DE69720577T2

DE69720577T2 - Millimeterwellen-Gruppenantennen mit Rotman-Linse und optischem Überlagerungssystem

Info

Publication number: DE69720577T2
Application number: DE69720577T
Authority: DE
Inventors: Jar J. Irvine Lee; Willie W. Agoura Hills Ng; Gregory L. Oxnard Tangonan
Original assignee: Hughes Electronics Corp
Current assignee: DirecTV Group Inc
Priority date: 1996-02-28
Filing date: 1997-02-25
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2017-02-26
Also published as: US5677697A; DE69720577D1; EP0793291A2; EP0793291B1; EP0793291A3; JPH1013145A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Millimeterwellen-Arrayantenne. (MMW-Arrayantenne), die ein optisches System verwendet, um eine Strahlungsquelle und eine Strahl-Scansteuerung bereitzustellen, wobei die Arrayantenne eine optische Linse mit einer Mittenachse, n optische Laserquellen, die um eine Sendeseite der Linse herum beabstandet sind, zum Emittieren von Lichtenergie mit einer ersten Frequenz, eine mittlere optische Laserquelle, die bei der Mittenachse auf der Sendeseite der Linse angeordnet ist, zum Emittieren von Lichtenergie mit einer zweiten Frequenz, N optische Empfangselemente, die entlang einer Empfangsseite der Linse beabstandet sind, zum Empfangen von optischer Energie, die von den Laserquellen emittiert ist, wobei jede der n Laserquellen und die mittlere Laserquelle ein weites Sichtfeld aufweisen, um durch die Linse hindurch alle optischen Empfangselemente zu beleuchten, N optische Fasern gleicher Länge, die jeweils ein erstes Ende aufweisen, das mit einem entsprechenden Empfangselement verbunden ist, und jeweils ein zweites Ende aufweisen, das mit einem entsprechenden Detek torelement verbunden ist, N Verstärker, die jeweils einen Eingang aufweisen, der mit einem entsprechenden Detektorelement verbunden ist, und jeweils einen Ausgang aufweisen, der mit einem entsprechenden MMW-Strahlungselement der Arrayantenne verbunden ist, und eine Auswahlvorrichtung zum Auswählen eines bestimmten Lasers der n Laser aufweist, damit dieser als optische Quelle arbeitet, wobei die Auswahl des bestimmten Lasers die Strahlrichtung bestimmt, die von der Arrayantenne erzeugt wird.
Solch eine Millimeterwellen-Arrayantenne (MMW-Arrayantenne) ist aus dem Dokument „OPTICAL BEAM FORMING TECHNIQUES FOR PHASED ARRAY ANTENNAS" IEE PROCEEDINGS H. MICROWAVES, ANTENNAS & PROPAGATION, VOL. 139, NR. 6, 1. DEZ. 1992, (1992-12-01), S. 526–534, XP000355109 ISSN: 1350–2417 bekannt.
Die Erfindung betrifft allgemein Millimeterwellen-Arrayantennen (MMW-Arrayantennen) und insbesondere solch eine Arrayantenne, die eine Rotman-Linse und ein optisches Heterodyn-System verwendet.
Die meisten herkömmlichen phasengesteuerten Antennenanordnungen verwenden einen Phasenschieber für jedes Element, um den Antennenstrahl zu steuern. Bei MMW ist es unpraktisch, die Phaseneinstellungen individuell zu steuern, da die Elementenbeabstandung und die Toleranz so knapp sind, dass sie solche diskreten Packungsansätze ausschließen. Somit ist es für MMW-Arrays eine Herausforderung, einen effizienten Weg bereitzustellen, um den Strahlscan des Arrays zu steuern.
Rotman-Linsen sind im Stand der Technik wohlbekannt. Optische Herodyn- bzw. Überlagerungstechniken per se sind ebenfalls bekannt.
Das oben erwähnte Dokument „OPTICAL BEAM FORMING TECHNIQUES FOR PHASED ARRAY ANTENNAS" offenbart ein optisches Millimeterwellenmodell für eine Phasensteuerung. Gemäß diesem Dokument wird eine nicht kohärente optische Quelle vorgeschlagen, um als Träger verwendet zu werden, wobei die von der nicht kohärenten optischen Quelle emittierte Lichtenergie bei der Millimeterwellenfrequenz intensitätsmoduliert wird. Das modulierte Signal wird dann durch eine optische Linse fokussiert, um ein Modell eines ebenen Arrays („model planar array") optischer Aufnahmeelemente mit einer ebenen Welle zu beleuchten. Die Position der optischen Quelle, in der Brennpunktebene der Linse, bestimmt den Millimeterwellen-Phasenanstieg der intensitätsmodulierten Beleuchtung.
