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Die
Erfindung betrifft eine photoleitende Antenne zur Abstrahlung oder
zum Empfang von Terahertz-Strahlung.
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Als
Terahertz-Strahlung wird elektromagnetische Strahlung im Frequenzbereich
von etwa 0,1 bis 100 THz bezeichnet. Da es im Frequenzbereich der Terahertz-Strahlung Molekülschwingungen
zahlreicher Stoffe gibt, kann mittels Absorptionsspektroskopie im
Terahertz Bereich die Untersuchung von Substanzen erfolgen und auch
der Nachweis bestimmter chemischer Verbindungen geführt werden.
Objekte können
auch materialspezifisch mittels Terahertz-Strahlung in Transmission
oder Reflexion abgebildet werden. Es gibt daher ein wissenschaftlich-technisches
Interesse an kostengünstigen
und effizienten Emittern und Detektoren für Terahertz Strahlung.
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Es
ist bekannt, dass Terahertz-Strahlung mit photoleitenden Antennen
(englisch PCA – photoconductive
antenna) unter Verwendung ultrakurzer Lichtpulse mit Pulsdauern ≤ 1 ps sowohl
erzeugt als auch nachgewiesen werden kann (Patentschrift
US 5 789 750 A )
Ebenso können
photoleitende Antennen als Photomischer zur Erzeugung von Terahertz-Strahlung
eingesetzt werden, wenn zwei Laserstrahlen mit einer Differenzfrequenz
im THz-Bereich von der Antenne absorbiert werden (Patentschrift
WO 2008/054 846 A2 ).
Eine photoleitende Terahertz-Antenne besteht im Wesentlichen aus
einer hochohmigen halbleitenden Schicht mit einer kurzen Relaxationszeit der
Ladungsträger
im Bereich einer Pikosekunde, welche auf einem ebenfalls hochohmigen
Substrat aufgebracht ist und auf der eine elektrisch leitende Antennenstruktur
beispielsweise in der Form eines Dipols oder einer Spiralantenne
mit einer Lücke
als Unterbrechung im Zentrum der Antenne angeordnet ist. Zur Abstrahlung
oder zum Nachweis von Terahertz-Strahlung wird die Halbleiterschicht
in der Lücke
der Antenne mit kurzen Laserpulsen bestrahlt. Die Photonenenergie
der Laserpulse ist dabei größer als
die elektronische Bandlücke
der halbleitenden Schicht, so dass das Laserlicht in der halbleitenden Schicht
absorbiert wird und bewegliche Ladungsträger erzeugt (
US 5 729 017 A ;
WO 03/047036 A1 ).
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Zur
Abstrahlung von Terahertz-Strahlung wird an der Antenne eine Spannung
angelegt. Dadurch entsteht in der Lücke der Antenne ein elektrisches
Feld, dem die durch den optischen Puls erzeugten freien Ladungsträger folgen.
In der Beschleunigungsphase der Ladungsträger wird elektromagnetische
Strahlung im Terahertz-Bereich emittiert. Wegen der geringen Relaxationszeit
der Ladungsträger
wird der entstandene elektrische Strom anschließend sehr schnell wieder gestoppt,
was wiederum zur Abstrahlung von Terahertz-Strahlung führt.
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Zum
Nachweis von Terahertz-Strahlung wird an die photoleitende Antenne
ein Stromverstärker angeschlossen.
Ein Strom ist dann messbar, wenn an der Antenne ein elektrisches
Feld der Terahertz-Strahlung anliegt und gleichzeitig ein Laserpuls in
der halbleitenden Lücke
der Antenne freie Ladungsträger
erzeugt.
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Dem
breiten Einsatz von THz-Messsystemen steht gegenwärtig hauptsächlich die
geringe Leistung bekannter Terahertz-Emitter im Wege, die bestenfalls
wenige Milliwatt abstrahlen. Da die für die Erzeugung von Terahertz-Strahlung
erforderliche Laserleistung teuer ist, kommt es bei der Konstruktion der
photoleitenden Emitterantenne darauf an, eine hohe Effizienz bei
der Umwandlung von Laserleistung in Terahertz-Leistung zu erreichen.
