CH633915A5 - Mikrowellenantenne. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Mikrowellenantenne mit einem sich exponentiell erweiternden Horn von rundem Austrittsquerschnitt.

Auf bestimmten Anwendungsgebieten bestehen Probleme hinsichtlich der Befestigung und räumlichen Unterbringung solcher Mikrowellenantennen. Dies gilt beispielsweise dann, wenn die Mikrowellenantenne als Messfühler für die Füllstandmessung an einem Behälter montiert werden soll. In diesem Fall muss die Hornmündung an der Behälterwand gegenüber einer darin angebrachten Öffnung befestigt werden. Dies geschieht gewöhnlich mittels eines Flansches oder eines Einschraubstücks. Diese Art der Befestigung ist jedoch im allgemeinen nur dann möglich, wenn die Hornmündung einen runden Austrittsquerschnitt hat.

Wegen des oft beschränkten verfügbaren Raums wird ferner eine möglichst kurze Baulänge der Mikrowellenantenne gefordert. Zu diesem Zweck ist es bekannt, unmittelbar am Horneingang einen Mikrowellenoszillator, beispielsweise einen Gunndioden-Oszillator, anzuordnen, der direkt mit dem Horn gekoppelt ist. Da derartige Oszillatoren gewöhnlich einen aus einem Rechteck-Hohlleiter gebildeten Resonator aufweisen, erfordert diese Bauweise den Anschluss eines Horns mit Rechteckquerschnitt, der jedoch, wie zuvor erläutert, für die Befestigung mittels Flansch oder Einschraubstück schlecht geeignet ist.

Es sind zwar Übergangsstücke bekannt, die einen Übergang von einem Rechteckhohlleiter zu einem runden Hornquerschnitt ergeben, doch müssen solche Übergangsstücke eine Länge von einer bis zwei Wellenlängen haben, um eine reflexionsfreie Anpassung zu gewährleisten. Die Verwendung eines solchen Übergangsstücks würde also die Baulänge wieder beträchtlich vergrössern.

Wenn die Mikrowellenantenne für eine Mikrowellenschranke verwendet wird, beispielsweise für Zählzwecke, muss sie frei aufstellbar sein. Damit die gleiche Mikrowellenantenne vielseitig verwendbar ist, ist es daher erwünscht, sie so auszubilden, dass sie ausser für die Flanschbefestigung auch für eine freie Aufstellung geeignet ist.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Mikrowellenantenne mit einem sich exponentiell erweiternden Horn, die bei sehr kurzer Baulänge den unmittelbaren Anschluss eines Mikrowellenoszillators mit rechteckigem Austrittsquerschnitt erlaubt und sowohl für die Flanschbefestigung als auch für die freie Aufstellung geeignet ist.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Eintrittsöffnung des Horns einen Rechteckquerschnitt hat und dass in einem Übergangsbereich von der Eintrittsöffnung bis zu der Stelle, an welcher der runde Hornquerschnitt den Rechteckquerschnitt umschreibt, jeder Querschnitt des Horns der Vereinigung des sich exponentiell erweiternden runden Querschnitts und des Rechteckquerschnitts entspricht.

Bei der Mikrowellenantenne nach der Erfindung erfolgt der Übergang vom Rechteckquerschnitt zum runden Querschnitt innerhalb des Horns selbst, also innerhalb der Baulänge eines vergleichbaren Horns mit gleichbleibender Querschnittsform. Es wurde festgestellt, dass die angegebene allmähliche Änderung der Querschnittsform eine reflexionsfreie Anpassung ergibt, die nicht zur Entstehung störender Wellenformen führt. Auf diese Weise ist es möglich, an einen Hornstrahler mit rundem Austrittsquerschnitt unmittelbar einen Mikrowellenoszillator anzukoppeln der einen rechteckigen Eintrittsquerschnitt erfordert. Dadurch lässt sich eine Mikrowellenantenne mit angebautem Oszillator realisieren, die bei sehr kurzem Aufbau eine gute Bündelung ergibt.

Ferner lässt sich die angegebene Form des Horns auch giesstechnisch einfach realisieren, so dass die ganze Mikrowellenantenne als einstückiges Gussteil hergestellt werden kann.

Vorzugsweise ist an die Eintrittsseite des Horns eine Kammer für die Aufnahme eines Mikrowellenoszillators angeformt.

Infolge des runden Austrittsquerschnitts kann die Mikrowellenantenne an einer Wand so montiert werden, dass die Hornmündung an der Wand anliegt. Zu diesem Zweck ist vorzugsweise an der Hornmündung ein Randflansch angeformt; die Befestigung des Horns an einer vor der Hornmündung liegenden Wand geschieht dann durch einen am Randflansch angreifenden Klemmring.

