專利名稱：由波導(dǎo)和天線組成的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種由波導(dǎo)和天線組成的裝置。
在HF技術(shù)中，為波導(dǎo)采用圓形或矩形的截面，以便傳輸HF信號(hào)，其中該波導(dǎo)按其截面而被稱作圓形波導(dǎo)或矩形波導(dǎo)。波導(dǎo)的內(nèi)部可以填充空氣或固體的電介質(zhì)。為了輻射到自由空間，在波導(dǎo)的端部布置了天線，譬如喇叭形天線。
在許多實(shí)施方式中，波導(dǎo)是如此地轉(zhuǎn)變到天線的，使得電介質(zhì)的截面逐漸地縮小，而波導(dǎo)的外徑向外擴(kuò)寬，由此形成一個(gè)由金屬喇叭組成的裝置，其內(nèi)部包含一個(gè)由介電材料組成的圓錐，且該圓錐的尖端可以達(dá)到喇叭的入口。所述電介質(zhì)在天線區(qū)域內(nèi)縮小的那部分被稱為截面匹配器-在英語中被稱為尖錐體。因此，矩形截面的波導(dǎo)具有一個(gè)金字塔形的截面匹配器，而在圓形的波導(dǎo)中所述的截面匹配器被實(shí)施為圓錐形。
波導(dǎo)的傳輸特性取決于需傳輸?shù)男盘?hào)頻率、波導(dǎo)的截面以及填充波導(dǎo)內(nèi)腔的電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)εr。在頻率預(yù)定和電介質(zhì)預(yù)定的情況下，如此來選擇波導(dǎo)的外徑或截面，使得針對(duì)需傳輸?shù)腍F信號(hào)頻率能實(shí)現(xiàn)最佳的傳輸特性、發(fā)射特性和接收特性。
然而，在一端設(shè)有天線的波導(dǎo)不僅在信息技術(shù)中使用，而且還在測(cè)量技術(shù)中使用，譬如在容器中對(duì)固體粒狀材料或液體的填充位置進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量填充位置所基于的原理在于由天線發(fā)出短微波脈沖。在組合的發(fā)射和接收系統(tǒng)中，對(duì)從填料反射回天線的脈沖進(jìn)行測(cè)定。通過對(duì)該從填料反射回來的脈沖進(jìn)行渡越時(shí)間測(cè)量來求出天線與填料之同的間距。容器內(nèi)的微波輻射是通過譬如為喇叭形天線的、與波導(dǎo)相連的天線來實(shí)現(xiàn)的，因此在容器內(nèi)無論如何也不能有溫度敏感的部件。
這種用于測(cè)量填充位置的天線裝置譬如在本申請(qǐng)人的德國(guó)實(shí)用新型G 94 12 243.1中講述過。
需傳輸?shù)腍F信號(hào)的頻率越高，以及填充波導(dǎo)的電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)εr越大，則選擇的波導(dǎo)外徑就可以越小，以便實(shí)現(xiàn)最佳的傳輸特性。因此，對(duì)譬如24GHz的頻率為最佳的、且利用特氟隆(注冊(cè)的商標(biāo))電介質(zhì)進(jìn)行填充的圓形波導(dǎo)的外徑僅約為6.5mm。若采用氧化鋁陶瓷作為電介質(zhì)，則僅為3mm的外徑對(duì)24GHz的頻率是最佳的。
在填充位置測(cè)試中，會(huì)在天線系統(tǒng)內(nèi)再三出現(xiàn)冷凝物的問題。如果在天線區(qū)域、譬如在截面匹配器上形成冷凝物滴，則所述截面匹配器的一部分橫截面會(huì)被覆蓋掉。冷凝物滴把從填料表面反射到天線的HF信號(hào)的一部分反射回到所述填料的表面。同樣，冷凝物滴上的發(fā)射信號(hào)被反射回到發(fā)射/接收機(jī)，并從那兒將一部分再次反射到天線上。冷凝物滴越大，以及其相對(duì)介電常數(shù)εr越大，則回到填料表面或回到設(shè)備內(nèi)部(發(fā)射/接收機(jī))的反射便越強(qiáng)烈。但是，所述的冷凝物滴在截面匹配器上所濕潤(rùn)的面積相對(duì)于其表面越大，則反射回到填料或發(fā)射/接收機(jī)表面的HF信號(hào)成分就越大。因此，在HF信號(hào)頻率為24GHz的情況下，譬如外徑為2mm的液滴就已經(jīng)覆蓋掉用陶瓷填充的波導(dǎo)的截面匹配器面積的約44％。因?yàn)橛纱怂鶝Q定的強(qiáng)烈反射，測(cè)試信號(hào)的回波幅值將會(huì)大大降低，而被稱為“振鈴”的混合干擾回波將增加。
