专利名称：介质天线的制作方法
介质天线本发明涉及一种介质天线，具有介质馈入段、包括介质棒的第一过渡段、构成介质 喇叭的第二过渡段和介质辐射段，可以对馈入段施加电磁辐射，利用第一过渡段和第二过 渡段传导电磁辐射，然后从辐射段将电磁辐射作为自由空间波辐射出去。介质天线早已为人所知，其实施方式和大小以及用途迥然各异，例如也可在工业 过程监测中通过测定反射电磁波传播时间的方式进行测距(雷达应用)_例如在槽罐中测 定与介质表面的距离。本发明完全独立于下述天线应用领域；以下所参照的是物位测量技 术领域的典型天线应用。在现有技术条件下已知的介质天线中，辐射段与构成介质喇叭的第二过渡段相互 叠合，通常将其称作喇叭天线_在发射情况下也称作喇叭辐射器。通过金属波导管将TE波 或TM波馈入这种介质天线之中，例如其电场强在电磁波传播方向上没有分量的TE11波(同 义词H11波)。波导管所传导的电磁波通过介质馈入段传播到包括介质棒的第一过渡段之 中，再从这里传播到下一个构成介质喇叭的第二过渡段之中，然后继续传导至第二过渡段 (这种情况下构成辐射段)的孔径，通过该孔径将其作为自由空间波辐射到空间之中。相 反，与广为应用具有金属壁的喇叭天线的区别在于，介质天线基本上由一个用介质材料制 成的物体构成，也可在这种材料中传导电磁波，然后通过该材料将其朝向辐射方向辐射出 去。所述“辐射方向”基本上指的是介质天线的主辐射方向，也就是介质天线方向性特别明 显的方向。如前所述，在工业过程测量技术领域通常将介质天线用于测量物位。就这些应用 而言，如果所使用的天线具有尽可能窄的主辐射方向，同时还具有尽可能紧凑的结构，则特 别有益。但这些要求相互矛盾，通常必须采取结构性措施来在技术上实现这些要求。已知只有通过较大的辐射段孔径-即开口面积-才能在主辐射方向上实现较窄的 方向特性，这就需要在垂直于主辐射方向有较大的天线尺寸。为了也能在较窄的主辐射方 向利用该孔径，从辐射段辐射出的电磁辐射必须具有尽可能平坦的相前沿，通常只有利用 逐渐增大的天线长度来实现这种平坦的相前沿，这同样也有悖于所需的紧凑结构形式。在 物位测量技术领域通常还有这样的问题只能在很窄的极限范围内增大几何孔径，因为否 则无法将天线置于被测体积之中-例如通过现有的槽罐开口与管接头-并且无法将其安装 在这里。此外-由于安装情况的几何条件限制-还必须通过安装几何形状以低辐射方式传 导电磁波，以防止槽罐内置物的寄生反射引起有用信号失真。因此本发明的任务在于阐述一种能够以尽可能低损耗的方式适应各种安装情况、 反射尽可能小且同时高度集束的介质天线。按照本发明所述，在上述类型的介质天线中，将辐射段设计成紧接于第二过渡段 之后的介质管，即可解决前述任务。因此在本发明所述的介质天线中，将第二过渡段作为 介质天线物理分隔区域之间也就是包括介质棒的第一过渡段和辐射段之间的“真正”过渡 段。通过辐射侧介质管传导电磁波的好处在于，在最佳激励状态下_也就是在单模激励状 态下_可以显著改变介质天线的长度。按照本发明所述介质天线的一种有益实施方式，适当选择构成辐射段的介质管的最大壁厚，从而只有HE11混合基本模电磁波能够沿着介质管传播。可以看出，第一过渡段中 的介质天线棒几何形状与介质天线辐射段中的管几何形状构成固有电磁波系统，可以沿着 这些固有波系统将每一处场分布表示为各个固有波的叠加。基本模在这两种系统中呈混合 状态，称作HE11模。利用本发明所述的薄壁介质管，可在给定最大管外径时达到极高的方向 性，同时可实现单模传导电磁波。构成介质喇叭的第二过渡段因而在两个不同的固有波系统之间形成一个波导管 过渡段，从棒状第一过渡段转入第二过渡段之中以及从第二过渡段转入传导电磁波的介质 辐射段之中的过渡所表达的不连续性是高阶场分布的根源。