Vektorielles Feldmess-System für quasioptische Harmonischen-Generatoren bei 300 und 450 GHz
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Millimeter (MMW)- und Sub-Millimeter (SMMW)-Wellenlängenbereich oberhalb von 100 GHz stellt die Verfügbarkeit abstimmbarer, leistungsfähiger und kompakter Signalgeneratoren auf Halbleiterbasis mit genügend Ausgangsleistung ein altbekanntes Problem dar, welches bislang noch nicht zufriedenstellend gelöst wurde. Ein vielversprechender Lösungsansatz besteht in der quasioptischen, holographischen Leistungsaddition einzelner Gaußstrahlfelder eines zweidimensionalen Arrays von Diodenoszillatoren im freien Raum. In gleicher Weise lassen sich aus den resultierenden Gesamtfeldern durch quasioptische Frequenzvervielfacheraufbauten effektiv Harmonischen-Gaußstrahlen erzeugen. Um diese Oszillator- als auch Vervielfacheraufbauten auf beste Funktion zu optimieren, ist es unerlässlich, die resultierenden, räumlich ausgedehnten Felder messtechnisch zu charakterisieren. Zu diesem Zweck wurde in der vorliegenden Arbeit ein hochempfindliches heterodynes zweikanaliges Messsystem entworfen und aufgebaut, mit welchem die Feldverteilung einer ausgewählten Harmonischen von 150 GHz in einem multifrequenten Gaußstrahl nach Betrag, Phase und Richtung gemessen werden kann, wenn die oben genannten aktiven quasioptischen Strukturen zum Einsatz kommen. Konkret können selektiv bei 150 GHz, 300 GHz und 450 GHz die Feldverteilungen vektoriell gemessen werden. Biegbare rechteckige dielektrische Wellenleiter (DWL) aus hochdichtem Polyethylen stellen die Schlüsselkomponenten für den kompakten Aufbau des Messystems dar. Sie wurden zu diesem Zweck im SMMW-Bereich bis 600 GHz zusammen mit entsprechenden Übergängen zu metallischen Hohlleitern entwickelt und optimiert. Zur Unterdrückung unerwünschter Harmonischer wurden verschiedene Filterkonzepte untersucht. Als am besten geeignet erwies sich eine Schaltungskombination aus kaskadierten gekoppelten DWLs und Hohlleitern, mittels der unerwünschte tiefe Frequenzen durch Hohlleiter-Cutoff reflektiert werden und alle höherfrequenten Signalanteile sich über die starke Frequenzabhängigkeit des dielektrischen Richtkopplers separieren lassen. Die additive Transmissionsdämpfung im Durchlassbereich gegenüber einer ungekoppelten DWL beträgt selbst bei 450 GHz maximal nur 2.3 dB (minimal kleiner 1,5 dB). Die Kaskadierung zweier bzw. dreier Richtkoppler sorgt für eine Sperrdämpfung von mindestens 20 dB. Durch den kompakten und gewichtsoptimierten Aufbau der dielektrischen Richtkoppler- Filter lassen sich diese zusammen mit den Mischern modular am Feldmess-System integrieren. Die DWLs zwischen den beiden Mess-Sonden und den Mischern bei 300 GHz oder 450 GHz können somit kürzer ausgeführt werden, was sich als Dynamikgewinn auswirkt. Das für alle Messfrequenzen gemeinsame LO-Signal von 150 GHz wird den Mischern ebenfalls flexibel über je eine DWL zugeführt. Das Anfahren und Abtasten jedes einzelnen Messpunktes eines räumlich ausgedehnten und fein diskretisierten Feldes resultiert in sehr langen Messzeiten. Um diese zu reduzieren, wurde zunächst ein neuartiges Multiplexerkonzept auf Basis stirngekoppelter DWLs untersucht, um ein Array aus mehreren parallelen dielektrischen Feldsonden kontinuierlich seriell auszulesen. Darauf aufbauend wurde eine "schnell bewegte Mess-Sonde" entwickelt, welche das Messfeld zeilen- statt punktweise mit 800 Messpunkten/s und mehr kontinuierlich abtastet. Ein optisches Längenmesssystem mit einer Auflösung von l pm sorgt dabei für die hochpräzise Diskretisierung des Messfeldes.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Hofmann, A., Kalb, A., Manglberger, M., Weinzierl, J., Schmidt, L.-P. Design and Experimental Verification of Correction Algorithms for Improving the Measurements Accuracy of a Broadband IF Receiver at 160 MHz FREQUENZ, Band 59,Ausgabe Mai/Juni 2005, S.108-1U