為了不顧所述截面匹配器上的冷凝物而使測(cè)試信號(hào)的回波幅值達(dá)到足夠的值，采用了較大尺寸的波導(dǎo)。雖然因所述截面匹配器的較大表面而降低了相對(duì)于冷凝物滴的靈敏性，但此時(shí)的波導(dǎo)和天線再也不能在其傳輸特性、發(fā)射特性和接收特性方面與HF信號(hào)的頻率作最佳的匹配。此時(shí)在較大尺寸的波導(dǎo)中，除了基模式之外，還可能會(huì)傳播發(fā)射頻率的較高模式，這些較高模式因其不同的信號(hào)渡越時(shí)間而會(huì)使測(cè)試信號(hào)產(chǎn)生訛誤的回波。
由于相對(duì)于冷凝物滴具有較低靈敏性的要求不能與在HG信號(hào)頻率方面具有最佳傳輸特性、發(fā)射特性和接收特性的要求統(tǒng)一起來，所以在實(shí)踐中盡量是在對(duì)冷凝物滴的靈敏性和同頻率的最佳匹配之間達(dá)成折衷。因此，如此來選擇波導(dǎo)和與之相連的天線的尺寸，使得一方面由冷凝物滴和另一方面由波導(dǎo)的多模性所引起的測(cè)試信號(hào)的總訛誤-取決于反射和回波-為最小。
圖5示出了一種單模的波導(dǎo)H和天線A，在所述的天線喇叭內(nèi)有一個(gè)截面匹配器T2，而在該截面匹配器上形成了兩個(gè)冷凝物滴K。為了降低相對(duì)于冷凝物滴的靈敏性，將圖5所示的裝置加大了尺寸，如圖6所示。但由此可能在波導(dǎo)內(nèi)產(chǎn)生較高的模式。
本發(fā)明的任務(wù)在于，構(gòu)造一種由波導(dǎo)和與之相連的天線組成的裝置，使得能同時(shí)最佳地滿足相對(duì)于冷凝物滴的低靈敏性要求和最佳的電特性要求。
該任務(wù)由如下方式來解決，即所述的波導(dǎo)針對(duì)需傳輸?shù)男盘?hào)頻率被設(shè)計(jì)為單模式，相反，所述的天線具有多模能力；在所述的波導(dǎo)和天線之間裝設(shè)一個(gè)第一截面匹配器，如此來確定該第一截面匹配器的尺寸，使得它不產(chǎn)生較高的模式，或只產(chǎn)生比基模式高出不多的模式。
換句話可以這樣來表達(dá)，就是所述進(jìn)行饋給的波導(dǎo)被實(shí)施為單模式，但為了減小水滴的危害，如此來確定所連接的天線系統(tǒng)的尺寸，使得它允許多模傳播，而且，在波導(dǎo)和天線系統(tǒng)之間裝設(shè)一個(gè)第一截面匹配器，其尺寸不會(huì)產(chǎn)生較高的模式，或只產(chǎn)生不大的高模式。
利用本發(fā)明的措施把天線設(shè)計(jì)成具有多模能力，可以大大降低相對(duì)于冷凝物滴的靈敏性。利用本發(fā)明的第二措施把波導(dǎo)設(shè)計(jì)成單模式，以及利用本發(fā)明的第三措施把天線經(jīng)一個(gè)截面匹配器與所述的波導(dǎo)連接起來，以及利用本發(fā)明的第四措施如此地確定所述截面匹配器的尺寸，使得它只通過HF信號(hào)的基模式，這樣，由波導(dǎo)、截面匹配器和天線組成的整個(gè)裝置便可不顧天線的可能的多模性而作用為單模式。
如果本發(fā)明的裝置被用來進(jìn)行填充位置測(cè)量，則相對(duì)于冷凝物滴的靈敏性將會(huì)因較大的天線而被減小，而盡管天線具有多模能力，但再也不會(huì)出現(xiàn)使測(cè)試信號(hào)產(chǎn)生訛誤的回波。
