專(zhuān)利名稱(chēng)：平面天線和天線系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種平面天線，該平面天線用于激發(fā)TE01-模式(也稱(chēng)為H01-模式)，并適用于填充液位測(cè)量裝置，該裝置用來(lái)測(cè)定容器中填充物的填充高度。此外，本發(fā)明還涉及一種天線系統(tǒng)，該系統(tǒng)適合于在管道中使用，如分流管，用來(lái)測(cè)量容器中填充物高度。
“純雷達(dá)方法”(也稱(chēng)為脈沖雷達(dá)方法)和“時(shí)域反射計(jì)(TDR)方法”生成電磁波或測(cè)量信號(hào)，它們沿著介質(zhì)或填充物表面方向傳播，并至少有部分作為所謂的反射信號(hào)在介質(zhì)表面被反射。這些反射信號(hào)通過(guò)延遲時(shí)間法檢測(cè)和評(píng)估。這些技術(shù)眾所周知，因此省略詳細(xì)的解釋。這些基本方法，例如，在“Radar Level Measurement-The User’sGuide”，(VEGA Controls，2000，Devine，Peter(ISBN 0-9538920-0-X))中有說(shuō)明。根據(jù)本發(fā)明的平面天線和天線系統(tǒng)都用于在基于上述脈沖雷達(dá)方法或者TDR方法的雷達(dá)液位測(cè)量應(yīng)用中激發(fā)雷達(dá)信號(hào)。
背景技術(shù)：
使用雷達(dá)的液位測(cè)量是一種優(yōu)雅、精確、可靠的方法。這種固定下來(lái)的技術(shù)使用，例如，號(hào)角天線在圓形波導(dǎo)管中激發(fā)TE11的基本模式(也稱(chēng)為H11-模式)，并在分流管中傳播。號(hào)角天線和基本TE11-模式的使用使得高分辨率和高精確度成為可能，但是由于測(cè)量管道壁材料的影響，這種方法存在局限性。具有低相對(duì)電容率或者在工業(yè)油箱極限條件(如壓力或溫度)之下的產(chǎn)品液位探測(cè)通常需要分流管或者豎管。分流口可能導(dǎo)致誤反射、干擾測(cè)量，并可能降低準(zhǔn)確度。
因此，需要一種天線系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于管道，如分流管，來(lái)測(cè)量容器中填充物的填充高度，并且該系統(tǒng)的精確度至少達(dá)到通過(guò)使用號(hào)角天線獲得的精確度或者更高。
例如，WO 02/31450 A1展示了一個(gè)包含平面天線的液位測(cè)量裝置。這種平面天線包含多個(gè)直的金屬部分，這些金屬部分從一個(gè)中心呈放射狀延伸，并具有與直的部分相連的臂，且在一個(gè)圓的圓周上沿切線方向延伸。所有的臂按一個(gè)方向延伸，所有的元件被排列在一個(gè)基底的相同表面上。這樣的結(jié)構(gòu)在平面天線與需要測(cè)量填充高度的填充物自由面之間的最小間隙(也稱(chēng)為塊距離)方面是有利的，因?yàn)楸还_(kāi)的平面天線將減少塊距離，這點(diǎn)被略述。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明用于激發(fā)TE01-模式的平面天線包含一個(gè)介電材料構(gòu)成的基底，該基底的第一表面正對(duì)填充物表面，第二表面對(duì)著相反的方向。第一組偶極臂被安置在具有預(yù)定半徑的圓的圓周上的第一表面或者第二表面上。第二組偶極臂被安置在具有預(yù)定半徑的那個(gè)圓的圓周上的第一表面或第二表面上。第一組偶極臂沿第一方向延伸，第二組偶極臂沿第一方向的反方向延伸。
由于TE01-模式的使用，這樣的平面天線在管道中安置不會(huì)引起問(wèn)題，這些問(wèn)題已經(jīng)知道是由于在這種管道中使用號(hào)角天線而產(chǎn)生的。并且，這樣一個(gè)基本為平面狀的天線設(shè)計(jì)可以應(yīng)用于大約3GHz到70GHz或者更高的中心頻率，優(yōu)選地為26GHz或者再高一點(diǎn)的中心頻率，最好是在20GHz到28GHz左右。
使用模式變換器可能是有利的，在圓形波導(dǎo)管中，此處是波導(dǎo)管道，這種模式變換器將同軸TEM-模式變換為T(mén)E01-模式。
