DE3506271A1

DE3506271A1 - Verfahren und vorrichtung zum fokussieren und defokussieren eines millimeterwellenlaengestrahlungsbuendels

Info

Publication number: DE3506271A1
Application number: DE19853506271
Authority: DE
Inventors: Frederick Redding Conn. Kubick
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1984-03-02
Filing date: 1985-02-22
Publication date: 1985-10-10
Also published as: JPS60218904A; US4576441A; GB8505215D0; GB2155699A; GB2155699B

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Fokussieren und Defokussieren 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, bei denen anisotrope, nichtlineare dielektrische Materialien benutzt werden, welche eine elektrooptische Veränderlichkeit aufweisen, und insbesondere mit dem Aufbau und der Herstellung von Mikrowellen- und Radarbauteilen, die bei Millimeterwellenlängen 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. In-

ternational 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 z.B. 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 die kleinen Abmessungen der Bauteile verlangen, deren Aufbau 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 sich gewisse dielektrische Eigenschaften derselben unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes verändern. Insbesondere kann ein elektrooptischer Effekt durch die Einwirkung eines geeigneten elektrischen Feldes erzeugt werden.

Bekanntlich sind ferroelektrische Materialien Stoffe, die, wenn kein elektrisches Feld auf sie einwirkt, ein von null verschiedenes elektrisches Dipolmoment haben. Aus diesem Grund werden sie häufig als spontan polarisierte Materialien betrachtet. Viele ihrer Eigenschaften sind denjenigen von ferromagnetischen Materialien

analog, obgleich es sich gezeigt hat, daß der daran beteiligte molekulare Mechanismus unterschiedlich ist. Trotzdem ist die Unterteilung der spontanen Polarisation in unterschiedliche Domänen ein Beispiel für eine Eigenschaft, die sowohl ferromagnetische als auch ferro elektrisch^ Materialien aufweisen.

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

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Fokussieren und Defokussieren eines Millimeterwellenlängestrahlungsbündels zu schaffen.

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

Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Fokussieren und Defokussieren eines Millimeterwellenlängestrahlungsbündels, das durch ein ferroelektrisches Medium hindurchgeht, durch eine elektrische Einrichtung.

Weiter schafft die Erfindung eine Millimeterwellenlängefokussier- und -defokussiervorrichtung zur Radarsignalsteuerung, Amplitudenmodifizierung und Strahlteilung.

Ferner schafft die Erfindung eine ferroelektrische Millimeterwellenlängevorrichtung für Mikrowellenradarzwecke im Millimeterwellenlängebereich, die über einem Bereich von Brennweiten reversibel und kontinuierlich steuerbar ist.

Schließlich schafft die Erfindung eine ferroelektrische Millimeterwellenlängefokussier- und -defokussiervorrichtung zum Verarbeiten von Mikrowellensignalen in einem Radarsystem.

Gemäß der Erfindung werden eine ferroelektrische Fresnellinse und deren komplementäre kompensierende Gegenlinse in dem Strahlengang von Millimeterwellenlängestrahlung angeordnet, um eine kontinuierlich steuerbare Fokussier- und Defokussiervorrichtung für Radarzwecke zu schaffen. Das ferroelektrische Material der Vorrichtung hat wenigstens eine einzelne optische Achse, die in der Ausbreitungsrichtung der Strahlung angeordnet ist. Die Orientierung der ferroelektrischen Domänen in der Fresnellinse ist zu der der Domänen in der komplementären Linse entgegengesetzt. Das Aufbauen eines geeignet bemessenen elektrischen Feldes erfolgt mittels transparenter Elektroden, die das Medium überspannen .

Variables Fokussieren und Defokussieren erfolgt durch den Grad der elektrischen Feldstärke, welche über die Elektroden ausgeübt wird, die die Linsen überspannen. Dadurch wird der Brechungswinkel der Strahlung verändert, wenn diese in die Linse und deren Komplement ein-

tritt und diese verläßt.

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

Fig. 1 den Aufbau einer Fresnellinse, von

der ein oberer Abschnitt weggeschnitten worden ist/ um die Rippen auf ihrer Oberfläche sichtbar zu machen,

Fig. 2 die Linse im Querschnitt mit einer

in sie eingepaßten Kompensationslinse mit entgegengesetzten Domänen, wobei sich ein Millimeterwellenlänge-Strahlungsbündel längs ihrer Achse und durch ein transparentes Elektrodenpaar erstreckt, das die Linsenkombination überspannt, und

Fig. 3 einen kleinen Teil der Linse, um die

Brechung an Grenzflächen zu veranschaulichen.

Die in Fig. 2 gezeigte Fokussier- und Defokussiervorrichtung besteht aus ferroelektrischem Material, das einfallender Strahlung 9 in seiner Achse ausgesetzt ist. Die Ausbreitungsrichtung der einfallenden Strahlung ist durch einen Pfeil K angegeben.

Die Strahlung ist beispielshalber durch eine Frequenz von 95 GHz gekennzeichnet, die einer Millimeterwellenlänge von 3,16 entspricht. Die Fokussier- und Defokussiervorrichtung besteht aus einer Fresnellinse 10 und deren Komplement 10', wie es in den Fig. 1 und 2 ge-

zeigt ist.

