DE3506270A1 - Verfahren und vorrichtung zur bandbreitenumschaltung eines millimeterwellenlaengestrahlungsbuendels - Google Patents

Description

■PATENTANWÄLTE

Zugelassene Vertreter vor dem Europäischen Patentamt Professional representatives before the European Patent Office

Erhardtstrasse 12, D-8000 München 5

-H-

Patentanwälte Menges & Prahl. Erhardtstr 12. D-8000 München 5 Dipl.-lng. Rolf Menges

Dipl.-Chem.Dr Horst Prahl

Telefon (O 89) 2 01 59 50 Telex 5 29 581 BIPATd Telegramm BIPAT München

Ihr Zeichen/Yourref.

Unser Zeichen/Our ref. U 872

Datum/Date 22.02.1985

United Technologies Corporation Hartford, Connecticut 06101, V.St.A.

Verfahren und Vorrichtung zur Bandbreitenumschaltung eines MillimeterwellenlängeStrahlungsbündels

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

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

Ferroelektrische Materialien sind seit der Entdeckung des Rochellsalzes für ihre Eigenschaften spontaner Polarisation und Hysterese bekannt geworden, vgl. International Dictionary of Physics and Electronics, D. Van Nostrand Company Inc., Princeton (1956). Andere Ferroelektrika einschließlich Bariumtitanat sind ebenfalls zum Gegenstand der Forschung geworden .

Die Anwendung der 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 Resonatoren, behindert. Weiter gibt es einen beträchtlichen Mangel an geeigneten Materialien, aus denen die Bauteile hergestellt werden können. Darüber hinaus macht die 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 ändern. Insbesondere kann ein elektrooptischer Effekt durch die Einwirkung eines geeigneten elektrischen Feldes erzeugt werden. Weiter sind durch ein elektrisches Feld hervorgerufene Orientierung und Umorientierung der ferroelektrischen Domänen diesen Materialien gemeinsam.

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 betrachtet. Viele ihrer Eigenschaften sind denen von ferromagnetischen Materialien analog, obgleich es sich gezeigt hat,

daß der beteiligte molekulare Mechanismus unterschiedlich ist. Trotzdem ist die Aufteilung der spontanen Polarisation in unterschiedliche Bereiche ein Beispiel für eine Eigenschaft, die sowohl ferromagnetische als auch ferroelektrische Materialien aufweisen.

Ein doppelbrechendes Medium ändert die Polarisation von hindurchgehender Strahlung gemäß der Art der Orientierung des Mediums in bezug auf diese Strahlung. Wenn es eine Verschiebung der Orientierung des Mediums gibt, die durch die Richtung der optischen Achse definiert ist, wozu es durch eine Domänenumorientierung in Ferroelektrika kommen wird, wird die Polarisationsänderung der hindurchgehenden Strahlung unterschiedlich sein.

Die Polarisationsänderung kann folgendermaßen erklärt werden. Die Strahlung teilt sich beim Eintritt in ein ferroelektrisches Medium, das eine geeignet ausgerichtete optische Achse hat, in zwei Komponenten. Eine Komponente hat eine Polarisation, die zu der optischen Achse rechtwinkelig ist (der ordentliche Strahl), und die andere Komponente hat eine Polarisation, die zu der der ersten Komponente orthogonal und zu der optischen Achse abgewinkelt oder parallel ist ( der außerordentliche Strahl). Die Brechungsindizes η und η des doppelbrechenden Materials bestimmen die unterschiedliehen Ausbreitungsgeschwindigkeiten. Die austretenden Komponenten vereinigen sich wieder mit einer induzierten relativen Phasenverschiebung, die zu der Geschwindigkeitsdifferenz mal der Länge des Mediums proportional ist. Die Phasenverschiebung bestimmt den Polarisationszustand des Ausgangsstrahls: zirkulär, linear, elliptisch od.dgl. Der Ausgangspolarisationszustand oder die induzierte Polarisationsänderung kann geändert werden, indem die optische Achse in bezug auf die Strahlung umorientiert wird. Das erfolgt durch Aufbauen eines impulsförmigen elektrischen Feldes ausreichen-

der Größe in geeigneter Richtung. Das elektrische Feld wirkt auf die ferroelektrische Domänenstruktur ein.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur schnellen Bandbreitenumschaltung von Millimeterstrahlung zu schaffen.