Die Funktionen des Modulierens der Intensität und des Fokussierens von Lichtenergie werden nacheinander ausgeführt, wobei die Modulation vor dem Fokussieren und nach einem Senden der Lichtenergie an die optische Linse ausgeführt wird. Die sequenzielle Reihenfolge des Durchführens dieser zwei Funktionen wird durch eine strukturelle Trennung jeweiliger Mittel implementiert. Die Lichtenergie (für einen Strahl) einer nicht-kohärenten optischen Quelle wird in einem optischen Modulator verarbeitet und danach einer optischen Linse zugeführt.
Gemäß diesem Dokument ist eine direkte Modulation Lichtemittierender Dioden (die Laserdioden sein könnten) durch eine obere kritische Frequenz beschränkt. Des weiteren könnten gemäß diesem Dokument höhere Millimeterwellen-Modulationsfrequenzen über dem oberen Limit für eine direkte Modulation als die Überlagerung („beat") zwischen den optischen Frequenzen zweier unterschiedlich eingestellter Laser erzeugt werden. Das Erzeugen einer Überlagerung erfordert eine kohärente Superposition zweier Wellen.
Daher offenbart das oben erwähnte Dokument, dass ein nicht-kohärentes, moduliertes, optisches Millimeterwellen-Frequenzsignal in einem separaten optischen Modulator als die Überlagerung zwischen den optischen Frequenzen zweier unterschiedlich eingestellter Laser erzeugt werden kann. Das resultierende, nicht-kohärente, modulierte Millimeterwellen-Trägersignal kann dann einer optischen Linse zugeführt werden, wodurch eine strukturelle Trennung zwischen den Funktionen des Modulierens und Fokussierens des modulierten Signals erreicht wird, um einen Array bzw. eine Gruppe von Aufnahmeelementen zu beleuchten.
Für eine besondere Implementierung (eindimensionaler Scan, Steuerung von Fan-Strahlen) wird eine optische Rotman-Linse als Alternative zur Verwendung von zwei optischen Zylinderlinsen zum Beleuchten der Gruppe von Aufnahmeelementen eingeführt. Es ist gezeigt, dass diese Rotman-Linse von modulierten Millimeterwellen-Quellen gespeist wird, was es mit sich bringt, dass die Intensitätsmodulation außerhalb der Linse stattgefunden hat. Folglich wird das Konzept einer strukturellen Trennung zwischen einer Modulation und einer Linsen-basierten Beleuchtung auch in Verbindung mit der Rotman-Linsenalternative beibehalten.
Das Dokument US-A-5 333 000 offenbart ein optisch-basiertes RF-Strahlsteuerungs- bzw. Lenkungssystem für phasengesteuerte Array-Antennen, das eine integrierte Photonen-Schaltung (PIC) aufweist. Das System basiert auf einem optischen Überlagern, das verwendet wird, um eine Mikrowellenphasenverschiebung durch eine PIC zu produzieren. Eine Mikrowellenleistungs- und Steuersignalverteilung an die Antenne wird durch eine optische Faser erzielt, was eine physische Trennung des PIC und seiner Steuerfunktionen von der Antenne erlaubt. Die integrierte Photonen-Schaltung (PIC) weist eine Vielzahl von Wellenleitern, eine Vielzahl von Drehspiegeln, zumindest einen optischen Leistungsverteiler und zumindest einen Phasenmodulator auf, wobei die Wellenleiter die Drehspiegel, den optischen Leistungsverteiler und den Phasenmodulator betrieblich verbinden. Die PIC kann in zwei Subkomponenten, nämlich einen optischen Frequenzumsetzer (OFT) und einen optischen Phasen-Controller, geteilt werden. Der OFT dient lediglich der Funktion des Produzierens zweier Lichtwellensignale, die für den Überlagerungsprozess benötigt werden. Der optische Phasen-Controller besteht aus den Leistungsteilern, die benötigt werden, um eine Ausgabe für jedes Antennenelement zu produzieren, und aus den optischen Phasenschiebern, die für eine Phasensteuerung erforderlich sind.
