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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antennenvorrichtung und insbesondere eine Hornantennenvorrichtung mit einer stufenförmigen Signaleinspeisevorrichtung zum Fokussieren von elektromagnetischen Wellen.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Um eine Objektebene zu messen, wie beispielsweise den Wasserspiegel in einem Behälter oder Mineralvorräte in einem Steinbruch, ist ein Radarfüllstandsanzeiger entwickelt worden, um die Objektebene zu messen.
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Der Radarfüllstandsanzeiger kann in einer Position weit von einem Objekt entfernt installiert sein. Der Radarfüllstandsanzeiger umfasst hauptsächlich einen Schaltkreis und eine Antenne. Die Schaltkreis erzeugt elektromagnetische Wellen in Form von FMCW (frequenzmodulierte kontinuierliche Wellen) und strahlt die elektromagnetischen Wellen zu dem Objekt über die Antenne aus. Die elektromagnetischen Wellen werden daraufhin von einer Oberfläche des Objekts reflektiert, wenn die elektromagnetischen Wellen das Objekt erreichen. Anschließend kann der Schaltkreis eine Reflexion der elektromagnetischen Wellen von der Antenne erhalten.
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Die Schaltkreis umfasst einen Kontroller. Der Kontroller kalkuliert einen Frequenzunterschied und einen Zeitunterschied zwischen der Reflexion und den elektromagnetischen Wellen, die von der Antenne emittiert wurden. Wenn der Kontroller den Frequenzunterschied und den Zeitunterschied erhält, kalkuliert der Kontroller eine Entfernung zwischen dem Radarfüllstandsanzeiger und der Oberfläche des Objekts, um ferner eine Objektebene gemäß der Entfernung zu kalkulieren.
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Unter Verweis auf 9 ist eine konventionelle Füllstandsmessvorrichtung offenbart. Die Messvorrichtung umfasst einen Radarfüllstandsanzeiger 80 und eine Wellenleitervorrichtung 90. Die Wellenleitervorrichtung 90 umfasst einen Körper 91, einen Medienwandler 92 und einen Einspeiseanschluss 93. Der Körper 91 umfasst eine Öffnung 911, eine Bohrung 912 und einen Raum 913. Der Raum 913 steht mit der Öffnung 911 und der Bohrung 912 in Verbindung. Der Medienwandler 92 ist konisch in Gestalt und umfasst eine Spitze 921 und ein unteres Ende 922, das distal von der Spitze 921 liegt. Das untere Ende 922 des Medienwandlers 92 ist in der Öffnung 911 des Gehäuses 91 befestigt. Der Einspeiseanschluss 93 kann ein SMA- oder SMP-Verbinder sein und ist in der Bohrung 912 eingelassen. Der Einspeiseanschluss 93 umfasst einen Fühler 931, der sich in den Raum 913 des Körpers 91 erstreckt.
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Der Radarfüllstandsanzeiger 80 ist distal zu dem Fühler 931 mit einem Ende der Wellenleitervorrichtung 90 verbunden. Der Radarfüllstandsanzeiger 80 liefert über den Einspeiseanschluss 93 elektromagnetische Wellen mit hoher Frequenz in den Raum 913 des Körpers 91. Der Medienwandler 92 strahlt demnach die elektromagnetischen Wellen nach außen aus. Der Medienwandler 92 wird verwendet, um die Impedanz anzugleichen. Der Medienwandler 92 wandelt eine kugelförmige Welle in eine ebene Welle um, was nützlich ist, um kabellose Signale auszusenden und zu empfangen.
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Allerdings werden die elektromagnetischen Wellen, die von dem Einspeiseanschluss 93 erzeugt werden, über den Raum 913 in den Medienwandler 92 eingespeist. Die elektromagnetischen Wellen werden nicht direkt in den Medienwandler 92 eingespeist. Die Resonanzmoden als solche, wie der TE Mode und TM Mode der elektromagnetischen Wellen, sind schwierig zu ermitteln. Entsprechend ist es kompliziert und sehr zeitaufwändig die Strukturen der Wellenleitervorrichtung 90 zu entwerfen. Montageprobleme, wie zum Beispiel, dass der Einspeiseanschluss 93 nicht exakt in der Bohrung 912 befestigt ist und der Medienwandler 92 nicht sicher mit dem Gehäuse 91 montiert ist, führen zu inadäquater Stabilität.
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Mit Verweis auf 10 ist ein Reflexionskoeffizientendiagramm (S11) der elektromagnetischen Wellen, die von der Wellenleitervorrichtung 90 erzeugt wurden, offenbart. Der Reflexionsverlust bei 9.0 (GHz) liegt bei –12.5 (dB). Der Reflexionsverlust bei 10 (GHz) liegt bei –13.285 (dB). Wenn der Reflexionsverlust niedriger als –10 (dB) ist, beträgt eine Bandbreite nur 1.75 (GHz), wobei 10.5 (GHz) – 8.75 (GHz) = 1.75 (GHz) ergibt. Ein Strahlungsmuster des Medienwandlers 92 wird leicht beeinflusst und dies mindert die Signalqualität.