因此，本發(fā)明以有利的方式滿足了在現(xiàn)有技術(shù)中不能相互統(tǒng)一的所述兩個(gè)要求，即由冷凝物滴所帶來的損害極小的要求和傳輸、發(fā)射及接收特性最佳化的要求。由于本發(fā)明在相對(duì)于冷凝物滴的靈敏性和最佳的電特性之間不再需要折衷，所以測(cè)試信號(hào)不會(huì)受到訛誤回波的影響，而僅僅還受到冷凝物滴的干擾影響。附圖中

圖1示出了本發(fā)明的第一實(shí)施例，圖2示出了本發(fā)明的第二實(shí)施例，圖3和4示出了本發(fā)明的第三實(shí)施例，圖5和6示出了現(xiàn)有技術(shù)的由波導(dǎo)和天線組成的裝置。
在圖1中，根據(jù)本發(fā)明在用空氣填充的波導(dǎo)H的一端裝設(shè)了一個(gè)第一截面匹配器T1，它被構(gòu)造為譬如金字塔形或圓錐形，且逐漸縮小地延伸到所述波導(dǎo)H的空腔內(nèi)。在所述的截面匹配器T1上接有一個(gè)天線A，它譬如可以被實(shí)施為喇叭輻射器，而且在其喇叭之內(nèi)設(shè)有一個(gè)譬如為金字塔形或圓錐形的第二截面匹配器T2，該第二截面匹配器T2的尖端指向輻射方向，而所述第一截面匹配器T1的尖端則以相反的方向指向波導(dǎo)H之內(nèi)。如圖1所示，所述的天線A被構(gòu)造為喇叭輻射器，而且具有一個(gè)沿輻射方向擴(kuò)開的第一段A1和一個(gè)與波導(dǎo)方向相同的、且具有恒定外徑D的第二段A2。在所示的實(shí)施例中，外徑D遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所述波導(dǎo)H的外徑d。天線的第二段A2完全用介電材料Q填充，其中，在所述介電材料Q的前側(cè)，所述的兩個(gè)截面匹配器T1和T2總是有利地作無縫連接。優(yōu)選地，所述的兩個(gè)截面匹配器T1、T2同其中間的介電材料Q一起被構(gòu)造成一個(gè)整體。
如同上文所述，如此來確定所述波導(dǎo)H的截面或外徑d，使得其針對(duì)高頻作用為單模式，因此它小于天線A在A2段內(nèi)的截面或外徑D，其中所述的天線A具有較大的表面，以便減小由冷凝物滴所帶來的損害?？梢匝b設(shè)圓形或矩形的波導(dǎo)來作為波導(dǎo)H。
圖2所示的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)在很大程度上與圖1的實(shí)施例相同，但不同之處在于，波導(dǎo)H的截面在過渡區(qū)內(nèi)呈圓錐形或金字塔形地被擴(kuò)寬到天線A的橫截面上。如同第一實(shí)施例一樣，該截面匹配器T1突出到波導(dǎo)H之內(nèi)。
在圖3的實(shí)施例中，天線A的喇叭內(nèi)部設(shè)有一個(gè)截面匹配器T2，其上接有一個(gè)截面匹配器T1，該截面匹配器T1具有在指向波導(dǎo)H的方向上逐漸縮小的截面。但截面匹配器T1并沒有縮小到尖頂，而是只縮小到與波導(dǎo)H的截面相一致的截面。所述的截面匹配器T1具有一個(gè)附件P，它可以象插在滑合座上一樣插在所述用電介質(zhì)填充的波導(dǎo)H上。所述的附件P具有恒定的外徑。
在圖4中示出了本發(fā)明的一個(gè)與圖3相類似的實(shí)施例，但具有不同的尺寸。
在本發(fā)明的所有實(shí)施例中，所述的兩個(gè)截面匹配器T1和T2可以用一整段的介電材料制成。本發(fā)明適用于喇叭形、拋物線形或鞭狀的天線?？梢圆捎脠A形或矩形波導(dǎo)作為所述的波導(dǎo)。
本發(fā)明非常適合于測(cè)量填充位置的設(shè)備，但并不局限于這些應(yīng)用領(lǐng)域。它們-由于一些原因總是-可以有利地在那些針對(duì)頻率設(shè)有多模天線的地方隨處使用，因?yàn)楸景l(fā)明可以實(shí)現(xiàn)單模波導(dǎo)的使用，并且能夠不顧多模天線而借助截面匹配器來實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收信號(hào)在波導(dǎo)和天線內(nèi)的單模傳播。