Diese Aufgabe ist durch die im Kennzeichen der Patentansprüche 1 und 2 angegebenen Schritte bzw. Merkmale gelöst.

Die Erfindung schafft ein umschaltbares Bandpaßfilter zum schnellen Umschalten der Bandbreite von Millimeterstrahlung, welche durch mehrere Stufen ferroelektrischen Materials hindurchgeht .

Weiter schafft die Erfindung eine umschaltbare Millimeterwellenlängebandpaßfiltervorrichtung zur Verwendung in Radarsystemen.

Ferner schafft die Erfindung ein umschaltbares ferroelektrisches Millimeterwellenlängebandpaßfilter für Mikrowellenradarumschaltzwecke im Millimeterwellenlängebereich, das zwischen mehreren Bandbreitenzuständen durch Domänenumorientierung von einer oder mehreren optischen Achsen des ferroelektrischen Materials reversibel umschaltbar ist.

Außerdem schafft die Erfindung ein umschaltbares Bandpaßfilter zur Verwendung in Millimeterwellenlängeradarsystemen.

Weiter schafft die Erfindung ein umschaltbares ferroelektrisches Millimeterwellenlängebandpaßfilter, das Mikrowellensignale mittels gewählter Bandbreiten verarbeiten kann.

Schließlich schafft die Erfindung ein umschaltbares ferroelektrisches Millimeterwellenlängebandpaßfilter zum Verarbeiten von Mikrowellensignalen in einem Radarempfänger.

Gemäß der Erfindung wird ein ferroelektrisches Medium in dem Strahlengang von Millimeterwellenlängestrahlung stufenweise angeordnet, um ein diskret umschaltbares Mikrowellenradarbandpaßfilter zu schaffen. Das ferroelektrische Material in jeder Stufe hat eine optische Achse, die in einer von zwei orthogonalen Richtungen oder Domänenzuständen angeordnet werden kann,indem ein geeignet bemessener elektrischer Impuls an das eine oder andere von zwei das Medium überspannenden Elektrodenpaaren angelegt wird. Jede Domänenorientierung unterliegt der Wirkung eines einzelnen Elektrodenpaares, und die Paare sind zum reversiblen Umorientieren der Achsen zwischen den Domänenzuständen gekreuzt angeordnet.

Eine veränderbare Polarisation erfolgt durch Umorientieren der Achse mit einem starken elektrischen Feld. Dieses ändert die Art der Ausbreitung der Millimeterwellenlängestrahlung. Es gibt keine langer andauernde Änderung in der Doppelbrechung, sondern nur eine abrupte Änderung in der Orientierung der optischen Achsen. Das führt zu einer mehrstufigen Vorrichtung, die in die Lage versetzt werden kann, verschiedene Bandbreiten aufzuweisen. Zum Wiederholbarmachen des Prozesses sind zwei Sätze von Elektroden erforderlich, davon einer transparent und in dem Ausbreitungsweg zum Umorientieren der optischen Achse in ihren Ausgangszustand. In dieser Ausführungsform sind die Elektroden, die in der Ausbreitungsrichtung der Strahlung angeordnet sind, für die Strahlung transparent und erfüllen einen doppelten Zweck, nämlich den von Elektroden und den von Linearpolarisatoren. Das Aufbauen des elektrischen Feldes erfolgt intermittierend und endet nach jeder Domänenumorlentierung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

-<r- 3

Fig. 1 mehrere Stufen ferroelektrischen Filterma

terials, die mit Elektrodenpaaren versehen sind, welche rittlings an ihren Oberflächen angeordnet sind, um wahlweise elektrische Schaltfelder zum Umorientieren ihrer optischen Achsen aufzubauen,und

Fig. 2 die Frequenzverteilungscharakteristik des um

schaltbaren Bandbreitenfilters und erläutert, wie die Bandbreiten wahlweise umgeschaltet werden können.

Das umschaltbare Bandpaßfilter, das in Fig. 1 gezeigt ist, weist Blöcke 7 aus ferroelektrischem Material auf, die einer einfallenden polarisierten Strahlung 9 ausgesetzt sind. Die Ausbreitungsrichtung der einfallenden Strahlung ist durch einen Pfeil K angegeben. Die Polarisationsart wird durch einen Eingangspolarisator 8 bestimmt, der auch als Elektrode dienen kann.