Andererseits ist es möglich, die gleiche Mikrowellenantenne einschliesslich des angebauten Mikrowellenoszillators auch freistehend zu montieren; zu diesem Zweck ist vorzugsweise an der für die Aufnahme des Mikrowellenoszillators angeformten Kammer ein Fuss angebracht.

In manchen Anwendungsfällen wird ein Horn mit grösserem Gewinn benötigt, beispielsweise im Falle der Füllstandmessung dann, wenn die Ansatzbildung ein Problem darstellt. Bei der beschriebenen Ausbildung der Mikrowellenantenne kann dies leicht durch einen am Randflansch befestigbaren Verlängerungstrichter erreicht werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen axialen Längsschnitt durch die Mikrowellenantenne nach der Erfindung, wobei der Schnitt in der Ebene I-I von Fig. 2 liegt,

Fig. 2 eine Seitenansicht der Antenne von Fig. 1, die in der unteren Hälfte in der Ebene II-II von Fig. 1 geschnitten ist, Fig. 3 eine Stirnansicht der Antenne von Fig. 1 und 2, Fig. 4 einen Querschnitt durch das Horn in der Ebene E-F von Fig. 1 und 2,

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Fig. 5 einen Querschnitt durch das Horn in der Ebene G-H von Fig. 1 und 2,

Fig. 6 einen Querschnitt durch das Horn in der Ebene K-L von Fig. 1 und 2,

Fig. 7 eine Seitenansicht der Antenne mit Darstellung einer Flanschbefestigung und

Fig. 8 die Antenne mit einem am Horn angebrachten Verlängerungstrichter.

Die in Fig. 1 und 2 der Zeichnung dargestellte Mikrowellenantenne 1 ist ein einstückiges Guss- oder Formteil, dessen Hauptteil ein sich exponentiell erweiterndes Horn 2 ist, an dessen Eintrittsseite eine kreisrunde, an der Rückseite offene Kammer 3 und an dessen Austrittsseite ein gleichfalls kreisrunder Randflansch 4 angeformt ist. Vier im rechten Winkel zueinander angeordnete Längsstege 5 erstrecken sich von der radialen Abschlusswand 6 der Kammer 3 in axialer Richtung entlang der Aussenseite des Horns 2; diese Längsstege dienen zur Versteifung des Horns.

Das eigentliche Horn 2 erstreckt sich von einer Eintrittsebene A-B, die mit der Aussenfläche der Abschlusswand 6 der Kammer 3 zusammenfällt, bis zu einer Austrittsebene C-D (Fig. 2). Die in der Austrittsebene C-D liegende Mündung 7 des Horns hat einen kreisrunden Querschnitt QA, wie Fig. 3 erkennen lässt; dagegen hat die in der Eintrittsebene A-B liegende Eintrittsöffnung 8 des Horns 2, die durch eine Durchbrechung in der Abschlusswand 6 gebildet ist, einen Rechteckquerschnitt R, der gleichfalls in der Stirnansicht von Fig. 3 zu erkennen ist.

Wenn hier und in der folgenden Beschreibung vom «Querschnitt» des Hornstrahlers die Rede ist, so ist damit stets der senkrecht zur Hornachse stehende, von den Hornwänden begrenzte Querschnitt des freien Innenraums gemeint.

Man kann somit in der Längsrichtung des Hornstrahlers zwei unterschiedliche Bereiche definieren, die voneinander durch eine Ebene M-N getrennt sind:

- In dem Bereich zwischen der Ebene M-N und der Austrittsebene C-D hat der Hornstrahler an allen Stellen einen kreisrunden Querschnitt Q, dessen Durchmesser nach einer Exponentialfunktion bis zum Austrittsquerschnitt QA zunimmt;

- in dem Bereich zwischen der Eintrittsebene A-B und der Ebene M-N findet ein allmählicher Übergang von dem Rechteckquerschnitt R der Eintrittsöffnung zu dem kreisrunden Querschnitt Q statt.

Die Ebene M-N liegt an der Stelle, an welcher der kreisrunde Querschnitt Q den Rechteckquerschnitt R gerade umschreibt.

Würde man den kreisrunden Querschnitt Q gleichmässig mit exponentieller Verjüngung bis zur Eintrittsebene A-B verlängern, so bestünde dort der in Fig. 3 angedeutete Kreisquerschnitt Qe, der gerade in den Rechteckquerschnitt R eingeschrieben wäre und die beiden Breitseiten des Rechteckquerschnitts jeweils in deren Mitte tangieren würden.

