CN102437424B - 配有盖板的平面天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于雷达液位计或微波屏障的平面天线(10、20、30、40、50)，包含至少一个布置在基体(101)之上的平面辐射元件(102)和由电介质构成的用来覆盖平面辐射元件(102)的盖板(301、401、501、601、701、801)；根据本发明具有以下设置，即，盖板(301、401、501、601、701、801)在平面辐射元件(102)的区域内具有空腔(302)，由平面辐射元件(102)产生的微波入射到此空腔(302)内，并且为了支撑施加在盖板(301、401、501、601、701、801)的压力，盖板(301、401、501、601、701、801)至少在空腔(302)的边界区域(303、403、503、603、703、803)内齐平地平放在基体(101)上。

Description

配有盖板的平面天线
技术领域
本发明涉及一种用于雷达液位计(Füllstandradar)或者微波屏障(Mikrowellenschranke)的平面天线。
背景技术
从DE19800306A1中公知了一种用于雷达液位计的平面天线，在这种平面天线中，借助于布置在基体上的平面辐射元件(贴片天线)在波导体的端侧面终端实现轴向的HF耦合。
在水平技术中有以下的应用：在此应用中可出现高温或者高压，并且平面天线也可承受侵蚀性化学环境。
因此在现有技术中，布置在基体上的平面辐射元件被由陶瓷或者PTFE(聚四氟乙烯，例如特氟隆)构成的板遮盖，以特别达到足够的化学稳定性。这类平面天线在图12中概要地示出。据此，在作为基体的线路板101上布置了平面辐射元件102，并且由PTFE盖板齐平地遮盖。但是由此使单个平面辐射元件HF特性受到了非常负面的影响，特别是只具备很小的频宽。此外，盖板对贴片几何形状也有很大的影响。
为了改善天线的HF特性和化学稳定性，WO2007/124860A1提出，将平面辐射元件直接安装在这类盖板的背面上，该盖板从过程隔离上来说，将平面天线的外部区域和其内部区域分离，其中，这类盖板由陶瓷或者玻璃制成。通过辐射元件的这种布置可在天线内部实现相对环境，即过程环境的高密封性。缺点却在于陶瓷或者玻璃的运用，因为特别是在关于装配和必需的密封措施中，陶瓷或者玻璃会在制造中导致高成本。
最后，以下也是公知的，将盖板布置在距离平面辐射元件微波波长一半的距离上或者数倍于微波长的距离上。但是这个会导致压力负荷能力剧烈减小，并且因此又必须不利地使用较硬并且更抗压力的材料诸如玻璃或者陶瓷，从而如上面已经实施的，这种平面天线的制造成本又显著地提高。
发明内容
本发明任务在于，说明一种开头提出的平面天线，此天线具有简单的结构，并且由此可简单地制造，而不具有上述的缺点。特别是这类平面天线应该可以承受高过程压力。
本发明的任务通过具有以下特征的平面天线解决，即：一种用于雷达液位计或微波屏障的平面天线，包括：基体上规则排列的平面辐射元件，和由电介质构成的用来覆盖所述平面辐射元件的盖板，其特征在于，所述盖板在所述平面辐射元件的区域内具有空腔，由所述平面辐射元件产生的微波耦入到此空腔内，和为了支撑施加在所述盖板上的压力，所述盖板至少在所述空腔的边界区域内齐平地平放在所述基体上，其中设置在所述盖板内的所述空腔在构成在所述空腔之间延伸的隔板型结构的情况下，按照与所述辐射元件的规则排列相对应的方式布置。
用于雷达液位计或者微波屏障的这类水平天线包含至少一个布置在基体上的平面辐射元件和一个由电介质构成的用来覆盖平面辐射元件的盖板。这类水平天线根据本发明设置如下：盖板在至少一个平面辐射元件区域内具有空腔，由平面辐射元件生成的微波耦入到此空腔内，并且为了支撑施加在盖板上的压力，至少在空腔的边界区域内，将盖板齐平地平放在基体上。
通过盖板内的空腔可将平面辐射元件以以下方式构造并且最佳化，即，就像该元件将生成的微波直接辐射到空气中一样。由此实现了更高的频宽。
将盖板支撑在基体上，即在空腔的边界区域上方支撑盖板(特别是在设置有多个空腔时，该边界区域以隔板的形式构造在这些空腔之间)，导致压力载荷的升高，因为通过支撑的边界区域或者通过构造在多个空腔之间的隔板将压力引到基体上。
这类例如由塑料制造的盖板可借助于加压浇铸法简单地制造。
根据本发明的一个有益的改造方案，盖板在空腔区域内，在关于基体正交的方向上具有以下的厚度，此厚度相当于生成的微波的一半波长，或者相当于生成的微波的一半波长的整数倍。由此形成从空腔出来到根据本发明的平面天线周围的过渡，此过渡具有最大的反射衰减和最小的穿透衰减。