根據(jù)本發(fā)明的平面天線的一個(gè)示例性實(shí)施例中，第一組偶極臂和第二組偶極臂被安置在基底的相對(duì)的表面上。在此情況下，這樣可能較為有利第一組偶極臂通過(guò)第一連接元件相連接，第二組偶極臂通過(guò)第二個(gè)共用的連接元件互相連接。第一連接元件和第二連接元件都可以做成連接環(huán)(星點(diǎn))的形狀。第二個(gè)環(huán)的直徑與第一個(gè)環(huán)的直徑不同。在本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施例中，第二個(gè)環(huán)的直徑大于第一個(gè)環(huán)的直徑。第一個(gè)連接元件和第二個(gè)連接元件都可以作為電觸點(diǎn)與基底的下表面接觸。這些連接元件使同軸線的外導(dǎo)體和內(nèi)導(dǎo)體的接觸成為可能。
在本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施例中，基底具有預(yù)定的厚度，該厚度是由第一表面和第二表面確定的。在工作頻率為26GHz的情況下，基底的厚度在0.20毫米到0.30毫米之間。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，基底是RD-Duroid 5880，有εR＝2.2和tang(ξε)＝0.0009，厚度是0.254毫米。
在本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施例中，偶極臂長(zhǎng)度為λ/4。這些偶極經(jīng)常被安置在一個(gè)半徑為7.5毫米的圓周上。波導(dǎo)管的直徑為0.24毫米。
在本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施例中，第一組和第二組的偶極臂具有相同的大小。
在本發(fā)明平面天線的另一個(gè)示例性實(shí)施例中，第一組和第二組的每個(gè)偶極臂都包括一個(gè)放射狀延伸的第一偶極連接部分和一個(gè)沿切線方向延伸的第二偶極部分。第一偶極部分可包括一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)提供了一個(gè)兩階變換。首先，偶極輸入阻抗的電抗分量被一根短傳輸線補(bǔ)償。在第二步，通過(guò)使用λ/4變換器獲得較高和實(shí)部的輸入阻抗。原則上，也可以使用短路線，但是可能會(huì)打亂與上面描述方法相反的整個(gè)組件的絕對(duì)對(duì)稱(chēng)。為了通過(guò)50歐姆的連接環(huán)得到輸入阻抗，每個(gè)偶極的輸入阻抗需要被變換為600歐姆或者其他值。實(shí)際上，連接環(huán)輸入阻抗不是直接被變換為50歐姆，因?yàn)樵谖锢砩喜豢赡軐?shí)現(xiàn)傳輸線特性阻抗為600歐姆。相反，阻抗首先被變換為28.8歐姆。最終的匹配是由后面將談到的同軸線變換器實(shí)現(xiàn)的。
到輸入阻抗為50歐姆的整體變換是由一個(gè)同軸線變換器完成的。這個(gè)變換器由以聚四氟乙烯作為介電材料(例如RG402，產(chǎn)品名稱(chēng)UT 141-A-TP，具有特征阻抗50歐姆)的半剛性電纜實(shí)現(xiàn)。這條線被移植成長(zhǎng)度為λ/2的空氣線路，跟著一個(gè)λ/4λ(空氣-)變換器來(lái)獲得28.8歐姆連接環(huán)阻抗的匹配。
由于尺寸小，制作一個(gè)改進(jìn)的內(nèi)導(dǎo)體是非常困難的，所以?xún)?nèi)導(dǎo)體的直徑不變。線路變換器的特征阻抗由外導(dǎo)體的內(nèi)直徑校準(zhǔn)。
因此，每個(gè)偶極的匹配網(wǎng)絡(luò)可包含具有第一寬度的第一長(zhǎng)度部分，具有第二寬度的第二長(zhǎng)度部分和具有第三寬度的第三長(zhǎng)度部分。第一長(zhǎng)度部分與偶極臂接觸，第三長(zhǎng)部分與連接環(huán)相連接。
根據(jù)本發(fā)明平面天線的另一個(gè)示例性實(shí)施例，第一組和第二組的每個(gè)偶極臂都沿著圓周彎曲。因此，偶極臂精確遵循圓柱狀波導(dǎo)管中TE01-模式場(chǎng)圖的環(huán)形電磁通量線。在一個(gè)替代實(shí)施例中，第一組和第二組的每個(gè)偶極臂都被做成直線的形狀。彎曲偶極臂和直偶極臂的長(zhǎng)度最好都是需要激發(fā)的波長(zhǎng)的大約四分之一，短一點(diǎn)的波長(zhǎng)更好。