Im Übergangsbereich zwischen den Ebenen A-B und M-N folgt jeder Querschnitt des Hornstrahlers den Umrissen des durch die exponentielle Erweiterung an dieser Stelle bestehenden Kreisquerschnitts Q, soweit dieser ausserhalb des Rechteckquerschnitts R liegt, während er den Umrissen des Rechteckquerschnitts R folgt, soweit dieser ausserhalb des Kreisquerschnitts Q liegt. Der Gesamtquerschnitt entspricht somit an jeder Stelle des Übergangsbereichs der Vereinigung des Rechteckquerschnitts R und des Kreisquerschnitts Q.

Die Form des Horns 2 in diesem Übergangsbereich gleicht somit, ausgehend von der Eintrittsöffnung 8, zunächst weitgehend der Form eines Rechteckhohlleiters, dessen Breitseiten 9 eine sich zur Mündung 7 hin keilförmig erweiternde, nach aussen gewölbte Rundung 10 aufweisen, während die Schmalseiten 11 über den grössten Teil der Länge des Übergangsbereichs ihre ebene Form beibehalten und erst kurz vor der

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Ebene M-N über nach aussen gewölbte Rundungen 12 in den runden Querschnitt Q des Horns 2 einmünden.

Man erkennt in der Schnittansicht von Fig. 4, die in der Ebene E-F von Fig. 2 liegt, die noch vollständig bestehenden Schmalseiten 11 des Rechteckquerschnitts R, die noch bestehenden ebenen Abschnitte der Breitseiten 9 und die kreisrunden Auswölbungen 10, die den ausserhalb des Rechteckquerschnitts R liegenden Abschnitten des Kreisquerschnitts Q an den beiden Breitseiten 9 entsprechen. In der Schnittansicht von Fig. 5, die in der Ebene G-H liegt, sind die Breitseiten 9 fast vollständig in die Auswölbung 10 aufgegangen, und der kreisrunde Querschnitt Q schneidet auch die Schmalseiten 11. An den Schmalseiten 11 bestehen somit gleichfalls nach aussen gerichtete kreisrunde Aus Wölbungen 12, die schliesslich in der Ebene M-N gemeinsam mit den Auswölbungen 10 in einen geschlossenen Kreisquerschnitt übergehen.

In der Schnittansicht von Fig. 6, die in der Ebene K-L liegt, hat das Horn vollständig den kreisrunden Querschnitt Q angenommen, der nunmehr grösser als der Rechteckquerschnitt R ist.

Die beschriebene Ausbildung des Hornstrahlers ermöglicht innerhalb der Baulänge eines normalen Hornstrahlers einen Übergang von einem Rechteckquerschnitt zu einem Kreisquerschnitt, der eine reflexionsfreie Anpassung ergibt und nicht zur Entstehung unerwünschter Wellenformen führt. Es kann dadurch mit sehr kurzem Aufbau eine runde Apertur mit grosser Bündelung erzielt werden. Ferner ist diese Form des Hornstrahlers auch leicht durch Giessen herzustellen.

In der Kammer 3 kann ein Mikrowellen-Oszillator mit Rechteck-Resonatorhohlraum untergebracht werden, der dann über die rechteckige Eintrittsöffnung 8 direkt mit dem Horn 2 gekoppelt ist. Die zugehörige Elektronik kann in einem Gehäuse 13 untergebracht werden, das an der offenen Rückseite der Kammer 3 befestigt wird, wie in Fig. 7 angedeutet ist.

An der Kammer 3 kann ein Fuss 14 angebracht sein, mit dem die ganze Mikrowellenantenne einschliesslich des in der Kammer 3 untergebrachten Mikrowellen-Oszillators auf einem Sockel befestigt werden kann. Diese Befestigungsart ist besonders dann günstig, wenn die Mikrowellenantenne als Bestandteil einer Mikrowellenschranke freistehend aufgestellt werden soll.

