsen der Prismen entsprechen jedoch entgegengesetzten Domänenzuständen. Den Achsen ist ein einzelnes Elektrodenpaar zur kontinuierlichen Modifizierung der dielektrischen Eigenschaften und der Brechungseigenschaften des Materials zugeordnet.

Die variable Strahllenkung erfolgt durch die Größe der elektrischen Feldstärke, die über die Elektroden einwirkt, welche die Prismen überspannen. Dadurch wird der Winkel verändert, unter welchem die Strahlung den Prismensatz verläßt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Paar ferroelektrischer Elemente, die aneinander angeordnet sind und deren äußere Oberflächen von Elektroden überspannt sind, mittels welchen ein elektrisches Feld zum Verändern der dielektrischen und Brechungseigenschaften des ferroelektrischen Materials aufbaubar ist,

Fig. 2 in Draufsicht schemitisch die Wellenbrechung, die an den Materialgrenzflächen erfolgt, und

Fig. 3 eine Reihe von Paaren dünner Prismen, die aneinander angeordnet sind, um denselben Lenkeffekt unter Einsparung an erforderlichem ferroelektrischen Material zu erzeugen.

Der in Fig. 1 gezeigte Strahllenker enthält aneinander angeordnete Prismen 7 und 8 aus ferroelektrischem Material, das

einfallender Strahlung 9 in der Richtung der zusammenfallenden optischen Achsen 55 der Prismen 7 und 8 ausgesetzt ist. Die Ausbreitungsrichtung der einfallenden Strahlung ist durch einen Pfeil K gezeigt.

Die Strahlung ist beispielshalber durch eine Frequenz von 95 GHz gekennzeichnet, die einer Millimeterwellenlänge von 3,16 entspricht.

Die Vorrichtung ist durch ein Elektrodenpaar 11, 12 überspannt, mittels welchem ein elektrisches Feld E durch Energiezufuhr aus einer Spannungsquelle 25 längs der Wellenausbreitungsrichtung aufbaubar ist. Jedes Mitglied des Elektrodenpaares 11, 12 ist nahe der äußeren Wände der Prismen 7 bzw. 8 angeordnet. Das Elektrodenpaar 11, 12 ist für den Durchtritt von Millimeterwellenlängestrahlung 9 transparent.

In Fig. 1 wird an das Elektrodenpaar 11, 12 eine geeignet starke Spannung durch die Spannungsquelle und -steuereinrichtung 25 angelegt, um das elektrische Feld E in Ausrichtung mit den optischen Achsen 55 der Prismen 7, 8 aufzubauen. Eine geeignete Feldstärke würde größenordnungsmäßig bis zu 10 kV/cm betragen.

In Fig. 2 ist das Millimeterwellenlängestrahlungsbündel 9 gezeigt, das längs der optischen Achse 55 in die Rückseite 41 des Prismas 7 eintritt und die Rückseite 42 des anderen Prismas 8 verläßt. Die Rückseiten 41 und 42 sind mit den daran angeordneten transparenten Elektroden 11 bzw. 12 versehen, mittels welchen ein reversibles elektrisches Feld durch die Spannungsquelle und -steuereinrichtung 25 in der Richtung der einen oder anderen der entgegengesetzten Domänenorientierungen D₁ und D_ aufgebaut werden kann. Die Elektroden 11 und 12 können eine transparente, elektrisch leitende Schicht sein, die auf die Oberfläche des Mediums aufgebracht ist.

Da die Ausbreitungsrichtung des Bündels 9 parallel zu der optischen Achse 55 ist, die mit der Domänenorientierung zusammenfällt, verhält sich das Medium isotrop und läßt das Strahlungsbündel 9 durch.

