CN1476652A - 雷达设备的喇叭形天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于雷达填充高度测量设备的喇叭形天线，其包括一个含有一个用于该天线的可膨胀的腔(4)的天线护罩(3)，腔中设置至少部分地填充天线腔(4)的填充材料(10)。所述天线还包括一个用绝缘材料制成的包围该天线护罩(3)的外表面并且封闭该天线腔(4)的开口(3a)的外壳(10，20)。

Description

雷达设备的喇叭形天线

技术领域

本发明涉及用于雷达设备例如雷达填充高度测量设备的喇叭形天线。通过这种已经长期知道的并且在以英语为母语的技术文献中称为“喇叭形天线”或“锥形天线”的喇叭形天线，发射从RF能量输入产生的微波。尤其是发射短微波脉冲。在带有这种天线的填充高度测量设备的组合式发射和接收系统中，检测填充物质反射的脉冲并且通过所述脉冲的回波时间测量确定到填充物质的距离。这样的雷达填充高度测量设备例如用于对液体和松散材料或者所述材料的组合的连续填充高度测量。这样的雷达填充高度测量设备例如是由VEGAGrieshaber KG公司用商标“VEGAPLS”出售的。

背景技术

在发射频率低于8GHz的雷达设备中，目前主要使用二种不同类型的天线。对于不向腐蚀性化学环境暴露的天线，使用金属(最好是不锈钢)喇叭。例如参照DE94 12 243U1，其中特别公开了喇叭形天线。但是，对于向高腐蚀性环境暴露的或者出于纯净的原因要测量的填充物质必须不和金属接触的应用中的设备，上面提到的金属型天线是不适用的。出于这个意图，上述资料建议提供一种带有微波可穿透的抗腐蚀保护层的金属喇叭形天线。

另外，从WO90/13927，已知一种带有透镜装置的喇叭形天线，其中喇叭形天线和透镜都是绝缘材料，例如聚乙烯、聚酯、交联聚苯乙烯、玻璃纤维强化塑料或复合泡沫塑料。例如还从JP 100 41 737、US 4,161,731以及US4,783,665已知带有绝缘材料填充的喇叭形天线。尽管当填充物由绝缘材料构成时上述喇叭形天线可实现改进，但它们的制造仍是相对昂贵的，并且它们的机械强度尚有改进余地。另外，为了安装它们，需要昂贵的密封装置。

由于它们的机械结构涉及多个零件，上面所提到的带有保护层的金属喇叭形天线可能不能用于食品业，因为此行业通常要求良好的清洁特性。在这种情况下，采用所谓的介质棒天线(例如DE 4405855A1中公开)。它们是固态的高化学抗性PTFE(Teflon，特氟隆)，但是和喇叭形天线相比它们具有若干缺点。例如它们的功能会强烈地受到冷凝液体的影响。由于它们的大的有效和机械长度，这种棒形天线并不总是适用于安装到储器的喷嘴上。另外，不能任意增加它们的功率。最后，它们的方向特征也不如喇叭形天线的方向特征那么良好。

选择的发射频率越高，棒形天线的上述问题就越大。另一方面，容易把喇叭形天线用在较高频率上，只是必须修改它们的尺寸而已。对于棒形天线，棒的厚度是频率的函数，频率增大时厚度减小。在24GHz的频率范围下棒形天线的棒厚度会小至4mm(PTFE材料)，同时天线的最小长度将为200mm。但是，这样的天线是易受到损害的。弯曲会导致该天线的永久损害或者至少改变天线特性。此外，这样的天线对粘着物或冷凝物敏感得多，因为除了频率较高外存在的表面也较小。适用于射频的材料，例如陶瓷，对这样的结构不是可行的。由于较高的er值，直径还会减小。