如果由于不连续性而激励的高 阶模低于介质天线固有波系统的极限频率(截止频率)，则无法沿着介质结构传导高阶模， 而是将相应的电磁辐射直接在不连续位置辐射到自由空间之中，从而引起相前沿弯曲，使 得天线的方向性下降。采用本发明所述介质天线的另一种有益实施方式，即可消除上述现象，这种实施 方式的特征在于，包括介质喇叭的第二过渡段具有一个朝向辐射方向逐渐张开的非线性内 轮廓，所述内轮廓通常可使得介质喇叭的界面形成被介质喇叭包围的空腔。由于包括介质 喇叭的第二过渡段具有非线性内轮廓，因此与轴向比较长的线性第二过渡段相比，可以利 用轴向-主辐射方向-比较短的第二过渡段实现模式纯度。采用上述措施可以缩短构成介 质喇叭的第二过渡段，使其比线性喇叭所需的长度缩短三分之一以上。已证实特别适合通过分数指数大于一的幂函数来描述这种内轮廓，这些幂函数以 主辐射方向延伸的天线位置坐标作为自变量。适宜选用1.09 1. 13之间的某一个值作为 指数，特别适宜选用1. 10 1. 12之间的分数指数，最好选用基本上等于1. 11的指数。上 述位置坐标的原点也可以转移到包括介质棒的第一过渡段之中。就此而言，特别适宜使得 第二过渡段的介质喇叭的内轮廓延伸到构成第一过渡段的介质棒之中，尤其是连续延伸到 构成第一过渡段的介质棒之中。这意味着介质天线之内的空腔特别是一直延伸到第一过渡 段的介质棒之中。也适宜通过分数指数大于一的幂函数来描述介质棒的内轮廓，所述幂函数也以指 向天线主辐射方向的位置坐标作为自变量，且分数指数的值适宜在1.09 1. 13之间，特别 适宜在1. 10 1. 12之间，尤其适宜基本上等于1. 11。若以同一个幂函数来描述包括介质 棒的第一过渡段的内轮廓以及包括介质喇叭的第二过渡段的内轮廓，则第一过渡段和第二 过渡段之间的不连续性最小。本发明关于第一过渡段内轮廓以及第二过渡段内轮廓的技术思想也可独立于本 发明开头所述的技术思想，实现结构更为紧凑且提高方向性的效果，即并非仅仅涉及具有 一个介质管形式的辐射段的介质天线，而是可以同时实现这两种基本思想。在研发上述介质天线的过程中，已发现针对辐射特性优化天线设计可产生优异的 集束特性，但是电磁辐射的内部反射仍然有可能引起干扰信号，所引起的“天线振荡”可能 会导致测量错误。因此为了防止出现并非所愿的天线固有反射，在本发明所述介质天线的 一种特别有益的实施方式中，按照四分之一波长变换器的原理，使得包括介质棒的第一过 渡段的内轮廓在过渡为馈入侧实心棒的区域中形成一个阶梯阻抗变换器，尤其是形成一个 单级阶梯阻抗变换器。已证实这样就能显著抑制宽带反射，且不会对所需的场分布造成负 面影响。
适宜在介质管形式的辐射段过渡到自由空间之中的过渡段中采用另一个阶梯阻 抗变换器尤其是单阶梯阻抗变换器。按照一种特别有益的实施方式所述，按照四分之一波 长变换器的原理，将介质馈入段设计成阶梯阻抗变换器尤其是两级阶梯阻抗变换器，从而 在通常所用的金属波导管过渡到介质馈入段的过渡区域中实现比单级阶梯阻抗变换器更 好的效果。介质馈入段中的阶梯阻抗变换器适宜具有横断面在辐射方向逐渐变窄的内轮 廓，适宜将至少一个内六角外形的阶梯作为内轮廓。内六角外形特别适合于进行装配，因为 这种形状相对于未知的旋转角度具有极大的稳定性，但从电磁理论角度来看，也可考虑采 用其它形状。采用另一种结构性措施可以显著改善瞬态反射特性即适当选择馈入段的外径， 从而当天线处在装配状态时，在馈入段和馈源波导管之间形成一个馈入段可以伸入到其中 的径向间隙，尤其是该间隙沿着辐射方向基本上在介质馈入段内所形成的阶梯阻抗变换器 的轴向范围-主辐射方向延伸范围-内延伸。