在本发明的另外一个设计方案中，盖板在空腔区域内具有介电装置，用于波束成形由平面辐射元件生成的微波。优选将这个介电装置以以下方式构造为透镜，即在微波的辐射方向上，将盖板的表面构造为凸形或者凹形。使用这种介电透镜，对于辐射元件可改善辐射特性。此外还实现了以下效果：在盖板的表面上产生的冷凝物可更好地滴落在透镜的尖端或者边缘，并且因此不能在微波的光路上生成反射或衰减。在这个位置上反射会导致升高的“天线按铃”，这种天线按铃减小雷达液位计在附近区域的灵敏性，并且由此测量可能提前取消。由此，在这个位置上的衰减会减小整个测量区域的敏感性。
在本发明的一个也被有益的设计方案中，为了构成喇叭天线(Hornantenne)将空腔构造为天线喇叭(Antennenhorn)，其中天线喇叭的内部表面优选是可导电的，特别构造为金属化(Metallisierung)。在此还额外实现了平面辐射元件辐射的捆绑和平面天线的辐射特性的副波瓣的减小。
当根据本发明的一个改进方案应用用来在空腔中构成天线喇叭的喇叭天线插入物时，在空腔中制造这种喇叭天线是特别简单的。优选这种喇叭天线插入物可由金属化的(metallisiert)塑料或者可完全由金属制造。
在使用平面辐射元件陈列时，通过每个所属作为天线喇叭的空腔设计方案达到单个辐射元件的退耦。
在本发明的另外一个设计方案中，空腔构造为圆筒形，或者构造为以多角形为底面的柱形。
此外，根据本发明的一个改善方案，以下是特别有益的：在基体上没置平面辐射元件的有规律的排列，并且将没置在盖板内的空腔遵照辐射元件的有规律的布置而布置。
最后，根据本发明的一个设计方案设置如下：盖板由聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯(PP)或者聚醚醚酮(PEEK)制造，由此达到高化学稳定性。此外，这类材料可借助于加压浇铸法简单地加工，从而可低成本地制造这种配有根据本发明的空腔的盖板。
制造由铝陶瓷(Al2O3)构成的盖板同样导致高化学稳定性和额外的高机械负荷能力。
附图说明
后面借助附图所示的实施例详细地描述本发明。示出：
图1作为第一个实施例的根据本发明平面天线的透视剖视图；
图2按照图1的平面天线的天线陈列的透视图；
图3从下方看按照图1的平面天线的盖板的透视图；
图4按照图1的平面天线的单个辐射元件的剖视图；
图5作为第二个实施例的根据本发明的配有凸形介电透镜的平面天线的透视剖视图；
图6按照图5的平面天线的单个辐射元件的剖视图；
图7配有凹形介电透镜的平面天线的单个辐射元件的剖视图；
图8作为第三个实施例，根据本发明的平面天线的透视剖视图，该平面天线的空腔分别构造为天线喇叭；
图9按照图8的平面天线的单个辐射元件的剖视图；
图10作为第四个实施例，根据本发明的按照图8的平面天线的透视剖视图，此平面天线的盖板具有凸形透镜；
图11作为第五个实施例，根据本发明的按照图8的平面天线的透视剖视图，此平面天线的盖板具有凹形透镜；
图12根据现有技术的平面天线的剖视图；
图13根据本发明的平面辐射元件的天线曲线图，和作为对比的根据现有技术的平面辐射元件的天线曲线图；以及
图14根据本发明配有多个平面辐射元件的平面天线的曲线图以及作为对比根据现有技术的平面天线的曲面图。
具体实施方式
在图1至12中同样的或者具有功能相同的部件使用一致的附图标记。
图1至图4在不同的示意图中示出第一个实施例。根据图1的平面天线10包含基体101，此基体101根据图2具有多行有规律地布置的平面辐射元件102(贴片天线)；以及盖板301，其下侧面遵照图3的视图，具有用于单个辐射元件102的圆筒形的空腔302，从而使每个单个辐射元件102处于一个空腔302中，如从图1中看到的一样。
处于空腔302之间的区域303具有隔板型结构，并且根据图3齐平地位于基体101上，从而由此实现了对施加在盖板301上的压力的支撑，其中，基体101自身可支撑在布置在后面的板材或凸缘304上。
在后面描述的实施例中，在相应附图中，简明起见省略了这种板材304或凸缘304的示图。
空腔302区域内剩余的盖板301厚度在根据图1的示图中为由辐射元件102生成的微波波长的一半，或者此微波波长的数倍。