发明内容

从而本发明的一个目的是提供一种雷达设备的喇叭形天线，该天线既可用于化学上腐蚀性更强的环境条件下，同时至少减小其因此具有的缺点。

通过一种包括一个定义喇叭形天线的特征几何形状的天线护罩的喇叭形天线达到该目的。从而该天线护罩具有一个至少部分地填充着绝缘材料填充件的扩口天线腔，其中该天线腔的腔开口通过该填充件对填充物质封闭。在外侧上，该天线也用绝缘材料封闭，从而天线腔的填充件以及外侧保护层相对于装着要测量的填充物质的储器中的潜在化学腐蚀环境整体地屏蔽该天线护罩。

该天线护罩最好整体地，即在内侧上以及外侧上，埋在绝缘材料中，从而和该填充件组合的绝缘材料外壳具有强度增加的效果。尤其，该外壳最好形成一个对着填充物质的圆柱状或圆锥状的基体。

在一优选实施例中，该外壳还封闭该腔开口，即，它形成为是一个单向开口的杯。该实施例的另一项改进是使该壳的发射表面形状上(凹或凸)成为透镜，从而改进发射特性。

在一优选实施例中，该天线护罩是金属的，随后内侧以及外侧封闭在绝缘材料中，尤其整体埋在其中。替代地，也可能该天线护罩本身是用绝缘材料制成的，然而再把它埋在一种不同的绝缘材料中。所使用的材料必须各自按它们的发射特性选择。

为了稳定和提高机械稳定性，本发明遵照下述原则：利用填充材料至少部分地填充由该喇叭形天线所闭合的内腔以防止冷凝物等进入该腔内，而且还在天线护罩的外侧上沉积绝缘填充材料，通过这种组合的内外绝缘材料外壳，护罩得到保护而且机械上更稳定。

最好对常规金属喇叭形天线的至少一部分的表面提供可以和装着要测量的填充物质的储器中的化学腐蚀环境接触的保护涂层。这样做一方面实现现在也可以把喇叭形天线用到迄今必须采用其它天线的环境条件中，并且另一方面改进这种环境下的抗压性。

依据本发明的填充物从而还可以具有保护层的作用。如果填充材料只具有机械支承品质，可以在喇叭形天线的和化学腐蚀环境接触的金属部件或表面上沉积专用保护层。通过用填充材料填充天线的内腔，还明显地提高抗压性。

许多材料可以用作为填充物。从生产上考虑泡沫材料(例如ROHACELL)或者e_r值和空气的e_r值接近的不同材料是特别适用的。对于某些应用，也可能不仅涂上而且填充绝缘材料，例如PTFE。为了实现高机械和热稳定性，建议使用纤维强化塑料，例如PPS或PP。还可以和其它适当材料相组合地使用这种纤维强化塑料材料。涂层例如可以通过干烘、烧结等沉积。如果填充物是一种绝缘材料，当然也可以如此制造填充件。

当在爆炸性环境中使用时，如例如从DE 19617963A1已知那样，对天线的绝缘表面涂上一层导电层是有好处的。利用这样的层防止喇叭形天线的静电充电。

为了使这种喇叭形天线的密封简化，在和该喇叭形天线相连的一个缘上沉积绝缘材料外壳是特别适用的，尤其是沉积在和该喇叭形天线的发射方向相对的侧面上。这达到该缘和储器之间的最佳密封，并且同时保护该缘不受该储器中的化学腐蚀环境的影响。此外，不必添加其它密封部件。

这种用于雷达填充高度测量设备的喇叭形天线最好还具有一个这样的天线护罩，该天线护罩带有喇叭形天线的特征几何形状并且内部至少部分地填充封闭天线腔的腔开口的绝缘材料填充件，而且同时延伸到该天线的与发射方向相对的连接缘的侧面上。这种天线最好如上面解释那样甚至在外侧面上也由所述绝缘材料密封。

一优选实施例包括一个以圆柱体为形式的金属天线护罩，内部带有一个进入圆柱体腔的锥体腔。在该圆柱体腔中伸出一个把电子部件里产生的微波信号发射到该腔中的激励器销。在天线腔本身中，存在一个以锥体为形式的绝缘材料填充物，其尖梢伸到该天线护罩里的圆柱体腔中。该锥形尖梢的倾斜角度最好略大于该填充物的其余部分的倾斜角。该角度的差异最好为2到3度。