為了更容易制造，在本發(fā)明平面天線的一個(gè)示例性實(shí)施例中，第一組偶極臂和第二組偶極臂被安置在基底的不同表面上。因此，第一組偶極臂被安置在正對(duì)著填充物的上表面上，第二組偶極臂被安置在對(duì)著波導(dǎo)管的底板的下表面上。這樣的偶極臂設(shè)置使得在每個(gè)表面上能夠安置相對(duì)較多的偶極臂，而不會(huì)引起激發(fā)結(jié)構(gòu)相互間過(guò)于接近的問(wèn)題。而且，可以為第一組偶極臂和第二組偶極臂提供集中饋送(feeding)。饋送可由第一連接元件提供，偶極臂連接部分正是由這個(gè)元件連接到偶極臂。第二連接元件可設(shè)置在基底的另一面上，用以連接另一組的偶極臂。
本發(fā)明平面天線的另一個(gè)示例性實(shí)施例中，第一組和第二組的多個(gè)偶極臂都以微帶線技術(shù)制造。
本發(fā)明平面天線的另一個(gè)示例性實(shí)施例中，偶極臂連接部分和匹配網(wǎng)絡(luò)，以及基底每個(gè)表面上的連接環(huán)都以微帶線技術(shù)制造。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，一種天線系統(tǒng)包含具有底板和管道部分的圓柱狀波導(dǎo)管。用于激發(fā)TE01-模式并被安置在圓柱狀波導(dǎo)管內(nèi)的平面天線包含至少一個(gè)介電材料構(gòu)成的基底，第一組的多個(gè)偶極臂被安置在具有預(yù)定半徑的圓的圓周上，第二組的多個(gè)偶極臂也被安置在具有預(yù)定半徑的該圓的圓周上。第一組偶極臂沿第一方向延伸，第二組的偶極臂沿與第一方向相反的方向延伸。平面天線的第二表面與底板平行并有一段距離，以提供一段間隔。
在本發(fā)明天線系統(tǒng)的一個(gè)示例性實(shí)施例中，平衡-不平衡變換器網(wǎng)絡(luò)被插入到不對(duì)稱(chēng)同軸線與第一組的多個(gè)偶極臂和第二組的多個(gè)偶極臂之間。同軸線作為平面天線激發(fā)結(jié)構(gòu)的饋線。平衡-不平衡變換器網(wǎng)絡(luò)避免了鞘波。這種平衡-不平衡變換器網(wǎng)絡(luò)可包含一個(gè)第一環(huán)終端和一個(gè)被插在第一環(huán)終端內(nèi)，與之同軸的第二環(huán)。同軸線的內(nèi)導(dǎo)體在第二終端之內(nèi)走向。第一終端的高度大約為λ/4。通過(guò)連接前面提到的終端之間的對(duì)稱(chēng)天線，鞘波可以在λ/4-變換器內(nèi)被忽略。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，平衡-不平衡變換器的直徑被選為同軸線外導(dǎo)體直徑的兩倍。平衡-不平衡變換器起到同軸陷波器的作用。
在本發(fā)明天線系統(tǒng)的另一個(gè)示例性實(shí)施例中，在波導(dǎo)管的底板與基底的第二表面之間的間隔被至少一種介電材料部分或者全部充滿。這種介電材料可以是聚四氟乙烯、PTFE或Rohacell。由于介電材料部分或者全部地填充了空隙，整個(gè)組件的強(qiáng)度得以改善。
在本發(fā)明天線系統(tǒng)的另一個(gè)示例性實(shí)施例中，在基底的第一表面上或者前面提供了一個(gè)覆蓋層。此覆蓋層包含至少一種介電材料。由于這個(gè)覆蓋層，實(shí)現(xiàn)了對(duì)波導(dǎo)管或者分流管中空氣的保護(hù)。而且，由于覆蓋層外面的形狀，達(dá)到了透鏡效果。這樣的覆蓋層與結(jié)構(gòu)相互作用，因而，在設(shè)計(jì)平面結(jié)構(gòu)的時(shí)候就需要考慮這點(diǎn)。
在本發(fā)明天線系統(tǒng)的一個(gè)替代實(shí)施例中，覆蓋層可以通過(guò)這樣的方式被安置在波導(dǎo)管里使得在覆蓋層和基底的第一表面之間有間隔。
如上所述，覆蓋層可具有凸起或者凹入的形狀。需要注意的是，根據(jù)本發(fā)明的天線系統(tǒng)可包含具有至少一個(gè)或多個(gè)上面提到的特征的平面天線。