Die Vorrichtung ist mit zwei Elektroden 11 und 22 versehen, mittels welchen ein elektrisches Feld längs der Wellenausbreitungsrichtung aufgebaut werden kann. Die Elektroden sind an entgegengesetzten Seiten des Linsenpaares in Ausrichtung mit deren zusammenfallenden optischen Achsen angeordnet. Das Elektrodenpaar 11, 22 ist transparent, d.h. es läßt die Strahlung durch.

Gemäß Fig. 3 wird an das Elektrodenpaar 11, 22 eine geeignet starke Spannung aus einer Spannungsquelle und -regeleinrichtung 12 in Ausrichtung auf die optischen Achsen 31, 32 des Linsenpaares angelegt. Eine geeignete Feldstärke liegt in der Größenordnung von typisch 10 kV/cm.

Fig. 3 zeigt weiter die Art der Strahlbrechung an einer einzelnen Fresnelgrenzflache. Es erfolgen zwei Brechungen: eine an der Fresnelgrenzflache zwischen den beiden Linsen, die aus den entgegengesetzten Domänen resultiert, und eine an der Austrittsfläche. An der Fresnelgrenzfläche ist der Ablenkungswinkel Θ.-Θ eines besonderen Strahls R typisch kleiner als 10°. An der Austrittsfläche wird der Strahl R noch weiter in einem Aus maß abgelenkt, das davon abhängig ist, um wieviel der Brechungsindex der Linse den der Umgebung derselben übersteigt. Typisch kann die gesamte Strahlablenkung bis zu 30° betragen, und zwar unter der Einwirkung von elektrischen Feldern von einigen kV/cm. Da der Winkel, den der innen gebrochene Strahl mit der optischen Achse bildet, nicht groß ist, bleibt das Medium für die Strahlung im wesentlichen isotrop.

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Ferroelektrisch Materialien können als polykristalline Gemische hergestellt werden, die besonders brauchbar sind. Weiter sind willkürliche Gemische in einem inerten isotropen Medium für Bauteileentwickler von Interesse. Polykristalline Gemische werden bevorzugt, weil es schwierig ist, einzelne große Kristalle wachsen zu lassen. Beispielshalber 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 auch für das ferroelektrische Material benutzt werden.

Zum Fokussieren und/oder Defokussieren des ankommenden Strahlungsbündels 9 wird der Spannungswert an der Fresnellinse 11 und ihrem Komplement 11' nach Bedarf eingestellt.

- Leerseite

Claims

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

1. Verfahren zum Fokussieren und Defokussieren eines MiI-limeterwellenlängestrahlungsbündels, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Richten eines Millimeterwellenlängestrahlungsbündels auf ein kombiniertes Materialmedium, das parallele Eingangsund Ausgangswände und gemeinsame komplementäre Seiten mit Fresnelkonturen hat, wobei die Medien doppelbrechend sind und zusammenfallende optische Achsen, aber entgegengesetzte Domänen haben, wobei die Achsen in der Ausbreitungsrichtung des Millimeterwellenlängestrahlungsbündels angeordnet sind;

Anordnen von zwei Elektroden rittlings an den Materialmedien derart, daß jede Elektrode zu den zusammenfallenden optischen Achsen orthogonal ist; und Anlegen eines kontinuierlich veränderbaren und reversiblen elektrischen Feldes an zwei Elektroden, die rittlings an den Medien angeordnet sind.

2. Vorrichtung zum Fokussieren und Defokussieren eines Millimeterwellenlängestrahlungsbündels, gekennzeichnet durch:

ein erstes und ein zweites Materialmedium (10, 10') mit gemeinsamen komplementären Seiten mit Fresnelkonturen,

ί - ■

_ 2 —

wobei jedes Medium eine ebene äußere Seite hat und doppelbrechend ist und wobei die Medien zusammenfallende optische Achsen (31, 32), aber entgegengesetzte Domänen haben, wobei die Achsen in der Ausbreitungsrichtung (K) des Millimeterwellenlängestrahlungsbündels (9) angeordnet sind/

zwei Elektroden (11, 22), die rittlings an den Materialmedien (10, 10') angeordnet sind, wobei die Elektroden zu den optischen Achsen (31, 32) orthogonal sind; und eine elektrische Einrichtung (12) zum Speisen der beiden Elektroden (11, 22), um ein kontinuierlich veränderbares und reversibles elektrisches Feld an den Medien zum steuerbaren Leiten der Fokussier- und Defokussierwirkung der Vorrichtung aufzubauen.

3. Verfahren bzw. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden (11, 22)

, in dem Strahlengang des Millimeterwellenlängestrahlungs-

bündels (9) angeordnet sind.

4. Verfahren bzw. Vorrichtung nach einem der Ansprüche

1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden (11, 22) für das Millimeterwellenlängestrahlungsbündel (9) transparent sind.

5. Verfahren bzw. Vorrichtung nach einem der Ansprüche

1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Materialmedium ferroelektrisch ist.

6. Verfahren bzw. Vorrichtung nach einem der Ansprüche

1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Materialmedium Bariumtitanat enthält.