依据本发明的另一个方面，该内部填充件由不同绝缘材料的多个部分构成，通过一个和内套相接的并且径向外延伸的绝缘材料件构成外壳，以便位于该外壳后面用于连接一个填充高度测量设备的缘在安装状态下相对于对储器中的环境被屏蔽屏蔽。

尤其，最好把填充物的各个部分和该外壳拧紧在一起，并且把内部填充物的一个或多个部分粘到该天线护罩上。这确保最佳发射，同时确保高抗热性和适应不同的热膨胀系数。至于材料，尤其可使用PTFE，环氧树脂，粘结微型中空玻璃球和改进的Teflon。

应理解，对本发明各特定实施例解释的所有特征和技术细节当然可以容易地彼此组合，并且还能单独地或者彼此组合地应用到本发明的不同实施例中。这将取决于使用条件以及所使用的填充高度测量设备。

附图说明

为了进一步解释和更好地理解，下面将参照各附图说明本发明的几个示范实施例，附图中：

图1是一个带有依据本发明的第一实施例喇叭形天线的雷达填充高度测量设备的示意侧视图；

图2是一个带有依据本发明的第二实施例喇叭形天线的雷达填充高度测量设备的示意侧视图；

图3是一个带有依据本发明的另一实施例喇叭形天线的雷达填充高度测量设备的示意侧视图；

图4是附着到一个储器的缘上的图3中示出的填充高度测量设备的示意侧视图；

图5a至5c各示出如图3和4所示的填充高度测量设备的示意侧视图，其中的不同在于把喇叭形天线的发射开口形成特定成形的发射透镜；

图6是依据本发明的完全由绝缘材料构成的另一实施例喇叭形天线的示意侧视图；

图7是一个带有依据本发明的喇叭形天线的填充高度测量设备的示意剖面图；以及

图8是另一个带有依据本发明的另一实施例的喇叭形天线的填充高度测量设备的示意剖面图。

具体实施方式

一种具有图1中所示的雷达喇叭形天线的填充高度测量设备的示意侧视图包括一个后面跟着该喇叭形天线3的连接缘2。该喇叭形天线3是金属的，其由介质10(绝缘材料)完全包围或埋在其中。介质10还完全填充喇叭形天线腔4并且在外面形成一个圆柱体。在本情况下，喇叭形天线的开口3a由介质10封闭并且形成一个和喇叭线天线3的主发射方向正交的平表面6。

如可从图1中看出，还在连接缘2上形成介质10的涂层，即自身形成为一个围绕喇叭形天线3的圆柱体外形的介质10按一定厚度从该外柱体伸出。如尤其可从图4看出的介质10的该缘状结构出色地提供对储器11的连接缘12的密封。

在图1中示出的实施例中，可以使用常规喇叭天线3，即，喇叭形天线3是金属的并且几何形状上可具有截锥形、指数曲线形喇叭、矩形喇叭等形状。介质10例如是PTFE、PP、PFA。但是，当然也可以使用本技术领域里已知的任何其它已知介质。在图1中示出的本发明的喇叭线天线3的该示范实施例中，用相同的介质10填充或封闭外涂层以及喇叭形天线3的腔4的填充。当然也可以使天线4的填充物是一种和与储器内部的可能的腐蚀环境接触的实际外涂层不同的材料。这意味着喇叭形天线3的腔4的填充物可以是介质常数er接近空气的介质常数er的泡沫材料。利用这种泡沫状填充物，会达到出色的抗压性。只形成外轮廓的所述类型的介质涂层则会保护不受储器内部的腐蚀环境的影响。这会对这种喇叭形天线简化制造并且减少制造成本。