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Neben
einfachen Dipolantennen (Patentschriften
US 5 729 017 A ,
WO 02/060017 A1 ) und sogenannten
bow tie Antennen (Patentschrift
US 2006/0152412 A1 ) sind vor allem Spiralantennen
für die
effiziente Abstrahlung oder den Empfang elektromagnetischer Wellen
bekannt (Laser Focus World, Heft Juni 2008, Seiten 94–97; Patentschriften
KR 10 2005 0015364
A ,
JP 58123203
A ,
JP 2001060821
A ,
JP 2008028872
A ,
CA 2 292 635 ,
CA 2 575 130 ). Bekannt sind
auch breitbandige Spiralantennen, die in der Form selbstähnlicher
logarithmischer Spiralarme ausgeführt sind (Patentschriften
US 2004/005 682 3 A1 ,
JP 06 268 434 A ,
KR 10 2005 0057464
A ). Beim Einsatz solcher Antennen für die Erzeugung von Terahertz-Strahlung
ist jedoch die abgestrahlte Leistung dadurch begrenzt, dass die
Lücke der
Antenne nur mit einer geringen optischen Leistung bestrahlt werden
kann, um eine Zerstörung
der Antenne infolge der lokalen thermischen Belastung zu vermeiden. Aus
dem gleichen Grunde ist auch die an der Lücke der Antenne anliegende
Spannung begrenzt.
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Für passive
Anwendungen wurden Antennenarrays aus Spiralantennen mit unterschiedlichen Abständen und
Größen vorgeschlagen.
Antennenarrays aus Dipol- oder Spiral-Antennen, teilweise mit einer
Kombination unterschiedlicher Einzelantennen werden in der Patentschrift
US 5 223 849 A zur
breitbandigen Absorption elektromagnetischer Wellen im Frequenzbereich
von etwa 2–18
GHz angegeben, um eine für
Radarstrahlen nicht reflektierende Oberfläche zu realisieren. In der
Patentschrift
US
2005/01 68 314 A1 werden Antennenarrays aus Spiralantennen,
welche über
elektrische Widerstände
mit einer gemeinsamen elektrisch leitfähigen Platte verbunden sind,
zur Realisierung definierter Reflexionseigenschaften elektromagnetischer
Wellen im Frequenzbereich von einigen GHz beschrieben. Derartige
Antennenanordnungen sind jedoch nicht zur Emission oder zum Empfang
von Terahertz-Strahlung geeignet.
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Um
die abgestrahlte Leistung und die Richtcharakteristik zu erhöhen, können im
Fall einer konventionellen Speisung der Sendeantennen mit einem
Hochfrequenzgenerator Arrays von Antennen eingesetzt werden, die
im Falle von phased Arrays auch eine einstellbare Abstrahlrichtung
besitzen (Patentschriften
US
6 466 177 B1 ,
US
6 781 560 B2 ,
US 6
525 697 B1 ,
US
6 646 621 B1 ,
CA
242 402 7 C ,
US 6
842 157 B2 ,
JP
58 134 511 A ). Um unerwünschte seitliche
Abstrahlrichtungen infolge der Interferenz regelmäßig aufgebauter
Antennenarrays zu vermeiden, werden in der Patentschrift
US 2003/00 76 274 A1 Array-Antennen
vorgeschlagen, die aus nicht periodisch angeordneten Sub-Arrays bestehen.
Für die Emission
von Terahertz-Strahlung können
Antennen jedoch nicht in gleicher Weise zusammengeschaltet werden,
wie das in der Hochfrequenztechnik üblich ist, weil über die
elektrischen Speiseleitungen von Terahertz-Antennen keine Hochfrequenz,
sondern eine Gleichspannung zugeführt wird, die erst durch die
Bestrahlung der Lücke
der Antenne zur Erzeugung eines Terahertz-Pulses führt. Ein
einfaches Array von Einzelantennen, die mit parallelen elektrischen
Speiseleitungen in der Form einer Interdigitalstruktur zusammengeschaltet
sind, führt
jedoch infolge der unterschiedlichen Phase benachbarter Antennenreihen
zur Auslöschung
des Terahertz-Signals und ist deshalb nicht zweckmäßig.