Die Strahlung ist beispielshalber durch eine Frequenz von 95 GHz gekennzeichnet, was einer Millimeterwellenlänge von 3,16 entspricht. Die Blöcke 7 sind in Form von Quadern dargestellt, deren Oberflächen jeweils parallel zu der unmittelbar gegenüberliegenden Oberfläche sind. Andere geometrische Formen könnten gleichermaßen benutzt werden, solange die einander gegenüberliegenden Seiten parallel sind..

Die Vorrichtung hat Elektrodenpaare 11, 22 und 33 zum Umorientieren der optischen Achse in eine von zwei gewählten Richtungen, und zwar V-V bzw. H-H . Jedes Mitglied eines besonderen Elektrodenpaares ist nahe einer gegenüberliegenden Seite seines zugeordneten ferroelektrischen Blockes 7 in Ausrichtung auf eine der beiden für die optische Achse möglichen Richtungen angeordnet. Darüber hinaus sind die Elektroden 44 für die Strahlung durchlässig oder transparent und können so betrachtet werden, als wirkten sie in Paaren, da sie durch den besonderen Körper des ferroelektrischen Materials, welchen sie Überspan-

nen, so definiert sind. Darüber hinaus sind die transparenten Elektroden tatsächlich Drahtgitter, die als Linearpolarisatoren dienen und eine frequenzabhängige Charakteristik gemäß dem Polarisationszustand der hindurchgehenden Strahlung haben.

In Fig. 1 können ausgewählte Elektrodenpaare mit einer geeignet starken Spannungsdifferenz aus einer Spannungsquelle 12 aktiviert werden, um die optische Achse in vertikaler oder horizontaler Richtung anzuordnen, in jedem Fall rechtwinkelig zu der Strahlungsausbreitung. Geeignete Kombinationen (oder Permutationen) von Elektrodenpaaren können gewählt werden. Die Materialblöcke können sogar in eine andere Reihenfolge gebracht werden, um die Vorrichtung mechanisch umzustrukturieren. Die Blöcke 7 sind unterschiedlich dick. Die Dicke eines Blockes wird als Referenzdicke gewählt, und die Dicken der übrigen Blöcke sind ganzzahlige Vielfache der Referenzdicke. Die Energie aus der Quelle 12 wird selbstverständlich bevorzugt impulsförmig über gewählte Schalter 13 zugeführt, weil das alles ist, was zum Umorientieren der optischen Achse aus einer Richtung in die andere nötig ist.

Ein Elektrodenpaar kann die optischen Achsen horizontal oder parallel zu der einfallenden Strahlung orientieren, indem ein geeignetes elektrisches Feld zwischen den Mitgliedern eines gewählten Elektrodenpaares aufgebaut wird. Das erfolgt durch Umschalten, um die Spannungsdifferenz 12 von den Elektroden 11 an die Elektroden 44 und wieder an die Elektroden 11 anzulegen. Mehrere Elektrodenpaare sind in gekreuzter Anordnung zu anderen Elektrodenpaaren gezeigt. Beispielshalber sind die Elektroden 11, 22 und 33 gekreuzt zu den Elektroden 44 angeordnet. Wenn die optische Achse in der Ausbreitungsrichtung angeordnet ist, ist das ferroelektrische Material für den Durchgang der Strahlung transparent, die die Anfangslinearpolarisation hat, welche durch die erste Draht-

gitterelektrode 8 bestimmt wird.

Die Dauer der Zeit, welche erforderlich ist, um das elektrische Feld aufzubauen, ist kurz und erfordert nicht mehr als einen Impuls ausreichender Größe. Es ist nur eine vorübergehende Einwirkung der Feldstärke erforderlich, um die optische Achse in einen neuen Domänenzustand umzuorientieren. Für die Domänenumorientierung kann ein Feldimpuls von 20 kV/cm, oder sogar von nur 15 kV/cm bei einigen Ferroelektrika, ausreichen. Nicht mehr als 30 oder 40 kV/cm sollten verwendet werden, um einen dielektrischen Durchschlag zu vermeiden. Der Vorgang ist reversibel, und Schaltoder Ansprechzeiten in der Größenordnung von Millisekunden sind bei typischen ferroelektrischen Materialien möglich.