平面天线20的按照图5的第二个实施例是遵照图1中的那个平面天线构造的，但是区别于那个平面天线，此平面天线20包含盖板401，此盖板401的表面分别在空腔302的区域内具有凸形突起，从而如特别从图6中可见的，作为介电透镜402用于每个辐射元件102中的这种凸形突起用来改善其辐射特性。在这个实施例中根据图5和图6中，构造在空腔302之间的盖板401的部分403构造为隔板形，由此可使盖板403通过这个隔板形的部分403支撑在基体101上。
按照图13的曲线图示出，与根据现有技术的平面辐射元件的用连续线条示出的天线方向曲线图相比，用24GHz的3D场模拟程序建立的由虚线示出的根据图6构造的单个辐射元件102的天线方向曲线图，由此可识别，根据本发明的平面辐射元件102的天线方向曲线图相对于根据现有技术的辐射元件的天线方向曲线图示出升高大约3dB的天线增益，并且此外也减少了关于主辐射的副波瓣。
模拟根据本发明的根据图5具有5x5辐射元件102陈列的平面天线20，与相应的根据现有技术的平面天线相比，同样也导致更好的成绩，如按照图14的曲线所示。这样，用虚线示出的根据本发明平面天线20的天线方向曲线图相对于用连通线示出的根据现有技术的平面天线的天线方向曲线图，同样示出升高大约3dB的天线增益，其中，相对于主波瓣，天线方向曲线图K1的副波瓣比天线方向曲线图K2中的副波瓣小2至10dB。
盖板401根据图5也可构造为具有凹形形状的介电透镜，如在图7中所示。在图7中示出单个辐射元件102区域内的盖板501，此盖板501的表面在空腔302中调节为凹形的，并且由此作为电解质透镜502用在辐射元件102中，同样为了改善这个辐射元件102的辐射特性。盖板501又通过延伸在空腔302之间的隔板型结构503支撑在基体或者线路板101上。
本发明的平面天线30的第三个实施例根据图8和图9在结构上又相当于按照图1的那个平面天线，此平面天线的盖板601却具有空腔302，这些空腔分别构造为天线喇叭602，从而与各自的辐射元件102一起产生喇叭形天线的效果。这个盖板601也用延伸在空腔302之间的隔板型结构支撑在基体102或者线路板101上。
这个天线喇叭借助于可插入在空腔302内的喇叭形天线插入物602构成，此插入物60具有可导电的表面。为此，这个喇叭形天线插入物602由金属或者金属化的塑料制造成。为了获得大小相当于按照图1的平面天线的空腔大小的空腔302，选择盖板601的每个空腔302的直径大于根据图1的盖板301的空腔302的直径。
对天线喇叭来说，具有这样构造的空腔302实现单个辐射元件的额外的捆绑。此外，除了在平面天线30的天线特性中减小了副波瓣，通过在空腔302中使用所谓的“小喇叭形天线”还实现了单个辐射元件102的更好的脱耦。
水平天线40的第四个实施例按照图10遵照根据图8的平面天线30，建造了分别构造为天线喇叭的空腔302，但是具有以下区别，盖板701的表面在空腔302的区域内具有凸形突起，此突起遵照平面天线20(图5)的盖板401用于由辐射元件102产生的微波辐射的电解质透镜702。延伸在空腔302之间的支撑盖板701的隔板型结构用附图标记703表示。
平面天线50的第五个和最后一个实施例相当于根据图10的平面天线40，但是具有以下区别：盖板801的表面在空腔302的区域内具有凹形突起，此凹形突起对于由辐射元件102生成的微波辐射产生具有凹形平面的介电透镜802的效果。延伸在空腔302之间的隔板型结构803又用来将盖板801支撑在基体101上。
构造在根据本发明的盖板401、501、701和801(图5、6、7、10和11)上的介电透镜401、502、702和802不仅促使辐射特性的改善，而且还使在这个盖板的表面上产生的冷凝物可更好地滴落在这种透镜的尖端或者边缘。
根据本发明的盖板401、501、601、701和801可借助于加压浇铸法，例如由PTFE(聚四氟乙烯，商品名为特氟隆)、PP(聚丙烯)或者PEEK(聚醚醚酮)以简单并且因此低成本的方式制造。也可由Al2O3(氧化铝陶瓷)制造这种盖板，以实现特别高的化学稳定性。
附图标记列表
10平面天线(第一个实施例)
20平面天线(第二个实施例)
30平面天线(第三个实施例)
40平面天线(第四个实施例)
50平面天线(第五个实施例)
101基体，线路板
102平面辐射元件(贴片天线)
201盖板(现有技术)
301盖板
302空腔
303盖板301的支撑部分
304板材
401盖板
402具有凸形形状的介电透镜
403盖板401的支撑部分
501盖板
502具有凹形形状的介电透镜
503盖板501的支撑部分
601盖板
602喇叭形天线插入物