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Um
eine destruktive Interferenz bei der Zusammenschaltung von Terahertz-Dipolantennen zu vermeiden,
wurde eine interdigitale Fingerstruktur der Speiseleitungen vorgeschlagen,
bei der jede zweite Fingerstruktur mit einer für das anregende Laserlicht
undurchlässigen
Schicht abgedeckt ist (Patentschrift
DE 10 2004 046 123 A1 ).
Dadurch wird erreicht, dass die zwischen den Fingern der Interdigitalstruktur
abgestrahlten Terahertz-Wellen eine einheitliche Polarisationsrichtung
und Phase aufweisen und sich im Fernfeld konstruktiv überlagern.
Obwohl bei der Verwendung einer solchen Terahertz-Strahlungsquelle
mit teilweise abgedeckter Interdigitalstruktur erheblich größere Terahertz-Strahlungsleistungen als
mit einer einfachen Dipolantenne erreichbar sind, wird die Effizienz
solcher Antennen aus folgenden zwei Gründen beschränkt: Erstens geht mehr als
die Hälfte
der Laserleistung durch die Bestrahlung der abgedeckten Antennenbereiche
ungenutzt verloren und zweitens wird weniger als die Hälfte der
Antennenfläche
für die
Emission der Terahertz-Strahlung genutzt.
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Der
Verlust von etwa der Hälfte
der Laserleistung kann mit der in der Patentschrift
DE 10 2006 059 573 B3 vorgeschlagenen
interdigitalen Antennenstruktur mit einem Linsenarray zur Beleuchtung vermieden
werden. Allerdings besitzt auch diese Antennenanordnung den Nachteil,
dass die für
die Emission der Terahertz-Strahlung
eingesetzte Antennenfläche
nur etwa der Hälfte
der gesamten Antennenfläche
entspricht, weil zur Gewährleistung
der Phasengleichheit der emittierten Terahertz-Strahlung nur jeder
zweite Zwischenraum der interdigitalen Fingerstruktur für die Abstrahlung
genutzt werden kann.
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Ein
Vorschlag, mittels eines geeignet geformten Linsenarrays sowohl
die gesamte Laserleistung als auch die gesamte Antennenfläche zur
Emission von Terahertz-Strahlung
zu nutzen, ist in der Patentschrift
JP 2007-324 310 A beschrieben.
Dazu wird ein speziell geformtes Linsenarray beschrieben, welches
mittels einer strukturierten Phasenplatte eine interdigitale Antennenstruktur
so beleuchtet, dass jeder zweite Zwischenraum der Finger zu einem späteren Zeitpunkt
mit dem anregenden Laserpulses beleuchtet wird. Dadurch wird eine
destruktive Interferenz der emittierten Terahertz-Strahlung vermieden (siehe
12). Allerdings wird dadurch die Terahertz-Pulsdauer
um mindestens eine halbe Periode verlängert oder es entstehen zwei
getrennte Terahertz Pulse, was zu einer eingeschränkten Nutzbarkeit
einer solchen Strahlungsquelle in einem Terahertz Time-Domän Messsystem
führt.
Darüber
hinaus ist der technische Aufwand zur Erzeugung des Linsenarrays
zusammen mit der Phasenplatte sehr hoch, was die Kosten dieser Anordnung
vergrößert.
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Eine
weitere Lösung
zur Vermeidung der destruktiven Interferenz von Terahertz-Strahlung, die in Interdigital-Antennen
erzeugt wird, ist in der Patentschrift
DE 10 2006 014 801 A1 angegeben.