Wenn das elektrische Feld null ist (wobei die Elektrodenspannungsdifferenz null ist) geht die Strahlung durch die schräge Grenzfläche, welche die entgegengesetzt gerichteten Domänen trennt, ohne Brechung hindurch. Wenn ein elektrisches Feld E in einer bestimmten Richtung aufgebaut wird, wird der Brechungsindex eines Prismas größer, wogegen der des anderen kleiner wird, und zwar wegen der entgegengesetzten Beziehung des Feldes zu den Domänenorientierungen in jedem Prisma. Diese Änderung ist eine Konsequenz des linearen elektrooptischen Effekts, der bekanntlich in Ferroelektrika bei Millimeterwellenlängen besonders stark ist. Es wird daher eine Gesamtdifferenz im Brechungsindex an der schrägen Grenzfläche 58 (wegen der entgegengesetzten Domänenorientierungen) auftreten, und die Strahlung wird von ihrer ursprünglichen Richtung weg gebrochen. Wenn die Richtung des elektrischen Feldes E umgekehrt wird, wird die Strahlung in der entgegengesetzten Richtung gebrochen. Das Ausmaß der Brechung hängt von der Stärke des einwirkenden elektrischen Feldes ab und kann einen beträchtlichen Winkel erreichen. Auf diese Weise wird eine kontinuierliche, elektrisch gesteuerte Strahlungsbündellenkung erzielt.

Tatsächlich gibt es zwei Brechungen der Strahlung, was in Fig. 2 gezeigt ist. An der schrägen Grenzfläche 58 ist der Brechungswinkel Θ.., dessen Größe typisch kleiner als 10° ist. An der Austrittsfläche gibt es einen zweiten Brechungswinkel θ~/ der effektiv eine Verstärkung des ersten ist, und zwar abhängig von dem Ausmaß, um welches der Brechungsindex des Mediums den seiner Umgebung übersteigt. Die Gesamtbrechung, die durch die Summe Θ.. + ©₂ gegeben ist, kann eine Größe von bis zu 30° haben. Da der Winkel, den der innen

gebrochene Strahl mit der optischen Achse 55 bildet, nicht groß ist, bleibt das Medium, soweit es die Strahlung betrifft, im wesentlichen isotrop.

Zum Minimieren von Absorptionsverlusten kann die effektive

Länge des Mediums reduziert werden, indem eine Reihe von ; solchen doppelprismatischen Verbundmaterialien benutzt wird,

die jeweils dünn sind, aber gemeinsam eine große Apertur ι bilden, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Bei dieser Art des

Aufbaus muß darauf geachtet werden, daß störende Brechungs- und Abschattungseffekte an den Grenzflächen zwischen den einzelnen Verbundmaterialien minimal sind. Eine kleinere

j Ausbreitungslänge reduziert nicht nur die Verluste, sondern

j- es wird auch die erforderliche Elektrodenspannung für ein

! bestimmtes elektrisches Feld reduziert.

Eine beträchtliche Vielseitigkeit im Aufbau des ferroelektrischen Strahllenkers kann durch die Verwendung von dielek- "■ trischen Gemischen oder strukturierten Verbundmaterialien

realisiert werden. Diese bestehen aus Teilchen des aktiven ferroelektrischen Mediums, die in einem inerten dielektrischen Füllstoff dispergiert sind, und zwar entweder willkürlich oder auf strukturierte Weise.

Ferroelektrische Materialien können als polykristalline Gemische hergestellt werden, die besonders brauchbar sind. Insbesondere sind willkürliche Gemische in einem inerten isotropen Medium für den Bauteileentwickler von Interesse. Polykristalline Gemische werden bevorzugt, weil es schwierig ist, einzelne große Kristalle wachsen zu lassen. Beispielsweise kann ein isotropes Medium mit niedrigem Brechungsindex mit orientierten Eindomänenkristallen eines bestimmten Ferroelektrikums in geeigneten Konzentrationen dotiert werden, was dem Medium beträchtliche elektrooptische Eigenschaften der gewünschten Art verleiht. Dielektrische Gemische oder strukturierte Verbundmaterialien könnten für das ferroelektrische Material benutzt werden.