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)天線系統(tǒng)的示例性實(shí)施例的橫截面示意圖；圖2是一個(gè)平衡-不平衡變換器的橫截面示意圖；圖3是圖2的平衡-不平衡變換器的透視圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的平面天線的一個(gè)示例性實(shí)施例的平面圖，其中顯示了具有第一組多個(gè)偶極臂的基底第一表面；圖5是放大了的圖4中偶極臂的詳細(xì)平面圖，其中顯示了圖4中基底第二表面的偶極臂；圖6是圖4平面天線平面圖的細(xì)節(jié)“X”，顯示了偶極臂的偶極連接部分的匹配網(wǎng)絡(luò)；圖7是圖1所示的組件的橫截面圖；圖8是圖4的平面天線的詳細(xì)平面圖，顯示了平面天線基底的第二表面；圖9顯示了涂層的多種示例性實(shí)施例，該涂層位于例如圖4所示的平面天線的基底第一表面的前面；圖10是根據(jù)本發(fā)明的天線系統(tǒng)的一個(gè)示例性實(shí)施例的橫截面示意圖，為匹配的緣故提供了一個(gè)錐形。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)天線系統(tǒng)1的第一個(gè)示例性實(shí)施例的橫截面示意圖。天線系統(tǒng)1包括一個(gè)具有底板3和管道部分4的圓柱狀波導(dǎo)管2。天線系統(tǒng)1還包括用于激發(fā)TE01-模式電磁波的平面天線5。平面天線5被安置在圓柱狀波導(dǎo)管2中。
平面天線5包括一個(gè)介電材料構(gòu)成的基底6，該基底具有正對(duì)填充物表面的第一表面7和對(duì)著相反方向的第二表面8。第二表面8對(duì)著波導(dǎo)管2的底板3。在介電材料構(gòu)成的基底6的第一表面7上，這里介電材料是RT-Duroid 5880，安置了第一組9的多個(gè)偶極臂10。第二組11的多個(gè)偶極臂12被安置在基底6的第二表面8上。關(guān)于結(jié)構(gòu)和第一、二組9，11的多個(gè)偶極臂10，12形狀的其它詳細(xì)信息，我們參考下面關(guān)于圖4-6和8的解釋。
平面天線5被安置在波導(dǎo)管2中，使得基底6，尤其是基底6的第二表面8，與波導(dǎo)管2的底板3平行。在第二表面8和基底6以及底板3之間的間隙空間可以部分或者全部用介電材料填充，例如，聚四氟乙烯或類(lèi)似材料。在基底6的第二表面8和底板3之間的距離大約為由本發(fā)明的平面天線5所激發(fā)的電磁波波長(zhǎng)的四分之一。
如圖1所示，在基底6的第一表面7和第二表面8上的激發(fā)結(jié)構(gòu)與圖2和3所示的平衡-不平衡變換器網(wǎng)絡(luò)100相接觸。平衡-不平衡變換器網(wǎng)絡(luò)與一根同軸電纜13相連。通過(guò)同軸電纜13，一個(gè)不對(duì)稱(chēng)信號(hào)被饋送給平面天線5。為了避免鞘波，平衡-不平衡變換器網(wǎng)絡(luò)12是必需的。平衡-不平衡變換器網(wǎng)絡(luò)100包含一個(gè)環(huán)形終端15和另一個(gè)環(huán)形第二終端16。圖2和3也顯示了同軸電纜13的纜芯17。這種平衡-不平衡變換器網(wǎng)絡(luò)100作為同軸陷波器。在終端15和16之間開(kāi)放的λ/4-線顯示了在“損失減少情況”下設(shè)置頻率時(shí)的無(wú)限阻抗。通過(guò)連接終端16與同軸電纜17的中心線之間的對(duì)稱(chēng)天線，在λ/4變換器波段中鞘波可以被忽略。按照經(jīng)驗(yàn)，平衡-不平衡變換器100的直徑被選為同軸線外導(dǎo)體直徑的兩倍。
如圖1所示，平衡-不平衡變換器網(wǎng)絡(luò)100的終端16接觸一個(gè)連接環(huán)19。連接環(huán)19本身被連接到基本上呈放射狀延伸到在基底6的下表面8上的偶極臂的所有偶極臂連接部分21。同軸電纜13的纜芯17與一個(gè)連接環(huán)18相連。連接環(huán)18本身被連接到基本上呈放射狀延伸到在基底6的上表面7上的偶極臂的所有偶極臂連接部分20。
此外，平衡-不平衡變換器100的外終端15具有預(yù)定的高度，該高度約為λ0/4。這個(gè)外終端15與波導(dǎo)管的底板3(短)相連。外終端15與基底6或者那上面的金屬結(jié)構(gòu)沒(méi)有接觸。
需要注意的是，基底6被安置在波導(dǎo)管2內(nèi)，使得基底6的下表面8與波導(dǎo)管的底板3平行。下表面8和底板3之間的距離約為λ/4?；?和底板3之間的間隔可以部分或者全部填充介電材料，如聚四氟乙烯、PDFE或者類(lèi)似材料。