In anderen Anwendungsfällen, beispielsweise für die Füllstandmessung in Behältern, ist es erforderlich, die Mikrowellenantenne so anzubringen, dass die Mündung des Horns einer Öffnung in einer Wand gegenüberliegt. In Fig. 7 ist dargestellt, wie die Befestigung der zuvor beschriebenen Mikrowellenantenne in diesem Fall erfolgen kann. Diese Figur zeigt die Wand 15 eines Behälters, in der eine Öffnung 16 angebracht ist. An der Aussenfläche der Wand 15, die eben oder gekrümmt sein kann, ist ein zylindrischer Befestigungsstutzen 17 rings um die Öffnung 16 angeschweisst. Am Befestigungsstutzen 17 ist ein radial abstehender Flansch 18 angeformt, in dem mehrere um den Umfang verteilte Bohrungen 19 angebracht sind. Die der Wand 15 abgewandte Stirnfläche 20 des Befestigungsstutzens 17 ist eben und hat einen Aussendurchmesser, der mindestens gleich dem Aussendurchmesser des Randflansches 4 ist. Am Umfang des Randflansches 4 ist ein axial nach vorn ragender Umfangsrand 21 angeformt, der eine vor der Hornmündung liegende flache kreisrunde Ausnehmung 22 umgibt. Die Mikrowellenantenne wird mit der Stirnfläche des Umfangsran-des 21 an die Stirnfläche 20 des Befestigungsstutzens 17 angesetzt. Die Befestigung erfolgt mit Hilfe eines an der Rückseite des Ringflansches 4 anliegenden Klemmrings 23, der mittels Schraubenbolzen 24, die durch Bohrungen 25 im Klemmring 23 und durch die Bohrungen 19 im Flansch 18 gesteckt sind, und darauf aufgeschraubter Muttern 26 gegen den Flansch 18 gezogen wird und dadurch den Umfangsrand 21 gegen die Stirnfläche 20 presst.

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Falls eine Abdichtung zwischen dem Innenraum des Behälters und der Mikrowellenantenne erforderlich ist, kann in die Ausnehmung 22 ein für die Mikrowellen durchlässiges rundes Fenster 27, beispielsweise eine Scheibe aus Polytetrafluoräthy-len, unter Einfügung eines Dichtrings 28 eingesetzt werden. Ein Haltering 29 hält die Scheibe 27 in der Ausnehmung 22 und erzeugt den erforderlichen Anpressdruck für den Dichtring 28. Der Haltering 29 ist durch nicht gezeigte Senkkopfschrauben, die in Gewindebohrungen 30 im Randflansch 4 eingeschraubt sind, in der Ausnehmung 22 befestigt.

In manchen Fällen wird ein Horn mit grösserem Gewinn benötigt. Für diesen Zweck kann ein Verlängerungstrichter 31 vorgesehen sein (Fig. 8), der gleichfalls einen kreisrunden Querschnitt hat. Der Verlängerungstrichter 31 hat am hinteren Ende

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einen Flansch 32, der in die Ausnehmung 22 passt und mit dem Randflansch 4 durch Schrauben verbunden werden kann, die in die Gewindelöcher 30 (Fig. 3) eingeschraubt werden, die im Randflansch 4 angebracht sind. Am Austrittsende hat der Ver-

5 längerungstrichter 30 einen ringförmigen Umfangsflansch 33, der wiederum, falls erwünscht, die Befestigung an einer Wand in der in Fig. 7 gezeigten Weise erlaubt. Es ist nicht erforderlich, dass sich der Verlängerungstrichter 31 exponentiell erweitert; es genügt eine lineare Erweiterung in Form eines geraden io Kreiskegels.

Falls erwünscht, kann das in Fig. 7 gezeigte Fenster 23 auch zwischen den Randflansch 4 und den Flansch 32 des Verlängerungstrichters 31 eingesetzt werden.

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4 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

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1. Mikrowellenantenne mit einem sich exponentiell erweiternden Horn von rundem Austrittsquerschnitt, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsöffnung des Horns einen Rechteckquerschnitt hat und dass in einem Übergangsbereich von der Eintrittsöffnung bis zu der Stelle, an welcher der runde Hornquerschnitt den Rechteckquerschnitt umschreibt, jeder Querschnitt des Horns der Vereinigung des sich exponentiell erweiternden runden Querschnitts und des Rechteckquerschnitts entspricht.

2. Mikrowellenantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an die Eintrittsseite des Horns eine Kammer für die Aufnahme eines Mikrowellenoszillators angeformt ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Mikrowellenantenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der Kammer ein Fuss zur Befestigung der aus Mikrowellenoszillator und Horn bestehenden Baugruppe angebracht ist.

4. Mikrowellenantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an der Hornmündung ein Randflansch angeformt ist.

5. Mikrowellenantenne nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen am Randflansch angreifenden Klemmring zur Befestigung des Horns an einer Wand.

6. Mikrowellenantenne nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen am Randflansch befestigbaren Verlängerungstrichter.

7. Mikrowellenantenne nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an den Randflansch ein Umfangsrand angeformt ist, der eine flache Ausnehmung umgibt, und dass in die flache Ausnehmung ein für Mikrowellen durchlässiges Fenster eingesetzt ist.

8. Mikrowellenantenne nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Fenster eine Scheibe aus Polytetrafluoräthy-len ist.