Durch das Steuern der Spannung, die die Spannungsquelle und -steuereinrichtung 25 an die Elektroden 11, 12 anlegt, kann das Ausgangsbündel der Millimeterwellenlängestrahlung in eine gewünschte Richtung gelenkt werden.

Claims

Patentansprüche :

1. Verfahren zum kontinuierlichen Lenken eines Millimeterwellenlängestrahlungsbündels, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Richten eines Millimeterwellenlängestrahlungsbündels auf kombinierte Materialmedien, die wenigstens ein Paar Prismen aufweisen, ferroelektrisch sind und zusammenfallende optische Achsen, aber entgegengesetzte Domänen haben, wobei die optischen Achsen in der Ausbreitungsrichtung des Millimeterwellenlängestrahlungsbündels angeordnet sind; Anordnen eines Elektrodenpaares rittling an den Materialmedien derart, daß jede Elektrode orthogonal zu den zusammenfallenden optischen Achsen ist; und

Aufbauen eines elektrischen Feldes an dem rittlings an den Medien angeordneten Elektrodenpaar. ^v

2. Vorrichtung zum kontinuierlichen Lenken eines Millimeterwellenlängestrahlungsbündels, gekennzeichnet durch:

ein erstes und ein zweites Materialmedium (7, 8), die sich eine

gemeinsame schräge Grenzfläche (58) teilen, wobei jedes Medium die Form eines Prismas hat, wobei die Medien ferroelektrisch sind und zusammenfallende optische Achsen von entgegengesetzten Domänen (D₁, D») haben und wobei die optischen Achsen in der Ausbreitungsrichtung (K) des Millimeterwellenlängestrahlungsbündels (9) angeordnet sind; ein Paar Elektroden (11, 12), die rittlings an den Materialmedien (7, 8) angeordnet und zu den optischen Achsen (55) orthogonal sind/ und

eine elektrische Einrichtung (25) zum Speisen der Elektroden, um ein kontinuierliches, reversibles elektrisches Feld an den Medien (7, 8) zum steuerbaren Richten der Lenkung des Millimeterwellenlängestrahlungsbündels (9) aufzubauen.

3. Vorrichtung zum kontinuierlichen Lenken eines Millimeterwellenlängestrahlungsbündels, gekennzeichnet durch: mehrere erste und zweite Materialmedien (7, 8) die aneinander anliegen, wobei sich die ersten und die zweiten Materialmedien jeweils eine gemeinsame schräge Grenzfläche (58) teilen und jeweils die Form eines Prismas haben, wobei die Medien ferroelektrisch sind und jeweils zusammenfallende optische Achsen (55) haben, wobei die ersten und zweiten Materialmedien in jedem Fall entgegengesetzte Domänen aufweisen, wobei die optischen Achsen (55) in der Ausbreitungsrichtung (K) des Millimeterwellenlängestrahlungsbündels (9) angeordnet sind und wobei die aneinander anliegenden ersten und zweiten Materialmedien in einer gemeinsamen Ebene orthogonal zu der Ausbreitungsrichtung (K) angeordnet sind; ein Paar Elektroden (11, 12), die rittlings an den Materialmedien und orthogonal zu der Ausbreitungsrichtung (K) angeordnet sind; und

eine elektrische Einrichtung (25) zum Speisen des Elektrodenpaares (11, 12), um ein kontinuierliches, reversibles elektrisches Feld an den Medien zum steuerbaren Leiten der Lenkung des Millimeterwellenlängestrahlungsbündels (9) aufzubauen.

4. Verfahren bzw. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodenpaar (11, 12) in dem Strahlengang des Millimeterwellenlängestrahlungsbündels (9) angeordnet ist.

5. Verfahren bzw. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Elektrodenpaare (11, 12) für das Millimeterwellenlängestrahlungsbündel (9) transparent ist.

6. Verfahren bzw. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialmedien (7, 8) ferroelektrisch sind.

7. Verfahren bzw. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialmedien (7, 8) Bariumtitanat enthalten.