參考符號(hào)清單A 天線H 波導(dǎo)K 冷凝物滴T1，T2截面匹配器，尖錐體P 附件d 波導(dǎo)的外徑D 一段天線的外徑A1第一段A2第二段
權(quán)利要求
1.由波導(dǎo)(H)和天線(A)組成的裝置，其特征在于所述的波導(dǎo)(H)針對(duì)需傳輸?shù)男盘?hào)頻率被設(shè)計(jì)為單模式，相反，所述的天線(A)具有多模能力；在所述的波導(dǎo)(H)和天線(A)之間裝設(shè)一個(gè)第一截面匹配器(T1)，如此來確定該第一截面匹配器的尺寸，使得它不產(chǎn)生較高的模式，或只產(chǎn)生比基模式高出不多的模式。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的第一截面匹配器(T1)朝著波導(dǎo)(H)被縮小。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于所述的第一截面匹配器(T1)朝著波導(dǎo)(H)逐漸變尖，而且其尖端伸到所述波導(dǎo)(H)的空腔內(nèi)。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于所述天線(A)的截面朝著波導(dǎo)(H)被縮小。
5.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于所述的第一截面匹配器(T1)以實(shí)心的形式由電介質(zhì)構(gòu)成，其一端合適地位于所述波導(dǎo)(H)的空腔內(nèi)，而其另一端上裝配有天線(A)；所述第一截面匹配器(T1)的所述另一端的截面與共同接觸面上的天線(A)的截面具有相同的大小。
6.如權(quán)利要求2～5之一所述的裝置，其特征在于所述天線(A)的喇叭內(nèi)設(shè)有一個(gè)沿天線(A)的輻射方向縮小的第二截面匹配器(T2)。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于所述的第一和第二截面匹配器(T1，T2)由一整段的電介質(zhì)制成。
8.如上述權(quán)利要求1～7之一所述的裝置，其特征在于裝設(shè)一種喇叭天線、拋物線形天線或鞭狀天線作為天線(A)。
9.如上述權(quán)利要求1～8之一所述的裝置，其特征在于所述的波導(dǎo)(H)被實(shí)施為圓形波導(dǎo)或矩形波導(dǎo)。
全文摘要
為了進(jìn)行填充位置測(cè)量,從一種與波導(dǎo)(H)相連的天線(A)向填料的表面發(fā)射一種微波,并從那兒將微波反射回到天線(A)。由于在天線(A)上形成有冷凝物滴(K),所以將所述天線(A)和波導(dǎo)(H)的尺寸定得比較大,但由此會(huì)引起微波信號(hào)的多模能力,這便讓干擾回波導(dǎo)致測(cè)試信號(hào)產(chǎn)生訛誤。因此,為了實(shí)現(xiàn)可用的測(cè)試信號(hào),盡量在冷凝物滴的較小危害性要求和最佳的電特性要求之間達(dá)成折衷。為了同時(shí)最佳地滿足該兩個(gè)相互矛盾的要求,所述的波導(dǎo)(H)按本發(fā)明被設(shè)計(jì)為單模式,相反,所述的天線(A)具有多模能力;在所述的波導(dǎo)(H)和天線(A)之間裝設(shè)一個(gè)截面匹配器(T1),如此來確定該截面匹配器的尺寸,使得它只通過微波信號(hào)的基波。在給定頻率的情況下,因?yàn)榇嬖谒龅慕孛嫫ヅ淦?T1),由所述波導(dǎo)(H)和天線(A)組成的整個(gè)裝置可以不顧具有多模能力的天線而作用為單模式。
文檔編號(hào)H01Q19/08GK1361928SQ00810421
公開日2002年7月31日 申請(qǐng)日期2000年5月17日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月17日
發(fā)明者J·菲倫巴赫, J·莫策, D·舒爾泰斯 申請(qǐng)人:維加·格里沙伯股份公司