NL9000369A - Antennesysteem met variabele bundelbreedte en bundelorientatie. - Google Patents

Description

Antennesysteem met variabele bundelbreedte en bundeloriëntatie

De uitvinding betreft een antennesysteem voorzien van tenminste één actieve stralingsbron en een reflecterend oppervlak hetwelk geplaatst is in tenminste een deel van de door de actieve stralingsbron gegenereerde straling.

De uitvinding heeft met name betrekking op het reflectieoppervlak van een antennesysteem met variabele bundelparameters, zoals bundelbreedte en bundeloriëntatie.

Een dergelijk antennesysteem met variabele bundelbreedte en bundeloriëntatie is bekend uit het Amerikaanse octrooischrift 3,978,484. Het reflectieoppervlak wordt hier gevormd door een groot aantal subreflectors, die elk een deel van de door de stralingsbron gegenereerde straling reflecteren met een fase die zo gekozen is, dat bundelvorming met de gewenste bundelparameters wordt verkregen. Faseverschuiving wordt bewerkstelligd met een door een transducer bewogen plaatje in een golfgeleider. Het bezwaar van deze inrichting is dat er veel tijd verloren gaat wanneer men een bundel met andere parameters wil instellen omdat dit gebeurt middels een mechanische instelling. De uitvinding heeft ten doel dit bezwaar op te heffen.

De uitvinding heeft hiertoe als kenmerk, dat het reflecterend oppervlak voorzien is van halfgeleideroppervlakken en het antennesysteem voorzien is van middelen voor het genereren van licht, met welk licht de halfgeleideroppervlakken dusdanig worden bestraald dat, na reflectie van de door de actieve stralingsbron gegenereerde straling aan de reflecterende halfgeleideroppervlakken, tenminste één stralingsbundel wordt verkregen.

Naast het voordeel dat het instellen van bundelparameters nu vrijwel tijdloos kan plaatsvinden, biedt de uitvinding ook de mogelijkheid te komen tot antennesystemen met variabele bundelbreedte en bundeloriëntatie voor golflengten die zo klein zijn dat dit tot nu toe onmogelijk werd geacht.

De uitvinding zal nu nader worden toegelicht aan de hand van de volgende figuren:

Fig. 1 is een schematisch diagram van een conventioneel antennesysteem met een reflectieoppervlak met parabolische contour.

Fig. 2 is en schematisch diagram van een antennesysteem met een reflectieoppervlak voorzien van halfgeleideroppervlakken.

Fig. 3 is een doorsnede van een halfgeleideroppervlak.

Fig. 4 is een combinatie van twee halfgeleideroppervlakken.

Fig. 5 is een mogelijke uitvoeringsvorm van een reflectieoppervlak. Fig. 6 is een alternatieve uitvoeringsvorm van een reflectieoppervlak.

Fig. 7 is een doorsnede langs de lijn AA" in fig. 6.

Fig. 8 is een antennesysteem met twee lasers plus deflectiemiddelen.

Fig. 9 is een antennesysteem met twee laserarrays met elk NxM

lasers.

In fig. 1 is met verwijzingscijfer 1 een feedhoorn weergegeven in een dwarsdoorsnede van een eenvoudig conventioneel antennesysteem.

De feedhoorn 1 is tegenover een reflecterend oppervlak 2 geplaatst en genereert electromagnetische golven met golflengte λ in de richting van het oppervlak 2. In geval van radartoepassingen kan eveneens een ontvangsthoom aanwezig zijn voor de ontvangst van door een voorwerp gereflecteerde echosignalen. Het reflecterend oppervlak heeft een dusdanige contour dat na reflectie tegen het oppervlak 2 een nagenoeg evenwijdige of enigszins divergerende bundel 3 wordt verkregen. Hiertoe kan het oppervlak bijvoorbeeld een nagenoeg parabolische contour hebben waarbij de feedhoorn in het brandvlak, bij voorkeur nabij het brandpunt van de contour, is geplaatst.