In Anbetracht des oben Erläuterten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Millimeterwellen-Arrayantenne (MMW-Arrayantenne) zu schaffen, die einen effizienteren Weg bereitstellt, um den Strahlscan des Arrays sowohl in einem Sendemodus als auch in einem Empfangsmodus zu steuern.
Für den Sendemodus wird diese Aufgabe durch die eingangs genannte MMW-Arrayantenne gelöst, wobei die optische Linse eine optische Rotman-Linse ist, die erste Frequenz eine erste optische Frequenz (ω₂) ist, die zweite Frequenz eine zweite optische Frequenz (ω₁) ist, das optische System ein Heterodyn-System ist, wobei eine MMW-Betriebsfrequenz (ω₀) der Arrayantenne gleich der Überlagerungsfrequenz (ω₂-ω₁) zwischen der ersten und zweiten optischen Frequenz ist.
Für den Empfangsmodus wird diese Aufgabe durch die Arrayantenne der eingangs erwähnten Art gelöst, wobei die optische Linse eine optische Rotman-Linse ist, die erste Frequenz eine erste optische Frequenz (ω₂) ist, die zweite Frequenz eine zweite optische Frequenz (ω₁) ist, das optische System eine Heterodyn-System ist, wobei eine MMW-Betriebsfrequenz (ω₀) der Arrayantenne gleich der Überlagerungsfrequenz (ω₂-ω₁) zwischen der ersten und der zweiten optischen Frequenz ist, und mit N Verstärkern, wobei jeder einen mit einem entsprechenden Detektorelement verbundenen Eingang und einen mit einer entsprechenden Mischervorrichtung verbundenen Ausgang aufweist, N MMW-Empfangsantennenelementen, N rauscharme Verstärkern, die jeweils einen mit einem entsprechenden Empfangsantennenelement verbundenen Eingang und einen mit einer entsprechenden der N Mischervorrichtungen verbundenen Ausgang zum Mischen mit einem entsprechenden Signal einer Fotodetektorvorrichtung aufweist, und einem Summierschaltkreis zum Summieren von Ausgangssignalen jeder der N Mischervorrichtungen, um einen summierten Ausgang vorzusehen.
Die Erfindung sieht eine Lösung vor, um einige der Probleme zu bewältigen, denen man bei herkömmlichen Entwürfen von MMW-Arrayantennen beim Produzieren der Strahlungsquelle und beim Steuern der diskreten Phaseneinstellungen für einen Strahlscan begegnet. Dies wird erreicht unter Verwendung optischer Überlagerungstechniken und einem Phasenumsetzsystem zwischen dem optischen und dem RF-Bereich. Die benötigten Phasenverschiebungen werden kollektiv durch eine Wellenausbreitung und mischung in einem raumgespeisten (space-fed) System produziert. Somit werden die unterschiedlichen Phasenverschiebungen im optischen Frequenzbereich produziert und im wesentlichen in die RF-Betriebsfrequenz umgesetzt. Die Vorteile dieser Photonenspeisung sind (1) die kleine Größe, die mit der MMW-Wellenlänge kompatibel ist, und (2) der einzigartige flexible Formfaktor der Fasern für eine hochdichte Packung von Arrayantennen. Des weiteren bietet dieses optische Überlagerungsverfahren eine effiziente Technik einer Signalerzeugung und eines Strahlscans.
Eine Millimeterwellen-Arrayantenne (MMW-Arrayantenne), die ein optisches Heterodyn-System verwendet, um eine Strahlungsquelle und eine Strahl-Scansteuerung bereitzustellen, umfasst eine optische Rotman-Linse mit einer Mittenachse, einem mittleren Laser, der bei der Mittenachse auf der Sendeseite der Linse angeordnet ist, um Lichtenergie mit einer ersten optischen Frequenz zu emittieren, und n-1 Laserquellen, die um eine Sendeseite der Linse herum beabstandet sind, um Lichtenergie mit einer zweiten optischen Frequenz zu emittieren. Die MMW-Betriebsfrequenz der Arrayantenne ist gleich der Überlagerungsfrequenz zwischen der ersten und zweiten optischen Frequenz. N optische Empfangelemente sind entlang einer Empfangsseite einer Rotman-Linse beabstandet, um optische Energie zu empfangen, die durch die Laser emittiert wird. Jede der Laserquellen weist ein weites Sichtfeld auf, um so alle optischen Empfangselemente durch die Linse zu beleuchten.