圖4顯示了根據(jù)本發(fā)明的平面天線5的平面圖。這里，上表面7正對(duì)著填充物。平面天線5包含12個(gè)排列在一個(gè)圓周上的偶極臂10。這里，圓的直徑為15mm。偶極臂10的長(zhǎng)度約λ/4，它們沿著圓周彎曲。在基底6的中心區(qū)域設(shè)置有一個(gè)孔，與連接環(huán)18同軸。連接環(huán)18用來(lái)與同軸電纜13的中心線17連接。每個(gè)偶極臂10具有一個(gè)從連接環(huán)18放射狀延伸出來(lái)的偶極連接部分20。連接部分20連接著連接環(huán)18與偶極臂10。每個(gè)連接部分20包含一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)21，這在圖6中有更詳細(xì)的表示。
圖5顯示了圖4的細(xì)節(jié)“X”。如所指出的那樣，偶極臂12被安置在基底6的下表面8上。偶極臂12沿著偶極臂10的相反方向延伸。偶極臂12還包含一個(gè)與連接環(huán)19相連的偶極臂連接部分21，如已經(jīng)在圖1中顯示的那樣。在基底6的下表面8上的偶極臂連接部分21包含一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)21，如圖6所示。偶極臂10和12，以及連接部分20，21的大小是相同的。每個(gè)連接臂10和伴隨著的偶極臂12起到一個(gè)偶極半(dipole half)的作用。因此，如上述圖中所示，根據(jù)本發(fā)明的平面天線5包含12個(gè)偶極。偶極的數(shù)目可能會(huì)變化。也可在基底6的每個(gè)表面7，8上只安置四個(gè)或五個(gè)或者十個(gè)偶極。然而，在每個(gè)表面6，7上也可安置多于十二個(gè)偶極。
如圖6所示，匹配網(wǎng)絡(luò)21包含三個(gè)不同形狀的傳輸線21a，21b，21c。這三個(gè)不同的傳輸線具有不同的寬度W1，W2，W3和三個(gè)不同的長(zhǎng)度L1，L2，L3。總長(zhǎng)度(L1+L2+L3)可與偶極連接部分20的長(zhǎng)度相同。由于本結(jié)構(gòu)的高模式純度，使用了用于激發(fā)結(jié)構(gòu)的匹配網(wǎng)絡(luò)。匹配網(wǎng)絡(luò)21是在偶極的適當(dāng)輸入阻抗基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的。匹配網(wǎng)絡(luò)21提供了一個(gè)兩階變換。首先，偶極輸入阻抗的電抗分量被短傳輸線21c補(bǔ)償。在第二步，通過(guò)使用λ/4-變換器21b獲得較高的實(shí)部輸入阻抗。原則上，也可以使用短路線，但是可能會(huì)打亂整個(gè)組件的絕對(duì)對(duì)稱(chēng)。在制作過(guò)程也可能會(huì)有問(wèn)題。
如上所述，所有偶極臂連接部分20起到匹配網(wǎng)絡(luò)21的作用，這是由于上述的形狀和到在基底4中心的共用連接環(huán)18的分流。連接環(huán)18也可以被稱(chēng)為星點(diǎn)。這里，為了在連接環(huán)18得到50歐姆的總輸入阻抗，每個(gè)偶極的輸入阻抗應(yīng)該被變換為600歐姆。實(shí)際上，連接環(huán)18的輸入阻抗不是直接被變換為50歐姆，因?yàn)樵谖锢砩喜豢赡軐?shí)現(xiàn)傳輸線特征阻抗為600歐姆。作為替代，阻抗首先被變換為28.8歐姆。最終的匹配是由一個(gè)同軸線變換器實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)變換器是用以聚四氟乙烯作為介電材料并具有50歐姆特征阻抗的半剛性電纜來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這條線被移植成長(zhǎng)度為λ/2的空氣線，跟著一個(gè)λ/4λ(空氣)變換器來(lái)獲得對(duì)阻抗為28.8歐姆的共用連接環(huán)18的匹配。這個(gè)線變換器的特征阻抗是由外導(dǎo)體的內(nèi)直徑來(lái)校正的。圖7顯示了此同軸變換器的幾何形狀。
由于很容易實(shí)現(xiàn)同軸線變換器到微帶線結(jié)構(gòu)的傳輸，基底6的兩側(cè)都分布了激發(fā)結(jié)構(gòu)。在基底6的每一側(cè)7，8上都有一組偶極臂10，12。匹配網(wǎng)絡(luò)21也在兩個(gè)表面7，8都被實(shí)現(xiàn)，并且匹配網(wǎng)絡(luò)21以這樣的方式被構(gòu)造根據(jù)對(duì)稱(chēng)傳輸線，這個(gè)結(jié)構(gòu)在基底6的上下表面7，8上是重疊的。而且，此結(jié)構(gòu)的好處在于匹配網(wǎng)絡(luò)21的線路的特征阻抗可以被容易地精確調(diào)整。此激發(fā)結(jié)構(gòu)顯示了在遠(yuǎn)場(chǎng)中優(yōu)良的TE01-模式純度，所以這個(gè)結(jié)構(gòu)也成為具體實(shí)現(xiàn)的優(yōu)良候選。每個(gè)偶極的輸入阻抗的實(shí)部稍低于僅在基底一側(cè)有此結(jié)構(gòu)的情況。匹配網(wǎng)絡(luò)需要相應(yīng)調(diào)整。