Na reflectie is het faseverschil Δφ = φ& - φ·^ tussen uittredende bundels a en b in de aangegeven richting juist Δφ = 0° waardoor deze bundels elkaar in deze richting versterken. Het zal duidelijk zijn dat eenzelfde bundel wordt verkregen wanneer het faseverschil is Δφ = φ& - = ± k x 360° (k = 1, 2, ...).

Dit betekent dat reflectiepunten φ& en φ·^ over een afstand van ± k x hX (k = 1, 2, ...) in de richting van de invallende bundel t.o.v. elkaar kunnen worden verschoven zonder dat de reflecterende eigenschappen van het reflecterend oppervlak veranderen.

Dit is het principe toegepast in genoemd Amerikaans octrooischrift, waarbij de elektromagnetische golven reflecteren aan een 2-dimensionaal array van mechanische, in golfpijpen geplaatste faseverschuivers zodanig, dat een faseverloop in de uittredende bundel wordt verkregen hetwelk nagenoeg gelijk is aan het faseverloop in de uittredende bundel van fig. 1.

Een eenvoudig uitvoeringsvoorbeeld van de uitvinding is weergegeven in fig. 2. Hierin is de feedhoom weergegeven met verwijzingscijfer 1. Het reflectoroppervlak, weergegeven met verwijzingscijfer 2, bestaat uit een 2-dimensionaal array van halfgeleideroppervlakken 2.i.j (i = 1, 2, ..., N; j = 1, 2, ..., M). De getallen N en M hangen af van de toepassing en zullen groter worden naarmate de vereiste minimale bundelbreedte van het antennesysteem kleiner wordt in respectievelijk de verticale en horizontale richting. Zoals hierna uiteen zal worden gezet kunnen de halfgeleideroppervlakken electromagnetische golven reflecteren met een fase die instelbaar is met behulp van middelen voor het genereren van licht, zodanig dat een faseverloop in de uittredende bundel wordt verkregen hetwelk nagenoeg gelijk is aan het faseverloop in de uittredende bundel van fig. 1.

Geheel analoog aan genoemd Amerikaans octrooischrift kan een bundel met geselecteerde bundelparameters, zijnde bundelbreedte en bundeloriëntatie, worden verkregen door de fase van de reflectie van de individuele halfgeleideroppervlakken 2.i.j (i = 1, 2, N; j = 1, 2, .... M) in te stellen.

De halfgeleideroppervlakken kunnen, zoals aangegeven in fig. 2, nagenoeg aaneengesloten worden geplaatst. Het is echter ook mogelijk om ze elk in een afzonderlijke golfgeleider te plaatsen, waarna de uitvinding, althans uiterlijk, gelijkenis vertoont met de uitvinding beschreven in genoemd Amerikaans octrooischrift.

In fig. 3 is een halfgeleideroppervlak 2.i.j in doorsnede weergegeven, bestaande uit een afstandsorgaan 5, een dun laagje halfgeleidermateriaal aan het voorvlak 4, en een dun laagje halfgeleidermateriaal aan het achtervlak 6. De laagjes halfgeleidermateriaal zijn bijvoorbeeld 100 μπι dik en zijn eventueel aangebracht op een substraatmateriaal, zoals glas. Het afstandsorgaan 5 is vervaardigd van een materiaal met een relatieve diëlectrische constante van nagenoeg één, zoals kunststofschuim.

De dikte van het afstandsorgaan is λ/4 + k.A/2, k = 0, 1, 2, ... . Wordt een dergelijk halfgeleideroppervlak in door de stralingsbron gegenereerde straling met golflengte λ gebracht, ongeveer loodrecht op de voortplantingsrichting van de straling, dan zullen vooral de beide laagjes halfgeleidermateriaal, die doorgaans een grote relatieve diëlectrische constante hebben, een deel van de straling reflecteren. Door de gunstig gekozen afstand tussen de laagjes zullen beide reflecties elkaar nagenoeg uitdoven.