Es wird vorgeschlagen, das photoleitende Halbleitermaterial der
Antenne auf einem elektrisch isolierenden Substrat aufzubringen
und dieses Material in jedem zweiten Zwischenraum der Fingerstrukturen
zu entfernen. Dadurch wird die Terahertz-Strahlung nur in jedem zweiten
Zwischenraum der Interdigitalantenne erzeugt und überlagert
sich konstruktiv. Die Nachteile dieser Anordnung bestehen neben
der komplizierten Herstellungstechnologie der Antenne darin, dass
nur ein Teil des Laserlichtes genutzt wird und nur jeder zweite
Zwischenraum der Interdigitalantenne für die Abstrahlung genutzt wird.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine photoleitende Antenne
in der Form eines Arrays von Einzelantennen zur Abstrahlung beziehungsweise
zum Empfang von Terahertz-Strahlung anzugeben, bei der der Hauptteil
der gesamten Antennenfläche
für die
Abstrahlung beziehungsweise den Empfang von Terahertz-Strahlung
genutzt werden kann. Dadurch soll erreicht werden, dass eine derartige
Antenne beim Einsatz als Sendeantenne eine höhere Terahertz-Strahlungsleistung
als eine bekannte großflächige photoleitende
Antenne emittiert und beim Einsatz als Empfangsantenne einen größeren Strom als
die bekannten photoleitenden Antennen liefert.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe mit der photoleitenden Antenne zur Abstrahlung oder zum
Empfang von Terahertz-Strahlung mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
Den Erfindungsanspruch vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind
Gegenstand der Unteransprüche
sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele
mit den zugehörigen
Abbildungen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend an Hand von drei Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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In
den zugehörigen
Zeichnungen zeigen
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1 die
schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen photoleitenden
Antenne zur Abstrahlung oder zum Empfang von Terahertz-Strahlung,
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2 die
schematische Darstellung des Querschnitts A-A durch die erste Ausführungsform der
photoleitenden Antenne zur Abstrahlung oder zum Empfang von Terahertz-Strahlung,
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3 die
schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen photoleitenden
Antenne,
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4 die
schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen photoleitenden
Antenne.
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1 zeigt
die schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen photoleitenden
Antenne zur Abstrahlung oder zum Empfang von Terahertz-Strahlung.
Die photoleitende Antenne besteht aus einem Array von Spiralantennen,
die in Reihen zwischen elektrischen Speiseleitungen 3, 4 angeordnet
sind. Die elektrischen Speiseleitungen 3, 4 besitzen
die Form einer interdigitalen Finger-Struktur. Die Spiralantennen
werden mittels eines Linsenarrays 5 mit Laserlicht 6 bestrahlt.
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Das
gesamte Array von Spiralantennen besteht aus zwei unterschiedlichen
Formen von Spiralantennen, die jeweils eine erste Antennenreihe 1 und eine
zweite Antennenreihe 2 bilden. Die Spiralantennen der ersten
Antennenreihe (1) und der zweiten Antennenreihe (2)
sind jeweils zwischen den interdigitalen elektrischen Speiseleitungen
(3, 4) abwechselnd angeordnet. Die Spiralantennen
der ersten Antennenreihe (1) und der zweiten Antennenreihe
(2) besitzen den gleichen Windungssinn, unterscheiden sich
aber bezüglich
der Windungszahl um eine halbe Windung. Die Brennpunkte der einzelnen
Linsen des Linsenarrays (5) befinden sich an der Oberfläche der photoleitenden
Antenne jeweils zwischen den Anfängen
der beiden Spiralarme (11, 12, 21, 22)
im Zentrum einer jeden Spiralantenne.
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Die
Spiralantennen der ersten Antennenreihe (1) und der zweiten
Antennenreihe (2) besitzen logarithmische, winkelkonstante
Spiralarme (11, 12, 21, 22).
Die Breite der Spiralarme ist bei jedem Radius gleich ihrem Abstand.
Sie sind deshalb selbstähnlich.
Solche logarithmische Spiralantennen strahlen besonders breitbandig
ab. Ihre untere Grenzfrequenz wird durch den äußeren und ihre obere Grenzfrequenz
durch den inneren Radius bestimmt.
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Im
ersten Ausführungsbeispiel
ist der innere Radius der Spiralantennen der Antennenreihen 1 und 2 gleich,
was eine einheitliche obere Grenzfrequenz des gesamten Antennenarrays
bewirkt. Wegen des größeren Radius
der Spiralantennen der ersten Antennenreihe 1 besitzen
diese eine geringere untere Grenzfrequenz als die Spiralantennen
der zweiten Antennenreihe 2.