如上所述，圖7顯示了圖1中用到的傳輸線。這個(gè)傳輸線包含一個(gè)具有中心線17和外線30的同軸線13。外線30與軸襯16相連，軸襯16具有一個(gè)外螺紋，用于匹配波導(dǎo)管2的底板3中的中心孔的內(nèi)螺紋。環(huán)15被安置在底板3的上方，以起到作為上面提到的平衡-不平衡變換器網(wǎng)絡(luò)與軸襯16連接的作用。軸襯16有一個(gè)連接面16a，用來(lái)與在基底6的下表面8上的金屬微帶結(jié)構(gòu)的連接環(huán)18相連。同軸電纜13的中心線17有一個(gè)連接面17a，用來(lái)與在基底6的上表面7上的金屬激發(fā)結(jié)構(gòu)的連接環(huán)18相連。
這里，一個(gè)偶極環(huán)具有十二個(gè)散射器(radiators)，被替換了的一半偶極和在基底6上下側(cè)面上的對(duì)稱(chēng)饋送。這個(gè)偶極環(huán)由下面的數(shù)據(jù)構(gòu)造。

如上所述，波導(dǎo)管2的直徑被選為24毫米，以防止TE02-模式傳播的可能性。
圖8再次更詳細(xì)地示出了具有連接環(huán)18和連接環(huán)19的基底6中心區(qū)域。連接環(huán)18被安置在基底6的上表面7上，通用連接環(huán)19被安置在基底6的下表面8上。因此，如果同軸電纜13的內(nèi)線的連接面17a與連接環(huán)18相連，則軸襯16的連接面16a就與連接環(huán)19相連。
圖9顯示了根據(jù)本發(fā)明的天線系統(tǒng)的幾個(gè)不同的實(shí)施例。為了附圖的簡(jiǎn)化，僅顯示了基底6和波導(dǎo)管2。在本發(fā)明的第一個(gè)示例性實(shí)施例中，覆蓋層40被直接設(shè)置在基底6上。覆蓋層40是由介電材料構(gòu)成的。在第二個(gè)實(shí)施例中，覆蓋層41被設(shè)置在距基底6有一段距離的地方。在第三和第四個(gè)示例性實(shí)施例中，覆蓋層42，43被設(shè)置在距基底有一段距離的地方，并且具有凸起或者圓錐的形狀。
本發(fā)明的第五和第六示例性實(shí)施例顯示了被設(shè)置在基底6上的覆蓋層44和45。仍然，覆蓋層44和45具有圓錐或者凸起的形狀。
最后一個(gè)實(shí)施例包含一個(gè)具有兩個(gè)或多個(gè)不同層46a，46b的覆蓋層46。外層46b具有凸起或者凹入的形狀。
覆蓋層的材料必須是介電材料，如PTFE。這樣一層的厚度可以是λ/4或者n*λ/4，其中n∈N。
最后，我們參照?qǐng)D10，圖10顯示了根據(jù)本發(fā)明的天線系統(tǒng)1的橫截面示意圖。這里，平面天線5如前面提到的那樣被安置在波導(dǎo)管4內(nèi)。分流管45通過(guò)擴(kuò)口管44與波導(dǎo)管4相連。這個(gè)擴(kuò)口管被用來(lái)使本發(fā)明的天線系統(tǒng)1與直徑比波導(dǎo)管4直徑大的分流管45相匹配。
如果分流管45的直徑小于波導(dǎo)管4，可以在波導(dǎo)管4和分流管45之間插入一個(gè)變窄擴(kuò)口管或一個(gè)圓錐形擴(kuò)口管。
根據(jù)本發(fā)明，半剛性電纜RG 402 UT 141-A-TP可以被用來(lái)連接天線系統(tǒng)1。根據(jù)本發(fā)明用來(lái)激發(fā)TE01-模式的平面天線系統(tǒng)顯示了很好的匹配。波導(dǎo)管直徑的增加或者減少，無(wú)論是通過(guò)階段不均勻性還是圓錐形擴(kuò)口管，原則上都不能激發(fā)高序模式。通過(guò)減小波導(dǎo)管直徑來(lái)避免激發(fā)高序模式可能更為有利。
另一個(gè)衡量模式純度的可能性是通過(guò)分析駐波和因此產(chǎn)生的振幅波動(dòng)，該振幅波動(dòng)由所有激發(fā)模式的重疊引起。這至少?gòu)馁|(zhì)量方面看是可行的，通過(guò)一個(gè)可變的短波導(dǎo)管將平面天線連接到一個(gè)長(zhǎng)的波導(dǎo)管，該長(zhǎng)波導(dǎo)管與短波導(dǎo)管具有相同的直徑。