Gaan we nu het voorvlak 4 bestralen met fotonen die in staat zijn electronen vrij te maken in het halfgeleidermateriaal, dan creëren we in het voorvlak 4 een extra reflectie. Speciaal als het licht een golflengte heeft zodanig dat één lichtfoton tenminste één vrij electron kan genereren, wordt vrijwel al het licht in een laagje halfgeleidermateriaal van 100 μτα. dikte geabsorbeerd en volledig omgezet in vrije electronen. Het halfgeleidermateriaal krijgt daardoor het karakter van een geleider en zal additionele reflectie gaan vertonen voor de door de stralingsbron gegenereerde straling. Meer precies geldt dat significante reflectie zal optreden als

waarbij σ de soortelijke geleiding van het halfgeleidermateriaal is, c de lichtsnelheid, e de dielectrische constante van het halfgeleidermateriaal en λ de golflengte van de opvallende electromagnetische straling. Door de lichtsterkte en daarmee de soortelijke geleiding geschikt te kiezen zal een significante reflectie worden verkregen voor de door de stralingsbron gegenereerde straling, terwijl voor het licht, waarvan de golflengte orden van grootte kleiner is, nagenoeg geen reflectieverandering op zal treden.

Op dezelfde wijze kunnen we aan het achtervlak 6 een regelbare reflectie bewerkstelligen, door het achtervlak te belichten.

Situeren we de reflectie aan het voorvlak 4 in het complexe vlak langs de positieve reële as, dan zal de reflectie aan het achtervlak 6 langs de negatieve reële as gesitueerd zijn.

In fig. 4 zijn twee halfgeleideroppervlakken 7, 8 getekend, waarbij elk halfgeleideroppervlak geheel identiek is aan het halfgeleider-oppervlak uit fig. 3. Halfgeleideroppervlak 7 kan weer reflecties geven die we langs de positieve en negatieve reële as in het complexe vlak situeren. Halfgeleideroppervlak 8 is echter over een afstand van λ/8 verschoven in de voortplantingsrichting van de door de stralingsbron gegenereerde straling met golflengte λ.

Daardoor zullen reflecties aan voorvlak en achtervlak van halfgeleideroppervlak 7 in het complexe vlak langs de positieve en negatieve imaginaire as gesitueerd zijn. Maar dan kan middels lineaire combinatie elke gewenste reflectie gemaakt worden, door voor- of achtervlak van 7 en voor- of achtervlak van 8 te belichten met lichtsterkten die de projecties van de gewenste reflectie op de reële en imaginaire assen realiseren.

Een mogelijke uitvoeringsvorm van een reflectieoppervlak van een antennesysteem is gegeven in fig. 5. Elk halfgeleideroppervlak 9, geheel overeenkomstig de beschrijving bij fig. 3, is geplaatst in een rechthoekige golfgeleider 10 met een lengte van enkele golflengten en een zijde van ongeveer een golflengte. Een stapeling van deze golfgeleiders, voorzien van halfgeleideroppervlakken, vormt het reflectieoppervlak. Om elke mogelijke fase te kunnen reflecteren is de helft van de halfgeleideroppervlakken λ/8 verschoven ten opzichte van de andere helft, verspreid over het reflectoroppervlak. We verschuiven bijvoorbeeld die halfgeleideroppervlakken 2.i.j (i = 1, 2, ..., N; j = 1, 2, ..., M) waarvoor geldt dat i+j even is.

Een alternatieve uitvoeringsvorm van het reflectieoppervlak is gegeven in fig. 6. Een plaat van kunststofschuim 11, met de afmetingen van het reflectieoppervlak en een dikte van λ/4 + k.A/2, k = 0, 1, 2, ..., is zo geproduceerd dat er vakjes 2.i.j (i = 1, 2, ..., N; j = 1, 2, ..., M) ontstaan, waarbij geldt dat vakjes 2.i.j over een afstand λ/8 zijn verschoven als i+j even is. Dit wordt geïllustreerd met de doorsnede van de plaat langs lijn AA' in fig. 7. De doorsnede langs de lijn BB" is geheel identiek. Op elk vakje aan vooren achterzijde wordt nu een laagje halfgeleider-materiaal bevestigd, waarna een reflectieoppervlak is verkregen dat is opgebouwd uit halfgeleideroppervlakken zoals beschreven bij fig. 3 en fig. 4.