在图2中示出的替代实施例中，喇叭形天线3完全是绝缘材料10的。通过在喇叭形天线3的侧表面上沉积导电层7实现喇叭形天线3的金属护罩。同样，通过介质10实现的喇叭形天线3的形式构形成在对着缘的侧面上具有连接缘5。和图1的实施例中一样，该喇叭形天线的发射开口3a成平表面。

该实施例具有尽管略微降低化学抗性但整个喇叭形天线生产起来更便宜的优点。应注意到，如果需要，该金属涂层7还可带有另一层保护层以提供甚至更好、更坚固的喇叭形天线。可以通过真空沉积、电镀、印刷或涂覆完成在由介质10构成的喇叭性天线3的轮廓上沉积金属涂层7。

参照图3，图中示出依据本发明的另一实施例的喇叭形天线，其具有和缘齐平的结构。通过这种结构，和图1和2示出的结构相比大大减少所需的绝缘材料10，因为其不必覆盖喇叭形天线3的外表面。仅仅必需同时还用来密封储器的位于喇叭形天线3的前部的缘状介质层5。如前面指出那样，用介质10填充喇叭形天线3的整个内腔4。同样，如前面参照图1和2解释那样，当然有可能用一种不同的材料填充喇叭形天线3的内腔4并且使介质10只构成一个前部层，该前部层形成发射表面6并且在本情况下该表面还充当缘密封。另外，在图3中示出的实施例中，发射表面6是平面的。

图4示意地示出把储器11的连接缘12和依据本发明的如图3中所示的喇叭形天线连接。从而介质5的该缘状构形和储器11的缘12相邻。通过螺旋(未示出)使填充高度测量设备1和储器11各自的缘2和12紧紧靠在一起，从而有可能不使用其它密封件而特别紧密地连接填充高度测量设备1。通过介质10的层5实现密封性。

从图5a-5c可以看出，依据图4或3的实施例的发射表面6不必必须构形成平表面。从而，如图5a中所示，发射表面可形成为是一个凸透镜6a。取决于应用以及雷达填充高度测量设备里使用的发射频率，可以适当地赋予发射表面6a较强或较弱的凸形。然而，也可能赋予发射表面6b凹状构形，如图5b中所示。在图5c中示出另一种修改实施例。此时，在发射表面处把介质形成略微朝向储器的内部拱起。

通过使介质10具有尤其适用于所使用的频率以及环境条件的发射表面6a-6c从而使介质10具有介质透镜的效果，所有实施例都紧密地和各自情况中的条件相适应。还应注意到，发射表面6a-6c的作为介质透镜的构形尤其能更好地滴下或排掉来自喇叭形天线3的湿气和凝结物，这是可取的。

图6中示出的依据本发明的另一实施例的喇叭形天线3完全由介质材料10做成。省掉该喇叭形天线的金属护罩。由于材料特性，喇叭形天线3的尾部充当电波波导，在发射表面6处发生电磁波的发射。从而可以做为一个整体部分制造整个喇叭形天线3。这具有如常规介质材料棒天线相同的优点，但却具有明显有利得多的尺寸。即，它具有较大的直径因而机械稳定性更高。

图7的示意剖视图中示出的填充高度测量设备包括一个其中容纳该填充高度测量设备的全部电子电路的外壳27。这些电子电路遵从现有技术从而不必进一步解释。电子电路单元里生成的微波信号经同轴电缆传到端部在腔31内的激励器销26。该激励器销26本身安装在一个金属圆柱体22中，该圆柱体22同轴地终止于激励器销26终止于其中的腔31内并具有一个形状为扩口截锥体的腔。该形状为截锥体的腔接着进入圆柱腔31。形成该天线护罩的金属体22最好是铝制的。当然，其它金属例如不锈钢也是可以的。

天线护罩22中的截锥体形式的腔装填着塑料材料的锥体32。该锥体32在从截锥体腔到圆柱腔31的过渡区域中具有一个台阶，从而锥体32的末梢相对于对称轴具有和其余护罩表面略微不同的角度。该角度上的变化约为2到3度。在锥体32的宽端，该锥体也具有一个导入到圆柱段33中的台阶。

