[发明专利]由波导和天线组成的装置

说明书

本发明涉及一种由波导和天线组成的装置。

在HF技术中，为波导采用圆形或矩形的截面，以便传输HF信号，其中该波导按其截面而被称作圆形波导或矩形波导。波导的内部可以填充空气或固体的电介质。为了辐射到自由空间，在波导的端部布置了天线，譬如喇叭形天线。

在许多实施方式中，波导是如此地转变到天线的，使得电介质的截面逐渐地缩小，而波导的外径向外扩宽，由此形成一个由金属喇叭组成的装置，其内部包含一个由介电材料组成的圆锥，且该圆锥的尖端可以达到喇叭的入口。所述电介质在天线区域内缩小的那部分被称为截面匹配器-在英语中被称为尖锥体。因此，矩形截面的波导具有一个金字塔形的截面匹配器，而在圆形的波导中所述的截面匹配器被实施为圆锥形。

波导的传输特性取决于需传输的信号频率、波导的截面以及填充波导内腔的电介质的相对介电常数ε_r。在频率预定和电介质预定的情况下，如此来选择波导的外径或截面，使得针对需传输的HF信号频率能实现最佳的传输特性、发射特性和接收特性。

然而，在一端设有天线的波导不仅在信息技术中使用，而且还在测量技术中使用，譬如在容器中对固体粒状材料或液体的填充位置进行测量。测量填充位置所基于的原理在于由天线发出短微波脉冲。在组合的发射和接收系统中，对从填料反射回天线的脉冲进行测定。通过对该从填料反射回来的脉冲进行渡越时间测量来求出天线与填料之同的间距。容器内的微波辐射是通过譬如为喇叭形天线的、与波导相连的天线来实现的，因此在容器内无论如何也不能有温度敏感的部件。

这种用于测量填充位置的天线装置譬如在本申请人的德国实用新型G 94 12 243.1中讲述过。

需传输的HF信号的频率越高，以及填充波导的电介质的相对介电常数ε_r越大，则选择的波导外径就可以越小，以便实现最佳的传输特性。因此，对譬如24GHz的频率为最佳的、且利用特氟隆(注册的商标)电介质进行填充的圆形波导的外径仅约为6.5mm。若采用氧化铝陶瓷作为电介质，则仅为3mm的外径对24GHz的频率是最佳的。

在填充位置测试中，会在天线系统内再三出现冷凝物的问题。如果在天线区域、譬如在截面匹配器上形成冷凝物滴，则所述截面匹配器的一部分横截面会被覆盖掉。冷凝物滴把从填料表面反射到天线的HF信号的一部分反射回到所述填料的表面。同样，冷凝物滴上的发射信号被反射回到发射/接收机，并从那儿将一部分再次反射到天线上。冷凝物滴越大，以及其相对介电常数ε_r越大，则回到填料表面或回到设备内部(发射/接收机)的反射便越强烈。但是，所述的冷凝物滴在截面匹配器上所湿润的面积相对于其表面越大，则反射回到填料或发射/接收机表面的HF信号成分就越大。因此，在HF信号频率为24GHz的情况下，譬如外径为2mm的液滴就已经覆盖掉用陶瓷填充的波导的截面匹配器面积的约44％。因为由此所决定的强烈反射，测试信号的回波幅值将会大大降低，而被称为“振铃”的混合干扰回波将增加。

为了不顾所述截面匹配器上的冷凝物而使测试信号的回波幅值达到足够的值，采用了较大尺寸的波导。虽然因所述截面匹配器的较大表面而降低了相对于冷凝物滴的灵敏性，但此时的波导和天线再也不能在其传输特性、发射特性和接收特性方面与HF信号的频率作最佳的匹配。此时在较大尺寸的波导中，除了基模式之外，还可能会传播发射频率的较高模式，这些较高模式因其不同的信号渡越时间而会使测试信号产生讹误的回波。

由于相对于冷凝物滴具有较低灵敏性的要求不能与在HG信号频率方面具有最佳传输特性、发射特性和接收特性的要求统一起来，所以在实践中尽量是在对冷凝物滴的灵敏性和同频率的最佳匹配之间达成折衷。因此，如此来选择波导和与之相连的天线的尺寸，使得一方面由冷凝物滴和另一方面由波导的多模性所引起的测试信号的总讹误-取决于反射和回波-为最小。

图5示出了一种单模的波导H和天线A，在所述的天线喇叭内有一个截面匹配器T2，而在该截面匹配器上形成了两个冷凝物滴K。为了降低相对于冷凝物滴的灵敏性，将图5所示的装置加大了尺寸，如图6所示。但由此可能在波导内产生较高的模式。

本发明的任务在于，构造一种由波导和与之相连的天线组成的装置，使得能同时最佳地满足相对于冷凝物滴的低灵敏性要求和最佳的电特性要求。