N optische Fasern gleicher Länge werden verwendet, die jeweils ein erstes Ende aufweisen, das mit einem entsprechenden Empfangselement der Empfangselemente verbunden ist, und jeweils ein zweites Ende aufweisen, das mit einem entsprechenden Fotodetektorelement verbunden ist. Jeder der N Verstärker weist einen Eingang auf, der mit einem entsprechenden zweiten Faserende einer optischen Faser der optischen Fasern verbunden ist, und weist einen Ausgang auf, der mit einem entsprechenden MMW-Strahlungselement der Arrayantenne verbunden ist. Eine Auswahlvorrichtung ist vorgesehen, um einen besonderen oder besondere Laser der n-1 Laser auszuwählen, um als optische Quelle zu arbeiten, wobei die Auswahl des besonderen Lasers die Strahlrichtung bestimmt, die durch die Arrayantenne erzeugt wird.
Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform noch klarer werden, wie es in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht ist, in denen:
1 ein vereinfachtes Blockdiagramm eines MMW-Arraysystems ist, das die Erfindung in einem Sendemodus verkörpert;
2 ein vereinfachtes Blockdiagramm des MMW-Arraysystem der 1 ist, das in einem Empfangsmodus betrieben wird;
3 ein vereinfachtes Blockdiagramm eines alternativen Arrayempfangsmodussystems ist.
Eine Millimeterwellen-Arrayantenne (MMW-Arrayantenne) mit einem optischen Heterodyn-System, um die Strahlungsquelle und die Strahl-Scansteuerung bereitzustellen, wird als eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung offenbart. Das Array verwendet ein optisches Erregersystem, um i) die MMW durch Vermischen zweier Laserquellen zu produzieren, um ii) die Signalquelle an eine Gruppe von Strahlungselementen durch eine Rotman-Linse und optische Fasern zu verteilen, um iii) die differenzielle Phasenverschiebung für einen Strahlscan im optischen Bereich zu erzeugen, um iv) die Strahlrichtung durch Schalten des Eingangsports zu ändern oder um v) den Strahl durch Variieren der Frequenz der zweiten Laserquelle zu scannen.
1 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm eines MMW-Arraysystems 50, das die Erfindung verkörpert und in einem Sendemodus betrieben wird. Das System 50 umfasst einen 1 : n-Schalter 52, eine Rotman-Linse 54 mit n Lasern 56 auf der Sendeseite 54A der Linse und N optischen Empfangselementen 58B auf der Empfangsseite 54B der Linse. Die Anzahl n der Laser 56 braucht nicht dieselbe zu sein wie die Anzahl N der optischen Empfangselemente 58B und wird typischerweise unterschiedlich sein. Die Rotman-Linse 54 bei dieser beispielhaften Ausführungsform ist ein ebener Wellenleiter mit hohem Siliciumanteil für Licht, der aus einem Siliciumsubstrat hergestellt ist. Die Herstellung einer solchen optischen Rotman-Linse ist analog zu der eines optischen Sternenkopplers, wie z. B. in „Design and Fabrication of Integrated-Optic 8x8 Star Coupler", K. Okamoto et al., Electronics Letters, Vol. 27, Nr. 9, S. 774–775, 25. April 1991 beschrieben.
Der Steuereingang zu jedem Laser 56 ist mit einem Ausgabeport des 1 : n-Schalters 52 verbunden. Ein Befehlseingabesignal wird an den Eingangsport des Schalters 52 geliefert, um zu bestimmen, welcher der n Laser 56 bei irgendeiner gegebenen Zeit betrieben werden soll (der mittlere Laser 56c wird jederzeit während eines Betriebs des Arraysystems betrieben). Der Ausgang jedes Lasers 56 ist mit einem entsprechenden Strahleingangsport der n Strahleingangsports 58a über eine optische Faser gekoppelt. Der Schalter 52 könnte konstruiert sein, um es mehr als einem Laser zu erlauben, zu irgendeiner gegebenen Zeit betrieben zu werden, wodurch die Fähigkeit eines Betriebs mit mehrfachen simultanen Strahlen geschaffen wird.
Jedes Empfangselement 58B wird durch eine Faser 60 gleicher Länge faseroptisch angeschlossen (pigtailed) und mit einem Fotodetektor 62 beendet. Das Empfangselement 58B ist vorzugsweise eine Empfangslinse (receptor lenslet), wie z. B. eine Glasperle (glass bead), um das einfallende Licht zu sammeln und es in die optische Faser zum Fotodetektor zu lenken. Ein Filter 64 und ein Verstärker 66 könnten verwendet werden, um unerwünschte Signalkomponenten herauszufiltern, wie z. B. die Summe der Laserfrequenzen, und das RF-Signal zu verstärken, dass bei jedem Fotodetektor entwickelt wird, bevor es vom Arrayelement 70 ausgestrahlt wird, das an jedes Empfangselement 58 über Kabel 72 gleicher Länge gekoppelt ist. Die Kabel 72 werden durch eine Grundebene 74 mit Öffnungen geleitet.