權(quán)利要求
1.一種用于激發(fā)TE01-模式的電磁波、并適于安放在波導(dǎo)管(2)中的平面天線(1)，包含一個(gè)介電材料構(gòu)成的基底(6)，具有正對(duì)著填充物表面的第一表面(7)和對(duì)著相反方向的第二表面(8)；第一組(9)多個(gè)偶極臂(10)，被安置在一個(gè)具有預(yù)定半徑的圓的圓周上的第一表面(7)或第二表面(8)上；第二組(11)多個(gè)偶極臂(12)，被安置在具有預(yù)定半徑的該圓的圓周上的第一表面(7)或第二表面(8)上；其中第一組(9)偶極臂(10)沿第一方向延伸，第二組(11)偶極臂(12)沿與第一方向相反的方向延伸。
2.如權(quán)利要求1所述的平面天線，其中第一組(9)的偶極臂(10)和第二組(11)的偶極臂(12)具有相同的大小。
3.如權(quán)利要求1或2所述的平面天線，其中第一組(9)和第二組(11)的每個(gè)偶極臂(10，12)的長(zhǎng)度都約為或者小于電磁波波長(zhǎng)的四分之一。
4.如前述任一權(quán)利要求所述的平面天線，其中第一組(9)的每個(gè)偶極臂(10)具有一個(gè)從基底(6)的中心區(qū)域基本呈放射狀延伸的偶極連接部分(20)，第二組(11)的每個(gè)偶極臂(12)具有一個(gè)從基底(6)的中心區(qū)域基本呈放射狀延伸的偶極連接部分(21)。
5.如權(quán)利要求4所述的平面天線，其中第一組(9)偶極臂(10)的偶極連接部分(20)與第一個(gè)共用連接元件(18)相連接，第二組(11)偶極臂(12)的偶極連接部分(21)與第二個(gè)共用連接元件(19)相連接。
6.如權(quán)利要求5所述的平面天線，其中第一個(gè)共用連接元件(18)和第二個(gè)共用連接元件(19)中的至少一個(gè)制成連接環(huán)的形狀。
7.如權(quán)利要求6所述的平面天線，其中第一個(gè)共用連接元件(18)具有第一個(gè)直徑，第二個(gè)共用連接元件(19)具有第二個(gè)直徑，第二個(gè)直徑小于第一個(gè)直徑。
8.如前述任一權(quán)利要求所述的平面天線，其中第一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)(21)被安排在第一組(9)的多個(gè)偶極臂(10)和第一個(gè)饋線(13)之間，第二個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)(21)被安排在第二組(10)的多個(gè)偶極臂(11)和饋線(13)之間。
9.如權(quán)利要求8所述的平面天線，其中匹配網(wǎng)絡(luò)(21)包括多個(gè)不同形狀的傳輸線部分(21a，21b，21c)。
10.如權(quán)利要求8-10中任一項(xiàng)所述的平面天線，其中每個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)(21)包括具有第一個(gè)寬度(W1)的第一傳輸線部分(21a)，具有第二個(gè)寬度(W2)的第二傳輸線部分(21b)，和具有第三個(gè)寬度(W3)的第三傳輸線部分(21c)。
11.如權(quán)利要求10所述的平面天線，其中第一、第二和第三個(gè)傳輸線部分(21a，21b，21c)具有不同的長(zhǎng)度(L1，L2，L3)。
12.如權(quán)利要求4-11中任一項(xiàng)所述的平面天線，其中每個(gè)偶極連接部分包括一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)(21)。
13.如前述任一權(quán)利要求所述的平面天線，其中第一和第二組(9，11)的每個(gè)偶級(jí)臂(10，12)基本上沿圓周的切線方向延伸。
14.如前述任一權(quán)利要求所述的平面天線，其中第一組(9)和第二組(11)的每個(gè)偶級(jí)臂(10，12)沿圓周方向彎曲。
15.如權(quán)利要求1-13中任一項(xiàng)所述的平面天線，其中第一組(9)和第二組(11)的每個(gè)偶級(jí)臂(10，12)被制成直線的形狀。
16.如前述任一權(quán)利要求所述的平面天線，其中第一組(9)和第二組(11)的每個(gè)偶級(jí)臂(10，12)的長(zhǎng)度約為電磁波波長(zhǎng)的四分之一，最好是小于電磁波波長(zhǎng)的四分之一。