In fig. 8 wordt een antennesysteem getoond, bestaande uit een feedhoom 1 en een reflectieoppervlak 12 zoals boven aan de hand van fig. 5 of fig. 6 beschreven en twee lasers plus deflectiemiddelen 13, 14 als middel voor het genereren van licht. Het reflectieoppervlak 12 is voorzien van N x M halfgeleideroppervlakken, waarvan de helft over een afstand van λ/8 verschoven is. Naast elkaar gelegen paren van halfgeleideropper vlakken, het ene halfgeleider-oppervlak niet verschoven, het andere wel, vormen de fasever-schuivers. Een computer berekent voor elk paar hoe de reflecties aan voor- en achterzijde van beide halfgeleideroppervlakken moeten zijn om een bundel met gegeven parameters te genereren. Beide lasers plus tweedimensionale deflectiemiddelen 13, 14 voeren een raster scan uit over het reflectieoppervlak, vergelijkbaar met de manier waarop een TV beeld wordt geschreven. Voor elk halfgeleideroppervlak dat wordt verlicht, wordt de intensiteit van de lasers zo ingesteld dat de gewenste reflectie wordt verkregen.

Een geschikte combinatie voor deze uitvoeringsvorm is een Nd-Yag laser plus een in de laserfysica welbekend acousto-optisch deflectiesysteem gebaseerd op Bragg diffractie, en halfgeleideroppervlakken met silicium als halfgeleidermateriaal. Essentieelis dat een compleet raster wordt geschreven in een tijd die korter is dan de levensduur van vrije ladingen in het gebruikte silicium.

Dit betekent dat zeer zuiver silicium dient te worden gebruikt.

Omdat alle ladingen aan de oppervlakte van het silicium worden gegenereerd, is het ook belangrijk dat dit oppervlak een behandeling krijgt die oppervlakterecombinatie voorkomt; een in de halfgeleider-technologie welbekende maatregel.

De bij fig. 8 beschreven middelen voor het genereren van licht zijn alleen bruikbaar dankzij de geheugenwerking van het halfgeleidermateriaal, dat ook na belichting nog geruime tijd vrije ladingen blijft bevatten. Het nadeel is dat dit een inherent traag antenne-systeem oplevert. Wil men een antennesysteem met snel instelbare bundelparameters, dan kan dit door ander halfgeleidermateriaal, bijvoorbeeld minder zuiver silicium, met een kortere levensduur van vrije ladingen, te gebruiken. Het is dan noodzakelijk dat de lasers plus deflectiemiddelen het raster sneller schrijven op de NxM halfgeleideroppervlakken. De beperkte snelheid van het deflectiesysteem kan dan een rol gaan spelen en een goede werking verhinderen.

Een oplossing is dat men per rij of per kolom een laser plus een ééndimensionale deflectie aanbrengt, die op analoge wijze in amplitude wordt gemoduleerd. In plaats van twee lasers heeft men dan 2N of 2M lasers nodig.

Een antennesysteem met zeer snel instelbare bundelparameters wordt getoond in fig. 9. Het reflectieoppervlak 12 wordt bestraald door feedhoom 1, dwars door oppervlak 16 dat voor de door de stralings-bron gegenereerde straling geheel transparant is, maar voor laserlicht een goede reflector vormt. Dit kan bijvoorbeeld een diëlectrische spiegel zijn. De middelen voor het genereren van licht worden gevormd door twee arrays 13, 14 van elk NxM lasers. Elk half-geleideroppervlak 2.i.j (i = 1, 2, ..., N; j = 1, 2, ..., M) wordt zo belicht door twee lasers; één uit array 13 via diëlectrische spiegel 15, één uit array 14 via diëlectrische spiegel 16. De reflectie aan een halfgeleideroppervlak 2.i.j is nu in te stellen door de intensiteit van de bijbehorende twee lasers te regelen.

Voor deze uitvoeringsvorm kan als halfgeleidermateriaal silicium worden genomen, dat door verontreiniging een nagenoeg willekeurig korte carrier life time kan hebben en dan een nagenoeg willekeurig snel instelbaar antennesysteem oplevert. De lasers kunen halfgeleiderlasers zijn met een golflengte van ongeveer 1 μη.