Jeder Laser 56 auf der Sendeseite 54A, außer dem Laser 56C, der sich bei der Mittenachse 54C befindet, emittieren ein optisches Lichtsignal bei einer Frequenz (Farbe) ω₂. Der Abstand dx der Empfangselemente 58B ist nominell 0,5λ₂, d. h. die Wellenlänge bei ω₂. Die Größe der Empfangselemente 58B ist so gewählt, dass sie sich gegenseitig berühren, um einen Überlaufverlust zu minimieren. Der Mittenachsen-Laser 56C strahlt ein Referenzsignal bei einer Frequenz (Farbe) ω₁ aus und arbeitet kontinuierlich, ganz egal welchem der anderen Laser 56 durch den Schalter 52 befohlen wird, zu arbeiten. Die zwei Laser könnten jeweils z. B. im infraroten Spektrum betrieben werden, wobei ihre jeweiligen Wellenlängen sich um eine gewünschte MMW-Betriebswellenlänge unterscheiden. Jede Laserlichtquelle weist ein weites Sichtfeld auf, um alle Empfangsportelemente 58B auf der Empfangsseite 54B der Linse 54 zu beleuchten. Die Überlagerungsfrequenz ω₂-ω₁, ist die gewünschte RF-MMW-Betriebsfrequenz ω₀ der Arrayantenne. Die Fotodetektoren 62 sind entworfen, um lediglich auf ω₀ und nicht auf die -Frequenzen der Laserausgaben zu reagieren.
Der Offsetwinkel jedes Lasers der Laser 56 bezüglich der Mittenachse 54C wird mit θ' bezeichnet. Das Profil bzw. die Krümmung der Rotman-Linse 54 ist gewöhnlicherweise auf solch eine Weise entworfen, dass die Beleuchtung der d Empfangsseite 54B, die durch den Laser 56C produziert wird, der sich in der Mitte befindet, quasi-gleichförmig in Amplitude und Phase ist. Für die Laserlichtquelle existiert jedoch bei θ' eine quasi-linear progressive Phasenverteilung über den Empfangselementen 58B. Die differenzielle Phasenverschiebung zwischen zwei beliebigen benachbarten Elementen 58B aufgrund dieser Quelle bei θ' ist durch (2π/λg) dx sinθ' gegeben, wobei λg die Leiter-Wellenlänge von ω₂ im Siliciumwellenleiter ist. Wenn dieses Licht mit dem des mittleren Lasers 56C vermischt wird, wird diese Phasenverteilung bei den Detektoren 58B erhalten, aber die resultierende Frequenz ist aufgrund der Vermischung die Überlagerungsfrequenz ω₀. Dieses ω₀ ist die Frequenz der RF-Übertragung.
Da diese lineare Phasenfront an die Öffnung transferiert wird und in die Richtung θ von der Breitseite gestrahlt wird, ist die differenzielle Phasenverschiebung zwischen den Strahlelementen gleich (2π/λg) Dx sinθ, wobei Dx der Strahlelement-Abstand (70) ist, ungefähr die Hälfte der Wellenlänge bei der RF-Betriebsfrequenz. Diese Phasenverschiebung ist identisch zu der in der Linse 54, die gleich (2π/λg) dx sinθ' ist. Aus dieser Bedingung kann eine Beziehung zwischen dem Strahlscanwinkel und dem Offsetwinkel des Lasers hergeleitet werden, die gegeben ist durch
Es ist festzustellen, dass die Strahlrichtung umgestellt werden kann, indem der Ort des Lasers geändert wird oder indem die Frequenz des Lasers, ω₂, auf eine kontinuierliche Weise geändert wird.
Um die RF-Frequenz zu stabilisieren, umfasst das Array 50 einen Phasenregelkreis (PLL) 80, der durch den Hauptoszillator 90 bei ω₀ gesteuert wird. Die Ausgabe des Fotodetektors 62 wird abgegriffen, um die Referenzquelle 90 beim RF-Mischer 92 zu vermischen, und die DC-Ausgabe wird verwendet, um die Frequenz des Lasers 56C abzustimmen, der sich bei einer Frequenz ω₁ in der Mitte der Linse 54 befindet.