通过塑料(在本情况下为改良的Teflon)外壳20完全密封天线护罩22以及插在该护罩中的塑料锥体32。和天线护罩22同轴的该外壳20在发射表面上形成一个凸透镜21。从而可以获得这种天线自身已知发射特性的改进。外壳20延伸超过激励器销26所位于的高度，并且在梢端处通过螺钉33和基体连接。在该塑料材料外壳20的上面形成另一个通过O形环34和外壳20密封连接的套筒25。通过弹簧盘51，促使天线护罩22向下靠着外壳20，从而补偿温度膨胀。

这样，首先，从内部和外部保护喇叭线天线22免遭储器中的腐蚀性环境并且免遭潜在的高温的影响，而且同时提高这种天线的强度。此外，虽然其尺寸小但发射特性是出色的。可以提到，通过螺纹24经由套筒25整个填充高度测量设备可以旋到储器的螺纹开口中，其中只有该喇叭形天线的底部伸到该储器中，但是，通过外壳20和填充物32对于该储器中的环境该底部是密封的。

在图8的部分剖视图中示出本发明另一实施例的喇叭形天线。同样，该填充高度测量设备包括一个其中容纳自身已知的整个电子电路的外壳27。在本情况下，有关部分仍包括一个外侧为圆柱体、内部同轴地带有一个锥形腔的天线体40。在其顶端处，该锥形腔导入到一个圆柱腔内，经同轴电缆30和该电子单元连接的激励器销26伸到该圆柱腔中。同样，如前面解释那样，已生成的微波信号经同轴电缆30传到其上发生向该喇叭形天线的传送的激励器销26。

在底端，本情况中为不锈钢的天线体40带有一个具有螺旋螺纹41的台阶。所述天线体40通过所述螺旋螺纹41拧到缘2中，该缘2也是不锈钢的。如可从图8中看出那样，天线体40的锥形腔用三部件的填充件42、43、44填充，最顶上的填充件42是用PTFE(Teflon)做成的并且为锥体形。锥体42的尖梢伸到其中还延伸着激励器销26的圆柱形腔中。在锥体部件42的基部处形成一个其上带有外螺纹48的栓(peg)47。该填充件的中央部件43由粘结着微型中空玻璃球的环氧树脂构成并且具有截锥体的形状。在其二个基面上各形成一个带有内螺纹的中心盲孔。

第三个朝着储器内部的填充部件具有朝向储器的凸透镜形状并且带有一个和它整体结合的完全平的盘45。盘45的直径选择成使它密封地和该填充高度测量设备要连接到的储器边缘相邻。盘45的背面上形成另一个栓46，其中栓46具有和填充件的中央部件43的内螺纹啮合的外螺纹50。所述第三填充部件44、45是由改良型Teflon制成的，尤其是用代号为TFM600的改良Teflon制成。

缘2通过螺纹41拧到天线体40上，缘2也是用不锈钢制成的。缘2周边上分布着通孔，穿过这些通孔插入用来把缘2拧紧到储器开口上的螺钉。其中，在密封关系下储器壁和填充物44的部件45相邻。

如上面解释那样，三个材料不同的填充部件42、43、44拧在一起。为了附着整个填充件42、43、44，中央部件43粘到天线体40的周边表面上，尤其是利用硅酮胶。该填充件的锥形部分42的外尺寸使得在锥体42的外壁和天线体40的内壁之间保持一个约为0.5mm的小间隙49，以补偿温度造成的膨胀差异。通过特地选择材料，一方面形成对储器内的化学腐蚀环境的出色抗性，同时另一方面还提供出色的抗热性。图8中所示的设备可用在高达150℃的环境温度下。具有三个特定填充部件的内衬提供波的光学最优传播并且同时提供对抗腐蚀媒体的特殊抗热性和耐久性。