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Die
größeren Spiralantennen
der Antennenreihen 1 besitzen eine Windung und die kleineren Spiralantennen
der Antennenreihen 2 besitzen eine halbe Windung. Durch
diesen Unterschied einer halben Windung wird erreicht, dass alle
Antennen phasengleich abstrahlen und sich im Fernfeld eine konstruktive
Interferenz ergibt.
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Die
Erfindung ist nicht darauf beschränkt, dass die Spiralantennen
logarithmisch sind und eine halbe beziehungsweise eine Windung besitzen.
Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, dass der Unterschied
zwischen den Windungszahlen der Spiralantennen benachbarter Reihen
genau eine halbe Windung ist. Demzufolge kann beispielsweise auch
ein breitbandigeres Array mit logarithmischen Spiralantennen von
jeweils einer Windung beziehungsweise ein und einer halben Windung
je Antennenreihe zusammengestellt werden oder es können Archimedische
Spiralantennen verwendet werden, die entweder rund oder auch eckig
ausgeführt
sind.
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Die
Spiralantennen strahlen ein zirkular polarisiertes Terahertz-Feld
ab, wobei der Drehsinn des Feldes durch den Drehsinn der Spiralarme 11, 12, 21, 22 und
die Polarität
der an den elektrischen Speiseleitungen 3, 4 anliegenden
Spannung bestimmt wird.
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Im
gezeigten Ausführungsbeispiel
sind die Spiralantennen der Antennenreihen 1 und 2 und
die darüber
angeordneten Linsen des Linsenarrays 5 in der Form eines
hexagonalen Gitters angeordnet, um eine optimale Nutzung der zur
Verfügung
stehenden Fläche
der photoleitenden Antenne zu erreichen. Die Erfindung ist aber
nicht auf eine derartige Anordnung beschränkt, sondern die Spiralantennen
der Antennenreihen 1 und 2 können auch anders angeordnet werden,
beispielsweise in der Form eines rechteckigen oder quadratischen
Gitters.
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Das
Linsenarray 5 besteht aus einer transparenten Platte aus
Glas 9, in deren Oberfläche
die Linsenformen eingeprägt
sind.
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Im
ersten Ausführungsbeispiel
besitzen die Spiralantennen der Antennenreihen 1 mit einer
Windung einen größeren Durchmesser
als die Spiralantennen der Antennenreihen 2, die nur eine
halbe Windung besitzen. Entsprechend sind die Abstände der elektrischen
Speiseleitungen 3, 4 nicht gleich. Für den in 1 gezeigten
Fall logarithmischer Spiralen mit einem Unterschied einer halben
Windungszahl beträgt
das Verhältnis
des Abstandes der elektrischen Speiseleitungen exp(kπ), wenn die
logarithmischen Spiralen mit der Beziehung r = r0·exp(k·φ) in Polarkoordinaten
beschrieben werden (r – Radius des
Spiralarmes, r0 – innerer Radius, der dem halben Lücken-Abstand
der Spiralantenne entspricht, φ – Drehwinkel,
k – Steigung
der Spirale, die das Anwachsen der Spiralarme mit dem Drehwinkel
bestimmt). Das Verhältnis
der Durchmesser beider Sorten der Spiralantennen in den Antennenreihen 1 und 2 wird
mit der gleichen Formel exp(kπ)
beschrieben.
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In
der schematischen Darstellung des Querschnitts durch die erste Ausführungsform
der photoleitenden Antenne zur Abstrahlung oder zum Empfang von
Terahertz-Strahlung in 2 ist ersichtlich, wie das Laserlicht 6 mittels
des Linsenarrays 5 aus Glas auf die Zentren der Spiralantennen
der Antennenreihen 1 und 2 fokussiert wird. Die
Zentren der Spiralantennen befinden sich jeweils in der Mitte zwischen
den elektrischen Speiseleitungen 3 und 4.