就常见的天线尺寸而言，实心棒直径例如在 22mm范围内，因此间隙宽度约为1mm。在没有介质管作为辐射段的介质天线中，设置于馈入段以及第一过渡段中的阶梯 阻抗变换器也会使得反射减小，因此可理解为与介质管形式的辐射段的特征无关。在本发明所述介质天线的一种首选实施方式中，进一步提高方向性的方式为使 得介质棒在第一过渡段中被一个朝向天线辐射方向张开的金属喇叭颈部围住，所述金属喇 叭颈部特别是既不延伸到在介质馈入段之内形成的阶梯阻抗变换器的区域之中，也不延伸 到第一过渡段内的阶梯阻抗变换器的区域之中。通过这种金属喇叭颈部可以进一步提高本 发明所述介质天线的方向性，因为电磁辐射的基本模在金属喇叭颈部的末端耦合到所需的 HE11棒模之中，而引起的泄漏辐射极小。可以将张开的金属喇叭颈部内轮廓设计成不同的 形式，最好使其呈线性，因为非线性内轮廓几乎无法改善辐射特性，且线性内轮廓比较容易 制造。具体而言，有各种各样可以实施、改进本发明所述介质天线的方法。为此可以参考 从属于权利要求1的权利要求，也可参考结合附图描述的首选实施例。图中示出附
图1为本发明所述介质天线第一种实施例的横剖视图，附图2为本发明所述介质天线第二种实施例的横剖视图，附图3示意性地示出本发明所述介质天线，其具有辐射电磁波在E平面中所产生 的整个电场、模场以及寄生的漏场，附图4a、4b为利用本发明所述介质天线实施例实现的方向性与传统天线的方向 性对比图；和附图5为本发明所述介质天线的详细横剖视图。附图1和2所示为完整介质天线1的横剖视图，该天线具有介质馈入段2、包括介 质棒的第一过渡段3、构成介质喇叭的第二过渡段4和介质辐射段5，可以给介质馈入段2 施加电磁辐射6，利用第一过渡段3和第二过渡段4传导电磁辐射6，然后从辐射段5将电 磁辐射6作为自由空间波辐射出去。附图1 3中-或多或少忠实于细节-所示的所有介质天线1的特征在于，将辐 射段5设计成紧随第二过渡段4之后的介质管。这样就能使得介质天线1的长度可以在很 大范围内变化，即包括介质棒的第一过渡段3的长度以及介质管形式的辐射段5的长度可以有不同的选择。这两个区域3和5即为固有电磁波系统，以构成介质喇叭的第二过渡段 4作为这些不同固有波系统之间的波导管过渡段。在所示的所有实施例中，介质管形式的辐射段5的壁厚经过适当选择，从而只有 HE11混合基本模电磁辐射6能够沿着介质管传播，因此原则上可以通过包括介质棒的第一 过渡段3和介质管形式的辐射段4单模传导电磁辐射6。直接在不连续位置、即主要在构成 介质喇叭的第二过渡段4区域中将不连续部位上出现的高阶模辐射到自由空间中。寄生电 磁漏场的分离如附图3所示，图中电场分布的最大振幅在E平面中为9. 5GHz，辐射段5的长 度为1500mm。为了有利于进行描述，管长度经过适当选择(大约50 λ )，以便能够看清楚传 导场和寄生辐射场之间的分离，因为传导模与自由空间场的波数只有很小的区别。在附图1和2所示的实施例中，辐射段5的介质管壁厚小于管外径的5%。在当前 情况下，管外径为43mm，壁厚为2. 0mm，若使用聚丙烯(PP，附图1)和聚四氟乙烯(PTFE，附 图2)且激励频率为9. 5GHz，则可形成所需的选择性传输特性。在附图1和2所示的实施例中，改进了从包括介质棒的第一过渡段3至介质管形 式的辐射段5的传输特性包括介质喇叭的第二过渡段4具有朝向辐射方向7逐渐张开的 非线性内轮廓8，可以根据在天线1的主辐射方向7上的位置坐标以分数指数大于1的幂函 数表示内轮廓8 ；本实施例中的指数值基本上等于1. 1。