[发明专利]介质天线

说明书

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。