所有的实施例具有不限于频率较高的雷达填充高度测量设备的优点，并且这些雷达天线实施例可用于各种频率的设备，容易进行喇叭形天线3的清洁，因为其表面是单片的、不带有密封并且从而不带有间隙的。这尤其促进容易在食品应用中使用。

Claims (20)

1.一种用于雷达填充高度测量设备的喇叭形天线，该天线具有一个带有一个锥形扩宽天线腔(4)的天线护罩(3)，该腔中存在一个至少部分地填充该天线腔(4)的填充件(10)，并且具有一个绝缘材料的从外面密封该天线护罩(3)并且封闭该天线腔(4)的腔开口(3a)的外壳(10，20)。

2.依据权利要求1的喇叭形天线，其特征在于，存在一个用于促使该天线护罩(22)靠着该外壳(20)的内侧的弹簧元件(51)。

3.依据权利要求1或2的喇叭形天线，其特征在于，该天线腔(4)包括一个锥体部分和一个圆柱部分(31)。

4.依据上述任一权利要求的喇叭形天线，其特征在于，该天线护罩(3)是金属的，尤其是不锈钢或铝或铝合金的。

5.依据上述任一权利要求的喇叭形天线，其特征在于，填充件(10)具有一个面对着发射方向并且为凸形的自由表面(6a；6c)。

6.依据权利要求1至5中任一权利要求的喇叭形天线，其特征在于，填充件(10)具有一个面对着发射方向并且为凹形的自由表面(6b)。

7.依据上述任一权利要求的喇叭形天线，其特征在于，存在一个缘(2)，其在发射方向上至少部分地覆盖着外壳(20)的绝缘材料(5)。

8.依据上述任一权利要求的喇叭形天线，其特征在于，该天线护罩(3)全部由绝缘材料制成。

9.依据上述任一权利要求的喇叭形天线，其特征在于，该填充天线腔(4)的填充件构形成具有多个部件(42，43，44)和完全填充该腔，并且同时形成一个朝向储器内部的发射表面。

10.依据权利要求9的喇叭形天线，其特征在于，该朝向储器内部的发射表面径向地延伸成通过绝缘材料形成用于缘连接的密封。

11.依据权利要求11的喇叭形天线，其特征在于，该填充件(10)完全填充该天线腔(4)并且形成一个发射表面(6；6a；6b；6c)。

12.依据权利要求11的喇叭形天线，其特征在于，该喇叭形天线(3)构形成是一个绝缘材料的集成体(10)。

13.依据上述任一权利要求的喇叭形天线，其特征在于，该喇叭形天线(3)带有导电涂层物。

14.依据权利要求13的喇叭形天线，其特征在于，该导电涂层是PTFE和煤的混合。

15.一种用于雷达填充高度测量设备的喇叭形天线，该天线具有一个带有一个锥形扩宽天线腔的天线护罩(40)，该腔中存在一个至少部分地填充该天线腔的绝缘材料的多部件(42，43，44)填充件，并且其中通过一个外壳(44，45)封闭该天线腔的腔开口，该外壳径向延伸成与一个其后面的连接缘一起提供相对于储器的内部的密封。

16.依据权利要求15的喇叭形天线，其特征在于，填充件的锥形部件(42)是用PTFE制成的并且相邻的部件(43)包括粘结着微型中空玻璃球的环氧树脂，并且把这二个部件(42，43)拧到一起。

17.依据权利要求15或16的喇叭形天线，其特征在于，改良型Teflon制成的第三部件(44，45)连接到该绝缘材料填充件并相对于储器内部环境封闭该腔开口，并且径向延伸成在连接状态下该第三部件形成该填充高度测量设备的密封。

18.依据权利要求17的喇叭形天线，其特征在于，形成该密封的部件(44，45)被拧到填充件(43)上。

19.依据权利要求15至18中任一个的喇叭形天线，其特征在于，至少把天线护罩(40)中的填充件部分地用胶粘到其圆周壁上。

20.依据权利要求19的喇叭形天线，其特征在于，该胶是硅酮胶。

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