已证实为了使介质天线1实现一定的方向性，可以将这种介质喇叭形式的第二过 渡段4设计得明显短一些，短于将具有线性内轮廓的介质喇叭作为第二过渡段的介质天 线。附图1和2所示天线的共同之处在于，包括介质喇叭的第二过渡段4具有朝向辐 射方向7张开的线性外轮廓9。已证实外轮廓9的形状对于第二过渡段4的传输特性的影 响程度与内轮廓8的外形相比不可同日而语；因此这里选用了最容易制作的外轮廓9。但对于附图所示介质天线1的传输特性而言特别重要的是第二过渡段4的介质 喇叭的内轮廓8在构成第一过渡段3的介质棒的内轮廓10中延伸，在本实施例中是连续延 伸到构成第一过渡段3的介质棒之中。在附图所示的实施例中，可通过同一个幂函数描述 包括介质棒的第一过渡段3的内轮廓10以及包括介质喇叭的第二过渡段4的内轮廓8，这 样可避免在第一过渡段3和第二过渡段4之间的过渡范围内出现任何不连续性。在本情况 下可通过以下方程式描述内轮廓8、10 r(x) = 16. 5mm*(x/230mm)1/0 9+3mm，其中χ表示在天线辐射方向7上的位置坐标，单位为毫米；r(x)表示随独立位置 坐标X的轴变化的内轮廓8、10的高度。位置坐标X的原点在这里是80mm，其位于第一过渡 段3至第二过渡段4的过渡范围内，介质喇叭形式的第二过渡段4在辐射方向7的总延伸 长度为150mm。紧随其后的介质管形式的辐射段5在介质天线1的辐射方向7的延伸长度 仅为15mm。下表1所示为介质管形式的短辐射段5与介质喇叭形式的不同过渡段4在9. 5GHz 激励频率下激励时的传输特性和特性辐射参数。表1 介质天线的不同线性内轮廓和非线性内轮廓在9. 5GHz频率下的传输特性。
权利要求
一种介质天线，具有介质馈入段(2)、包括介质棒的第一过渡段(3)、构成介质喇叭的第二过渡段(4)和介质辐射段(5)，可以给馈入段(2)施加电磁辐射(6)，利用第一过渡段(3)和第二过渡段(4)传导电磁辐射(6)，然后从辐射段(5)将电磁辐射作为自由空间波辐射出去，其特征在于，将辐射段(5)设计成紧随第二过渡段(4)之后的介质管。
2.根据权利要求1所述的介质天线，其特征在于，介质管的最大壁厚经过适当选择，从 而只有HE11混合基本模中的电磁辐射(6)能够沿着介质管传播，介质管的壁厚特别是最多 为介质管外径的5%。
3.根据权利要求1或2所述的介质天线，其特征在于，包括介质喇叭的第二过渡段(4) 具有朝向辐射方向(7)逐渐张开的非线性内轮廓(8)，尤其可以根据在天线(1)的辐射方向 (7)上的位置坐标，以分数指数大于1的幂函数来描述内轮廓(8)，适宜采用1.09 1. 13 范围内的分数指数，特别适宜采用1. 10 1. 12范围内的分数指数，尤其适宜采用基本上等 于1/0. 9的分数指数。
4.根据权利要求1 3中任一项所述的介质天线，其特征在于，包括介质喇叭的第二过 渡段(4)具有朝向辐射方向(7)张开的线性外轮廓(9)。
5.根据权利要求1 4中任一项所述的介质天线，其特征在于，具有内轮廓(10)的第 二过渡段(4)的介质喇叭的内轮廓(8)延伸到构成第一过渡段(3)的介质棒之中，尤其是 连续延伸到构成第一过渡段(3)的介质棒之中。
6.根据权利要求5所述的介质天线，其特征在于，可以根据在天线⑴的辐射方向(7) 上的位置坐标，以分数指数大于1的幂函数来描述介质棒的内轮廓(10)，适宜采用1. 09 1. 13范围内的分数指数，特别适宜采用1. 10 1. 12范围内的分数指数，尤其适宜采用的分 数指数为1/0.9。
7.根据权利要求3、5和6所述的介质天线，其特征在于，以同一个幂函数来描述包括介 质棒的第一过渡段(3)的内轮廓(10)和包括介质喇叭的第二过渡段(4)的内轮廓(8)。