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Der
Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung
gegenüber
dem bekannten Stand der Technik besteht darin, dass jeder Zwischenraum
zwischen den elektrischen Speiseleitungen 3, 4 mit
Antennen zur Abstrahlung oder zum Empfang von Terahertz-Strahlung
genutzt wird und dadurch eine größere Effizienz
der gesamten Antennenstruktur erreicht wird. Bei den bekannten interdigitalen
Antennenarrays kann nur jeder zweite Zwischenraum zwischen den elektrischen
Speiseleitungen mit Antennen genutzt werden, um eine destruktive
Interferenz zu vermeiden. Dieser Mangel wird erfindungsgemäß durch
den Einsatz von zwei Reihen von Spiralantennen mit Windungszahlen,
die sich um eine halbe Windung unterscheiden, behoben.
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3 zeigt
die schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen photoleitenden
Antenne zur Abstrahlung oder zum Empfang von Terahertz-Strahlung.
Dieses Ausführungsbeispiel
unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel nur dadurch,
dass der äußere Durchmesser
der Spiralantennen in den Antennenreihen 1 und 2 mit
unterschiedlicher Windungszahl gleich ist und dass die elektrischen
Speiseleitungen 3, 4 untereinander gleiche Abstände besitzen.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
ist die untere Grenzfrequenz der Spiralantennen in den Antennenreihen 1 und 2 wegen
des gleichen äußeren Radius gleich,
während
die obere Grenzfrequenz der Spiralantennen in den Antennenreihen 2 mit
einer halben Windung geringer ist als die der Spiralantennen in den
Antennenreihen 1 mit einer Windung. Das liegt daran, dass
der innere Radius der Spiralantennen in den Antennenreihen 2 größer ist.
Allerdings kann dieser Unterschied teilweise dadurch ausgeglichen
werden, dass die Lücke
zwischen den Spiralarmen 21 und 22 der Antennen
in den Antennenreihen 2 verringert wird, ohne die Windungszahl
zu verändern.
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Der
Vorteil des zweiten Ausführungsbeispiels
gegenüber
dem ersten Ausführungsbeispiel besteht
darin, dass im zweiten Ausführungsbeispiel die
zur Verfügung
stehende Antennenfläche
optimal genutzt wird. Dabei muss aber bezüglich der oberen Grenzfrequenz
der Spiralantennen in den Antennenreihen 2 mit der geringeren
Windungszahl ein Kompromiss eingegangen werden.
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4 zeigt
die schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen photoleitenden
Antenne zur Abstrahlung oder zum Empfang von Terahertz-Strahlung.
Dieses Ausführungsbeispiel
unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel nur dadurch,
dass die elektrischen Speiseleitungen 3, 4 untereinander
gleiche Abstände besitzen
und zusätzliche
Verbindungsleitungen 7 und 8 zwischen den Spiralarmen 21 und 22 der
Spiralantennen in den Antennenreihen 2 und den elektrischen Speiseleitungen 3, 4 eingefügt sind.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
ist die obere Grenzfrequenz der beiden Reihen von Spiralantennen
wegen des gleichen inneren Radius der Spiralarme gleich, während die
untere Grenzfrequenz der Spiralantennen in den Antennenreihen 2 mit
einer halben Windung größer ist
als die der Spiralantennen in den Antennenreihen 1 mit
einer Windung.
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Der
Vorteil des dritten Ausführungsbeispiels gegenüber den
ersten beiden Ausführungsbeispielen besteht
in der einfachen geometrischen Struktur der Antenne. Dabei muss
allerdings ein Verlust an nutzbarer Antennenfläche in Kauf genommen werden.
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- 1
- erste
Antennenreihe
- 2
- zweite
Antennenreihe
- 3
- elektrische
Speiseleitung
- 4
- elektrische
Speiseleitung
- 5
- Linsenarray
- 6
- Laserlicht
- 7
- Verbindungsleitungen
- 8
- Verbindungsleitungen
- 9
- Platte
aus Glas
- 11
- Spiralarm
der Antennen der ersten Antennenreihe
- 12
- Spiralarm
der Antennen der ersten Antennenreihe
- 21
- Spiralarm
der Antennen der zweiten Antennenreihe
- 22
- Spiralarm
der Antennen der zweiten Antennenreihe