In Fig. 2 ist der Frequenzgang jedes Blockes 7, einzeln für den Eingangspolarisator 8 genommen, bei vertikal angeordneter optischer Achse gezeigt. Die Ausgangsfrequenz ist bei einem Block größter Dicke am höchsten und bei dem Block kleinster Dicke am niedrigsten. Die Frequenz entspricht der Dicke des Blockes 7.

In der gezeigten Ausführungsform ist die Dicke c doppelt so groß wie die Dicke b, die ihrerseits doppelt so groß ist wie die Dicke a. Demgemäß wird die Ausgangsfrequenz des Blockes 7 der Dicke c doppelt so groß sein wie die Ausgangsfrequenz eines Blockes der Dicke b. Die Ausgangsfrequenz eines Blockes 7 der Dicke b wird ihrerseits doppelt so groß sein wie die Ausgangsfrequenz des Blockes der Dicke a. Das ist durch die Kurven a, b, bzw. c in Fig. 2 gezeigt.

Darüber hinaus zeigt Fig. 2 die Konsequenz des vertikalen Ausrichtens der optischen Achsen zuerst nur des dünnsten Blockes 7, wenn die optischen Achsen der übrigen Blöcke horizontal und in der Ausbreitungsrichtung gelassen werden. Das ergibt die Bandbreite der Kurve d in Fig. 2.

Durch zusätzliches Umschalten der optischen Achse des mittleren Blockes in die vertikale Richtung wird eine Bandbreite gemäß der Kurve e in Fig. 2 erzielt. Schließlich, wenn alle drei optischen Achsen vertikal sind, wird die schmälste mögliche Bandbreite gemäß der Kurve f in Fig. 2 erzielt.

Im Betrieb kann die Spannungsdifferenz 12 wahlweise zwischen gewählten Elektrodenpaaren umgeschaltet werden, um die optische Achse des ferroelektrischen Materials aus einer Domänenzustandsorientierung in die andere umzuschalten. Wenn die Achse mit der Ausbreitungsrichtung der Strahlung ausgerichtet ist, ist der betreffende Block für die Strahlung durchlässig und hat keine Auswirkung auf die Bandbreite. Wenn jedoch die optische Achse eines besonderen Blockes rechtwinkelig zu der Ausbreitungsrichtiing ist, ergibt sich insgesamt eine Verschmälerung der Bandbreite wegen der frequenzselektiven Wechselwirkung zwischen der Polarisation, die durch die Doppelbrechung des Materials hervorgerufen wird, und der festen Polarisation, die durch die transparenten Drahtgitterelektroden hervorgerufen wird. Die Polarisationsrichtung, die für die übertragung durch die Drahtgitterelektroden begünstigt wird, kann insgesamt parallel sein, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, oder kann gemäß der gewünschten Bandbreitencharakteristik anders sein. Das Elektrodensystem kann dann zwischen dem übertragen der unmodifizierten Strahlung und dem Erzeugen der Strahlung in veränderter Form, nach Bedarf mit einer Auswahl unter mehreren möglichen Bandbreiten, in Abhängigkeit von der Anzahl und dem Charakter (d.h. der Breite) der ferroelektrischen Elemente und der gewählten und aktivierten Stufen umschalten.

Ferroelektrische Materialien können mehr als eine optische Achse haben. Es ist demgemäß eine komplexe Vielfalt von Domänenorientierungen einschließlich biaxialer Anisotropie möglich.

Darüber hinaus können ferroelektrische Materialien als poly-

kristalline Gemische hergestellt werden, die besonders brauchbar sind. Insbesondere sind Gemische in einem inerten isotropen Medium für Bauteileentwickler von Interesse. Polykristalline Gemische werden bevorzugt, weil es schwierig ist, einzelne große Kristalle wachsen zu lassen. Beispielsweise kann ein isotropes Medium mit kleinem Brechungsindex mit orientierten Eindomänenkristallen eines bestimmten Ferroelektrikums in geeigneten Konzentrationen beliebig dotiert werden, was dem Medium ferroelektrische Eigenschaften der gewünschten Art verleiht. Strukturierte Verbundmaterialien könnten ebenfalls für das ferroelektrische Gemisch benutzt werden.