17.如前面任一權(quán)利要求所述的平面天線，其中第一組(9)的偶級(jí)臂(10)和第二組(11)的偶級(jí)臂(12)被安置在基底(6)的不同的表面(7，8)上。
18.如前面任一權(quán)利要求所述的平面天線，其中基底(6)的預(yù)定厚度由第一表面(7)和第二表面(8)確定，這個(gè)厚度大約等于或者略大于基底(6)中電磁波波長(zhǎng)的四分之一。
19.如前面任一權(quán)利要求所述的平面天線，其中基底(6)具有低電容率，最好電容率εr＜4。
20.如前面任一權(quán)利要求所述的平面天線，其中第一組(9)的多個(gè)偶級(jí)臂(10)和第二組(11)的多個(gè)偶級(jí)臂(12)用微帶線技術(shù)制造。
21.一種天線系統(tǒng)，包含一個(gè)具有底板(3)和管道部分(4)的圓柱狀波導(dǎo)管(2)；一個(gè)平面天線(1)，該平面天線適用于激發(fā)TE01-模式，并被安置在圓柱狀波導(dǎo)管內(nèi)，這個(gè)平面天線(1)包括一個(gè)介電材料構(gòu)成的基底(6)，具有正對(duì)著填充物表面的第一表面(7)和對(duì)著相反方向的第二表面(8)；第一組(9)多個(gè)偶級(jí)臂(10)，被安置在一個(gè)具有預(yù)定半徑的圓的圓周上的第一表面(7)或第二表面(8)上；第二組(11)多個(gè)偶級(jí)臂(12)，被安置在具有預(yù)定半徑的該圓的圓周上的第一表面(7)或第二表面(8)上；其中第一組(9)偶級(jí)臂(10)沿第一方向延伸，第二組(11)偶級(jí)臂(12)沿與第一方向相反的方向延伸，平面天線(1)的第二表面(8)平行于底板(3)設(shè)置，并有一段距離，從而提供了一段間隔。
22.如權(quán)利要求12所述的天線系統(tǒng)，其中第一組(9)的多個(gè)偶極臂(10)和第二組(11)的多個(gè)偶極臂(12)與一個(gè)不對(duì)稱(chēng)同軸線相連接。
23.如權(quán)利要求21或22所述的天線系統(tǒng)，其中一個(gè)平衡-不平衡變換器網(wǎng)絡(luò)被插入到不對(duì)稱(chēng)同軸線(16，17)以及第一組(9)的多個(gè)偶極臂(10)和第二組(11)的多個(gè)偶極臂(12)之間。
24.如權(quán)利要求21-23中任一項(xiàng)所述的天線系統(tǒng)，其中波導(dǎo)管(2)的底板(3)和基底(6)的第二表面(8)之間的間隔被部分或者全部填充至少一種介電材料，所述介電材料最好是聚四氟乙烯、PTFE或者Rohacell。
25.如權(quán)利要求21-24中任一項(xiàng)所述的天線系統(tǒng)，其中在基底(6)的第一表面(7)上或者前面設(shè)置有覆蓋層(40-45；46a，46b)，所述覆蓋層(40-45；46a，46b)包含至少一種介電材料。
26.如權(quán)利要求25所述的天線系統(tǒng)，其中覆蓋層(40-45；46a，46b)被設(shè)置在波導(dǎo)管(2)內(nèi)，使得在覆蓋層(40-45；46a，46b)和基底(6)的第一表面之間有間隔。
27.如權(quán)利要求25或26所述的天線系統(tǒng)，其中覆蓋層(40-45；46a，46b)具有凸出或者凹入的形狀。
28.如權(quán)利要求25-27中任一項(xiàng)所述的天線系統(tǒng)，其中覆蓋層(40-45；46a，46b)包含兩個(gè)或更多個(gè)不同的介電層。
29.如權(quán)利要求21-28中任一項(xiàng)所述的天線系統(tǒng)，其中基底(6)沒(méi)有表面波激發(fā)。
30.如權(quán)利要求21-29中任一項(xiàng)所述的天線系統(tǒng)，其中天線系統(tǒng)包括如權(quán)利要求1-20中任一項(xiàng)所述的平面天線(1)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種平面天線(1)，用于激發(fā)TE
文檔編號(hào)H01Q9/28GK1662794SQ03814002
公開(kāi)日2005年8月31日 申請(qǐng)日期2003年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月16日
發(fā)明者于爾根·莫策, 沃爾夫?qū)が斃諣? 弗瑞德瑞奇·蘭德斯多弗爾 申請(qǐng)人:Vega格里沙貝兩合公司