603盖板601的支撑部分
701盖板
702具有凸形形状的介电透镜
703盖板701的支撑部分
801盖板
802具有凹形形状的介电透镜
803盖板801的支撑部分

Claims (15)

1.一种用于雷达液位计或微波屏障的平面天线(10、20、30、40、50)，包括：
-基体(101)上规则排列的各平面辐射元件(102)，和
-由电介质构成的用来覆盖所述平面辐射元件(102)的盖板(301、401、501、601、701、801)，
其特征在于，
-所述盖板(301、401、501、601、701、801)在所述各平面辐射元件(102)的区域内具有空腔(302)，由所述平面辐射元件(102)产生的微波耦入到此空腔(302)内，和
-为了支撑施加在所述盖板(301、401、501、601、701、801)上的压力，所述盖板(301、401、501、601、701、801)至少在所述空腔(302)的边界区域(303、403、503、603、703、803)内齐平地平放在所述基体(101)上，其中；
-设置在所述盖板(301、401、501、601、701、801)内的所述空腔(302)在构成在所述空腔(302)之间延伸的隔板型结构(303、403、503、603、703、803)的情况下，按照与所述辐射元件(102)的规则排列相对应的方式布置。
2.按照权利要求1所述的平面天线(10、20、30、40、50)，
其特征在于，
在相对于所述基体(101)的正交方向上，所述盖板(301、401、501、601、701、801)在所述空腔(302)的区域内具有的厚度对应于所产生的微波的半波长或者半波长的整数倍。
3.按照权利要求1或2所述的平面天线(10、20、30、40、50)，
其特征在于，
所述盖板(401、501、701、801)在所述空腔(302)上方的区域内具有介电装置(402、502、702、802)，用于对由所述平面辐射元件(102)生成的微波进行波束成形。
4.按照权利要求3所述的平面天线(10、20、30、40、50)，
其特征在于，
所述介电装置(402、502、702、802)构造为透镜。
5.按照权利要求4所述的平面天线(10、20、30、40、50)，
其特征在于，
为了在所述微波的辐射方向上构成所述透镜(402、702)，所述盖板(401、701)的表面构造为凸形的。
6.按照权利要求4所述的平面天线(10、20、30、40、50)，
其特征在于，
为了在所述微波的辐射方向上构成所述透镜(502、802)，所述盖板(501、801)的表面构造为凹形的。
7.按照权利要求1或2所述的平面天线(10、20、30、40、50)，
其特征在于，
所述空腔(302)被构造为天线喇叭(602)以构成喇叭天线，。
8.按照权利要求7所述的平面天线(10、20、30、40、50)，
其特征在于，
所述天线喇叭(602)的内表面是能导电的。
9.按照权利要求8所述的平面天线(10、20、30、40、50)，
其特征在于，
所述天线喇叭(602)的内表面以金属化构造。
10.按照权利要求7所述的平面天线(10、20、30、40、50)，
其特征在于，
设置有喇叭天线插入物(602)，此喇叭天线插入物(602)为了构成所述天线喇叭而插入到所述空腔(302)中。
11.按照权利要求10所述的平面天线(10、20、30、40、50)，
其特征在于，
所述喇叭天线插入物(602)由金属化的塑料或者由金属制成。
12.按照权利要求1或2所述的平面天线(10、20、30、40、50)，
其特征在于，
所述空腔(302)构造为圆筒形。
13.按照权利要求1或2所述的平面天线(10、20、30、40、50)，
其特征在于，
所述空腔(302)构造为以多面形为底面的柱形。
14.按照权利要求1或2所述的平面天线(10、20、30、40、50)，
其特征在于，
所述盖板(301、401、501、601、701、801)由聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯(PP)或者聚醚醚酮(PEEK)制成。
15.按照权利要求1或2所述的平面天线(10、20、30、40、50)，
其特征在于，
所述盖板(301、401、501、601、701、801)由氧化铝陶瓷(Al2O3)制成。
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