-AM -

- Leerseite -

Claims (10)

Patentansprüche :

1. Verfahren zum Umschalten zwischen gewählten Bandbreiten eines Millimeterwellenlängestrahlungsbündels, gekennzeichnet durch folgende Schritte: *

Richten eines Millimeterwellenlängestrahlungsbündels auf eine Reihe von Materialmedien, die parallele Eingangs- und Ausgangswände und ein Paar entgegengesetzte Seiten haben, wobei mehrere Paare horizontal und andere Paare vertikal angeordnet sind, wobei die Medien doppelbrechend sind und jeweils wenigstens zwei mögliche Richtungen der Orientierung für jede optische Achse haben, von denen eine Richtung in der Ausbreitungsrichtung des Millimeterwellenlängestrahlungsbündels angeordnet ist;

Anordnen von wenigstens zwei Elektrodenpaaren für jedes Medium rittlings an dem Materialmedium, wobei jede Elektrode

•f* i

orthogonal zu einer der Richtungen der optischen Achse ist; und

Aufbauen eines elektrischen Feldes an ausgewählten Elektrodenpaaren und dadurch an dem Materialmedium zum Umorientieren der optischen Achse des Materialmediums aus einer Richtung in die andere/ wodurch die Bandbreite der durch die Materialmedien hindurchgehenden Strahlung wahlweise veränderbar ist.

2. Filtervorrichtung zum Umschalten zwischen Bandbreitenzuständen eines Millimeterwellenlängestrahlungsbündels, gekennzeichnet durch:

mehrere Stufen eines Materialmediums (7), die jeweils parallele Eingangs- und Ausgangswände und ein Paar entgegengesetzter Seiten haben, wobei eines der Paare horizontal und das andere vertikal angeordnet ist, wobei jedes Medium (7) doppelbrechend ist und wenigstens zwei mögliche Richtungen der Orientierung für jede optische Achse hat, wobei die Richtungen unabhängig voneinander sind und wobei eine der Richtungen parallel zu der Ausbreitungsrichtung (K) des Millimeterwellenlängestrahlungsbündels (9) angeordnet werden kann; wenigstens zwei Elektrodenpaare (8, 11, 22, 33, 44) für jedes Medium, wobei jedes Paar rittlings an dem entsprechenden Medium (7) angeordnet ist und wobei jede Elektrode insgesamt plan-parallel und orthogonal zu einer unter zwei Richtungen ausgewählten Richtung der optischen Achse ist; und

eine selektive Einrichtung (13) zum wahlweisen Zuführen von elektrischer Energie zu ausgewählten Elektroden (8, 11, 22, 33, 44) und dann zu anderen Elektroden, wodurch ein elektrisches Feld in bezug auf die Materialmedien (7) auf- und abgebaut und dadurch die optische Achse der Materialmedien aus einer Richtung in die andere umorientiert werden kann, wodurch die Bandbreite der Millimeterwellenlängestrahlung diskret veränderbar ist.

3. Verfahren bzw. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Elektrodenpaare (8, 44) in dem Weg des Millimeterwellenlängestrahlung sbün de Is ist.

4. Verfahren bzw. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Elektrodenpaare für das Millimeterwellenlängestrahlungsbündel transparent ist.

5. Verfahren bzw. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Elektrodenpaare (8) ein Drahtgitterpolarisator ist.

6. Verfahren bzw. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Elektrodenpaar (44) ein Elektrodenpaar ist, das eine Elektrode aufweist, welche benachbarten Stufen des Materialmediums gemeinsam ist.

7. Verfahren bzw. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Elektrodenpaar (8, 11, 22, 33, 44) mit einem elektrischen Impuls versorgbar ist, wodurch ein elektrisches Feld spezifischer Dauer in dem Materialmedium aufbaubar ist.

8. Verfahren bzw. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Elektrodenpaare (11, 22, 33, 44) gekreuzt angeordnet sind.

9. Verfahren bzw. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Materialmedium ferroelektrisch ist.

10. Verfahren bzw. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Materialmedium Bariumtitanat enthält.