8.根据权利要求5 7中任一项所述的介质天线，其特征在于，包括介质棒的第一过渡 段(3)的内轮廓(10)在过渡为馈入侧实心棒的区域中，形成一个按照四分之一波长变换器 原理工作的阶梯阻抗变换器(11)，尤其是形成一个单级阶梯阻抗变换器(11)。
9.根据权利要求1 8中任一项所述的介质天线，其特征在于，将介质馈入段(2)设计 成按照四分之一波长变换器原理工作的阶梯阻抗变换器(12)，所述阶梯阻抗变换器(12) 尤其具有横断面朝向辐射方向(7)逐渐变窄的内轮廓，尤其具有至少一个内六角外形的阶 梯作为内轮廓。
10.根据权利要求1 9中任一项所述的介质天线，其特征在于，将朝向自由空间的介 质管形式的辐射段(5)设计成按照四分之一波长变换器原理工作的阶梯阻抗变换器(19)， 所述阶梯阻抗变换器(19)尤其具有横断面朝向辐射方向(7)逐渐变宽的内轮廓，尤其在内 轮廓中具有至少一个阶梯。
11.根据权利要求1 10中任一项所述的介质天线，其特征在于，馈入段(2)的外径经 过适当选择，从而当介质天线处在装配状态时，在馈入段(2)和馈源波导管(14)之间形成 馈入段⑵能够伸入到其中的径向的间隙(13)，所述间隙(13)尤其在辐射方向(7)基本上 在介质馈入段(2)中形成的阶梯阻抗变换器(12)的轴向长度范围内延伸。
12.根据权利要求1 11中任一项所述的介质天线，其特征在于，第一过渡段(3)中的介质棒被一个朝向天线(1)的辐射方向(7)张开的金属喇叭颈部(15)围住，所述金属喇叭 颈部(15)尤其既不延伸到在介质馈入段(2)内形成的阶梯阻抗变换器(12)的区域之中， 也不延伸到第一过渡段(3)内的阶梯阻抗变换器(11)的区域之中。
13.根据权利要求12所述的介质天线，其特征在于，金属喇叭颈部(15)的最大外径最 多比第一过渡段(3)内的介质棒的外径大2. 5倍，适宜最多大2. 3倍，最适宜大2倍。
14.根据权利要求12或13所述的介质天线，其特征在于，金属喇叭颈部(15)被一个 介质外壳(16)围住，尤其被一个介质外壳(16)以机械固定的方式围住，所述介质外壳(16) 最好与天线的其它介质零件整体形成。
15.根据权利要求12 14中任一项所述的介质天线，其特征在于，在金属喇叭颈部 (15)上朝向馈入段(2)形成一个圆柱形金属套(18)，尤其是作为金属馈源波导管的过渡 段。
16.一种介质天线，具有介质馈入段(2)、包括介质棒的第一过渡段(3)、构成介质喇叭 的第二过渡段(4)和介质辐射段(5)，可以给馈入段(2)施加电磁辐射(6)，利用第一过渡 段(3)和第二过渡段(4)传导电磁辐射(6)，然后从辐射段(5)将电磁辐射作为自由空间波 辐射出去，其特征在于具有权利要求3 7中至少一项的特征部分所述的特征。
全文摘要
描述一种介质天线(1)，其具有介质馈入段(2)、包括介质棒的第一过渡段(3)、构成介质喇叭的第二过渡段(4)和介质辐射段(5)，可以给馈入段(2)施加电磁辐射(6)，利用第一过渡段(3)和第二过渡段(4)传导电磁辐射(6)，然后从辐射段(5)将电磁辐射(6)作为自由空间波辐射出去。本发明的任务在于阐述一种能够以尽可能低损耗的方式适应各种安装情况、反射尽可能小且同时高度集束的介质天线。解决这一任务的方式是将上述介质天线的辐射段(5)设计成紧随第二过渡段(4)之后的介质管。
文档编号H01Q13/24GK101944658SQ201010247260
公开日2011年1月12日 申请日期2010年5月25日 优先权日2009年5月25日
发明者C·齐茨, E·德尼克, G·阿姆布雷克特 申请人:克洛纳测量技术有限公司