Für den Empfangsmodus des Arraysystems 50, das in 2 veranschaulicht ist, wird der Vorgang umgekehrt. Die Signale, die bei den Strahlungselementen 70 empfangen werden, werden durch Filter 120 gefiltert und durch Verstärker 122 verstärkt, bevor sie mit dem Modulationssignaleingang von optischen Signalmodulatoren 104 verbunden werden. Die Modulatoren 104 können direkte Modulationsvorrichtungen oder indirekte/externe Modulatoren sein, bspw. Mach-Zender-Modulatoren. Wie in 2 gezeigt, liefert ein einzelner Laser 100, der bei ω₂ betrieben wird, die Lichtquelle, die durch das RF-Signal moduliert werden soll, das bei den Strahlungselementen 70 empfangen wird. Ein optischer Leistungsteiler 102 wird verwendet, um das Licht von dieser Quelle in N Signale zu teilen, eines für jedes Arrayelement 70 und jeden Modulator 104. Ein Satz von Fasern 106 gleicher Länge speist das RF-modulierte Licht an N Emitter 108, die Perlenlinsenelemente sein können, die gleich beabstandet auf der Seite 54B der Rotman-Linse sind. Gemeinsam konvergiert die Lichtwelle auf die optischen Empfangselemente 110, die ebenfalls Perlenlinsenelemente aufweisen können, auf der Seite 54A, die um den Offsetwinkel θ' verschoben ist, der durch die oben genannte Gleichung bestimmt ist. Ähnlich kann der Brennpunkt gesteuert werden, indem die Frequenz ω₂ variiert wird. Zum Erfassen des RF-Signals wird eine Referenzlaserquelle 112 verwendet, die sich in der Mitte der Seite 54B der Linse befindet, um alle Empfangselemente 110 zu beleuchten, so dass die nach unten vermischte (mixed down) Überlagerungsfrequenz ω₀ durch den Fotodetektor 114 erfasst werden kann, der mit jedem optischen Empfangselement 110 verbunden ist. Ähnlich wird zu Stabilisierungszwecken ein Phasenregelkreis 121 gebraucht, um die Frequenz (Farbe) des Lasers 112 zu steuern. Ein Teil der Fotodetektor-Ausgabe 114 wird abgegriffen, um mit dem Signal des Referenzoszillators 130 beim Mischer 132 vermischt zu werden, wobei die Mischerausgabe verwendet wird, um die Frequenz des Lasers 112 abzustimmen. Die Ausgaben der Fotodetektoren 114 sind bei der MMW-Betriebsfrequenz der Arrayantenne und werden mit den n Eingangsports des 1 : n-RF-Schalters 140 verbunden. Eine Befehlseingabe an einen Schaltsteuerport 142 wählt aus, welches der n Signale der Fotodetektorausgabe als das Signal auszuwählen ist, das als die RF-Ausgabe erscheint. Die Auswahl des besonderen Fotodetektors wird den ausgewählten Empfangsstrahl-Scanwinkel bestimmen.
3 veranschaulicht eine alternierende Ausführungsform des Empfangsmodus. Die Antennenkonfiguration 150 ist hier identisch zum Sendesystem 50 der 1, und ähnliche Zahlen werden verwendet, um ähnliche Elemente zu identifizieren, außer bei der Vorderseite, ω₀ ein rauscharmer Verstärker (LNA) und ein Mischer 152 für jedes Strahlungselement 70 umfasst sind. Um eine ebene Welle zu empfangen, die in der gleichen Richtung wie beim Sendefall einfällt, d. h. bei θ, wie in 3 veranschaulicht, wird ein Laser, der sich bei dem gegenüberliegenden konjungierten Ort θ' befindet, angeschaltet, um eine linear progressive Phasenfront bei einer Frequenz ω₂ zu produzieren, die entlang den Ausgangsports des strahlbildenden Netzwerks verteilt wird, z. B. bei den Ausgängen der Verstärker 66 im beispielhaften Netzwerk der 3. Diese Signale werden entsprechend mit den hereinkommenden Signalen bei der gleichen Frequenz ω₀ vermischt. Der Mischer wird die Informationen bringen, die auf ω₀ hinunter bis zum Basisband getragen werden. Die Ausgaben der Mischer 152 werden alle gleich sein, so dass eine einfache Summiervorrichtung 160, die die Ausgaben aller Mischer 152 summiert, eine maximale Ausgabe für den Empfänger produziert.