Het is ook mogelijk om het reflectieoppervlak zoals gegeven in fig. 5 te belichten met lichtemitterende diodes of lasers op zodanige wijze dat in elke golfgeleider aan elke zijde van het halfgeleideroppervlak tenminste een lichtemitterende diode of laser is gemonteerd die het halfgeleideroppervlak kan belichten. Ook kunnen de lichtemitterende diodes of lasers buiten de golfgeleiders worden gemonteerd, waarbij het licht via lichtgeleiders naar de bijbehorende halfgeleideroppervlakken wordt geleid.

Claims (16)

1. Antennesysteem voorzien van tenminste één actieve stralingsbron en een reflecterend oppervlak hetwelk geplaatst is in tenminste een deel van de door de actieve stralingsbron gegenereerde straling, met het kenmerk, dat het reflecterend oppervlak voorzien is van halfgeleideroppervlakken en het antennesysteem voorzien is van middelen voor het genereren van licht, met welk licht de halfgeleideroppervlakken dusdanig worden bestraald dat, na reflectie van de door de actieve stralingsbron gegenereerde straling aan de reflecterende halfgeleideroppervlakken, tenminste één stralingsbundel wordt verkregen.

2. Antennesysteem volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat een aantal halfgeleideroppervlakken, nagenoeg aaneengesloten, het reflecterend oppervlak vormen.

3. Antennesysteem volgens conclusie 1, waarbij het reflecterend oppervlak voorzien is van golfgeleiders, met het kenmerk, dat de halfgeleideroppervlakken in de golfgeleiders zijn geplaatst.

4. Antennesysteem volgens conclusie 2 of 3, met het kenmerk, dat nagenoeg de helft van de halfgeleideroppervlakken in een eerste vlak liggen, dat resterende halfgeleideroppervlakken in een tweede vlak liggen en dat de afstand tussen eerste en tweede vlak λ/8 + k.A/2, k = 0, 1, 2, ..., bedraagt, waarbij λ de golflengte van de door de stralingsbron gegenereerde straling ter plaatse van de halfgeleideroppervlakken is.

5. Antennesysteem volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat een halfgeleideroppervlak is voorzien van twee lagen halfgeleidermateriaal aangebracht op een afstandsorgaan.

6. Antennesysteem volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de afstand tussen de twee lagen halfgeleidermateriaal λ/4 + k.A/2, k = 0, 1, 2, bedraagt, waarbij λ de golflengte van de door de stralingsbron gegenereerde straling ter plaatse van het afstandsorgaan is.

7. Antennesysteem volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het halfgeleidermateriaal silicium is.

8. Antennesysteem volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het halfgeleidermateriaal is voorzien van een anti-reflectie coating voor het licht van de middelen voor het genereren van licht.

9. Antennesysteem volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de middelen voor het genereren van licht voorzien zijn van tenminste een laser.

10. Antennesysteem volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat de laser een Nd-Yag laser is.

11. Antennesysteem volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat de laser een halfgeleiderlaser is.

12. Antennesysteem volgens conclusies 1 t/m 8, met het kenmerk, dat de middelen voor het genereren van licht voorzien zijn van tenminste een licht-emitterende diode.

13. Antennesysteem volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het licht van de middelen voor het genereren van licht naar de halfgeleideroppervlakken wordt geleid door lichtgeleiders.

14. Antennesysteem volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de door de actieve stralingsbron gegenereerde straling nagenoeg uitsluitend microgolfstraling is.

15. Antennesysteem volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de middelen voor het genereren van licht nagenoeg uitsluitend infraroodstraling genereren.

16. Radarapparaat voorzien van een antennesysteem volgens één der voorgaande conclusies, waarbij een computer de middelen voor het genereren van licht zodanig stuurt, dat de reflecties aan de halfgeleideroppervlakken van tenminste een deel van de straling van de actieve stralingsbron, minstens een radarbundel met instelbare richting en instelbare bundelbreedte bewerkstelligen.