Dieses Empfangssystem arbeitet als räumlich angepasster Filter, der eine komplexkonjugierte Antwort erzeugt, um die hereinkommende Welle zu erfassen.
Zusammenfassend ist die offenbarte Erfindung ein kompaktes optisches strahlformendes System aus MMW-Arrayantennen, das für die Erzeugung der Strahlungsquellen und die Steuerung des Strahlscannens durch optische Heterodyn-Techniken entworfen ist, die mit einer Silicium-Rotman-Linse implementiert sind.

Claims

Millimeterwellen-Arrayantenne (MMW-Arrayantenne) (50), die ein optisches System verwendet, um eine Strahlungsquelle und eine Strahl-Scansteuerung bereitzustellen, wobei die Arrayantenne (50) aufweist: eine optische Linse (54) mit einer Mittenachse (54C); n optische Laserquellen (56), die um eine Sendeseite (54A) der Linse herum beabstandet sind, zum Emittieren von Lichtenergie mit einer ersten Frequenz; eine mittlere optische Laserquelle (56C), die bei der Mittenachse auf der Sendeseite (54A) der Linse angeordnet ist, zum Emittieren von Lichtenergie mit einer zweiten Frequenz; N optische Empfangselemente (58B), die entlang einer Empfangsseite (54B) der Linse beabstandet sind, zum Empfangen von optischer Energie, die von den Laserquellen (56) emittiert ist; wobei jede der n Laserquellen (56) und die mittlere Laserquelle (56C) ein weites Sichtfeld aufweisen, um durch die Linse (54) hindurch alle optischen Empfangselemente (58B) zu beleuchten; N optische Fasern (60) gleicher Länge, die jeweils ein erstes Ende aufweisen, das mit einem entsprechenden Empfangselement der Empfangselemente (58B) verbunden ist, und jeweils ein zweites Ende aufweisen, das mit einem entsprechenden Detektorelement (62) verbunden ist; N Verstärker (66), die jeweils einen Eingang aufweisen, der mit einem entsprechenden Detektorelement (62) verbunden ist, und jeweils einen Ausgang aufweisen, der mit einem entsprechenden MMW-Strahlungselement (70) der Arrayantenne verbunden ist; und eine Auswahlvorrichtung (52) zum Auswählen eines bestimmten Lasers der n Laser (56), damit dieser als optische Quelle arbeitet, wobei die Auswahl des bestimmten Lasers (56) die Strahlrichtung bestimmt, die von der Arrayantenne (50) erzeugt wird; gekennzeichnet durch die Tatsache, dass die optische Linse (54) eine optische Rotman-Linse ist; die Tatsache, dass die erste Frequenz eine erste optische Frequenz (ω₂) ist; die Tatsache, dass die zweite Frequenz eine zweite optische Frequenz (ω₁) ist; wobei das optische System ein Heterodyn-System ist, wobei eine MMW-Betriebsfrequenz (ω₀) der Arrayantenne (50) gleich der Überlagerungsfrequenz (ω₂–ω₁) zwischen der ersten und der zweiten optischen Frequenz ist.
Arrayantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahlvorrichtung (52) eine Schaltvorrichtung (52) aufweist, die einen Befehlseingangsport aufweist, zum Empfangen eines Auswahlbefehls, und n Ausgangsports aufweist, wobei der Auswahlbefehl bestimmt, welche der n Laserquellen (56) zu einem bestimmten Zeitpunkt arbeitet, um die Strahlrichtung zu bestimmen.
Arrayantenne nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Phasenregelkreis (80) zum Stabilisieren der MMW-Frequenz (ω₀) der Arrayantenne (50), mit einem Hauptoszillator (90) zum Bereitstellen eines Referenzsignals, das mit einer gewünschten MMW-Betriebsfrequenz (ω₀) der Antenne (50) arbeitet, Mischermitteln (92) zum Mischen des Referenzsignals mit einem Ausgang von einem der Fotodetektoren (62), um ein Gleichstrom-Steuersignal bereitzustellen, das mit einem Steuereingang der mittleren Laserquelle (56C) verbunden wird, um den Ausgang der mittleren Laserquelle (56C) abzustimmen und hierdurch die MMW-Frequenz (ω₀) zu stabilisieren.
Arrayantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotman-Linse (54) einen ebenen optischen Hohlleiter aufweist, der auf einem Siliziumsubstrat ausgebildet ist.
Arrayantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangselemente (58B) um eine Distanz dx voneinander beabstandet sind und dass die Empfangselemente (58B) eine Größenabmessung aufweisen, die etwa gleich der Distanz dx ist, so dass die Empfangselemente (58B) einander berühren, um Überlauf-Verluste zu minimieren.
Arrayantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorelemente (62) nicht auf optische Energie mit der ersten oder der zweiten Wellenlänge (ω₁, ω₂) ansprechen und lediglich auf einfallende Energie mit der MMW-Betriebsfrequenz (ω₀) der Arrayantenne (50) ansprechen.
Millimeterwellen-Arrayantenne (MMW-Arrayantenne) (150), die ein optisches System verwendet, um eine Strahl-Scansteuerung bereitzustellen, wobei die Arrayantenne (150) aufweist: eine optische Linse (54), die eine Mittenachse (54C) aufweist; n Laserquellen (56), die um eine Sendeseite (54A) der Linse herum beabstandet sind, zum Emittieren von Lichtenergie mit einer ersten Frequenz; eine mittlere Laserquelle (56C), die bei der Mittenachse (54C) auf der Sendeseite (54A) der Linse angeordnet ist, zum Emittieren von Lichtenergie mit einer zweiten Frequenz; N optische Empfangselemente (58B), die entlang einer Empfangsseite (54B) der Linse beabstandet sind, zum Empfangen von optischer Energie, die von den Laserquellen (56) emittiert ist; wobei jede der n Laserquellen (56) und die mittlere Laserquelle (56C) ein weites Sichtfeld aufweisen, um alle optischen Empfangselemente (58B) durch die Linse (54) hindurch zu beleuchten; N optische Fasern (60) gleicher Länge, die jeweils ein erstes Faserende aufweisen, das mit einem entsprechenden Empfangselement der Empfangselemente (58B) verbunden ist, und jeweils ein zweites Ende aufweisen, das mit einem entsprechenden Detektorelement (62) verbunden ist; eine Auswahlvorrichtung (52) zum Auswählen einer bestimmten Laserquelle den n Laserquellen (56), so dass diese als eine optische Quelle arbeitet, wobei die Auswahl der bestimmten Laserquelle (56) die Empfangsstrahlrichtung für die Arrayantenne (150) bestimmt; gekennzeichnet durch die Tatsache, dass die optische Linse (54) eine optische Rotman-Linse ist; die Tatsache, dass die erste Frequenz eine erste optische Frequenz (ω₂) ist; die Tatsache, dass die zweite Frequenz eine zweite optische Frequenz (ω₁) ist; wobei das optische System ein Heterodyn-System ist, wobei eine MMW-Betriebsfrequenz (ω₀) der Arrayantenne gleich der Überlagerungsfrequenz (ω₂–ω₁) zwischen der ersten und der zweiten optischen Frequenz ist; N Verstärker (66), die jeweils einen Eingang aufweisen, der mit einem entsprechenden Detektorelement (62) verbunden ist, und jeweils einen Ausgang aufweisen, der mit einer entsprechenden Mischereinrichtung (152) verbunden ist; N MMW-Empfangsantennenelemente (70); N rauscharme Verstärker (154), die jeweils einen Eingang aufweisen, der mit einem entsprechenden Empfangsantennenelement (70) verbunden ist, und jeweils einen Ausgang aufweisen, der mit einer entsprechenden Mischereinrichtung der N Mischereinrichtungen (152) verbunden ist, zum Mischen mit einem entsprechenden Signal von einer Fotodetektor-Einrichtung (62); einen Summierschaltkreis (160) zum Summieren von Ausgangssignalen von jeder der N Mischereinrichtungen (152), um einen summierten Ausgang bereitzustellen.
Arrayantenne nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgewählte Laserquelle (56) die Empfangselemente (58B) beleuchtet, um entlang von Ausgängen der Detektorelemente (62) eine linear progressive Phasenfrontverteilung zu erzeugen.
Arrayantenne nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsstrahlrichtung bei einer entgegengesetzten konjugierten Winkelposition relativ zu der Mittenachse (56C) liegt.
Arrayantenne nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangselemente (58B) voneinan der um eine Distanz dx beabstandet sind und dass die Empfangselemente (58B) eine Größenabmessung aufweisen, die etwa gleich der Distanz dx ist, so dass die Empfangselemente (58B) einander berühren, um Überlauf-Verluste zu minimieren.