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Ein Ziel der Erfindung ist es, eine Hornantennenvorrichtung und eine stufenförmige Signaleinspeisevorrichtung hierfür bereitzustellen. Die Resonanzmoden der Hornantennenvorrichtung der Erfindung können leicht ermittelt werden und die Hornantennenvorrichtung kann mit Leichtigkeit sachgemäß montiert werden. Die Bandbreite der Hornantennenvorrichtung der Erfindung ist ausgedehnt.
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Die stufenförmige Signaleinspeisevorrichtung umfasst:
eine Halterungsbasis, die aufweist:
ein erstes Ende;
ein zweites Ende, das distal zum ersten Ende liegt; und
einen Anschluss, der am ersten Ende ausgebildet ist;
einen Kopf, der mit dem Anschluss der Halterungsbasis verbunden ist und eine Buchse aufweist; und
einen gestuften Körper, der in der Halterungsbasis befestigt ist und umfasst:
mehrere Stufen, die der Reihe nach entlang einer axialen Richtung der Halterungsbasis ausgebildet sind, wobei sich eine höchste Stufe in der Nähe von dem ersten Ende der Halterungsbasis befindet, und eine niedrigste Stufe in der Nähe des zweiten Endes der Halterungsbasis; und
einen Verbindungsbolzen, der an einer Seitenfläche der höchsten Stufe ausgebildet ist und mit der Buchse des Kopfes verbunden ist.
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Die Hornantennenvorrichtung umfasst:
eine stufenförmige Signaleinspeisevorrichtung, die umfasst:
ein erstes Ende;
ein zweites Ende, das distal zu dem ersten Ende ist; und
ein Anschluss, der am ersten Ende ausgebildet ist;
einen Kopf, der mit dem Anschluss der Halterungsbasis verbunden ist und eine Buchse aufweist; und
einen gestuften Körper, der in der Halterungsbasis befestigt ist und umfasst:
mehrere Stufen, die der Reihe nach entlang einer axialen Richtung der Halterungsbasis ausgebildet sind, wobei eine höchste Stufe in der Nähe des ersten Endes der Halterungsbasis ist, und eine niedrigste Stufe in der Nähe des zweiten Endes der Halterungsbasis ist; und
einen Verbindungsbolzen, der an einer Seitenfläche der höchsten Stufe ausgebildet ist und mit der Buchse des Kopfes verbunden ist; und
eine konische Hornantenne, die umfasst:
ein Signal-Eingabe- und Ausgabe(I/O)-Ende, welches mit dem zweiten Ende der Halterungsbasis der stufenförmigen Einspeisevorrichtung verbunden ist; und
ein signalausstrahlendes Ende, welches distal zu dem Signal-(I/O)-Ende ist.
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Die Resonanzmoden der Hornantennenvorrichtung der Erfindung können gemäß der Dielektrizität der Luft und der stufenförmigen Signaleinspeisevorrichtung leicht entworfen und gestaltet werden. Die Stufen sind direkt mit dem Verbindungsbolzen verbunden, sodass hochfrequente Signale von dem Verbindungsbolzen exakt an die Stufen gesendet werden können. Die Stabilität der Hornantennenvorrichtung ist verbessert.
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Zudem wird die Richtcharakteristik der Hornantenne der Erfindung verbessert. In einem Strahlungsmuster der Erfindung wird die Breite einer Hauptkeule enger und die Energie von Nebenkeulen sinkt, sodass das Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR signal to noise ratio) steigt.
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ZEICHNUNGEN
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1 ist ein teilweiser Querschnitt einer stufenförmigen Signaleinspeisevorrichtung der Erfindung;
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2 ist eine Draufsicht einer stufenförmigen Signaleinspeisevorrichtung aus 1;
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3 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer konischen Hornantenne und einer Linsenantenne;
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4A ist eine Schnittansicht der konischen Hornantenne und der Linsenantenne aus 3;
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4B ist eine vergrößerte Teilansicht aus 4A;
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5 ist ein Reflexionskoeffizientendiagramm der Hornantennenvorrichtung der Erfindung;
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6 ist ein Strahlungsmuster der Hornantennenvorrichtung der Erfindung;
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7 ist eine Schnittansicht eines Radarfüllstandsanzeiger, der mit der Hornantennenvorrichtung der Erfindung ausgestattet ist;
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8A–8F sind Schnittansichten der Ausführungsformen der Linsenantenne;
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9 ist eine konventionelle Füllstandsmessvorrichtung; und
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10 ist ein Reflexionskoeffizientendiagramm der konventionellen Füllstandmessvorrichtung.
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Die Hornantennenvorrichtung der Erfindung umfasst eine stufenförmige Signaleinspeisevorrichtung und eine konische Hornantenne, oder umfasst ferner eine Linsenantenne.
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Unter Verweis auf 1 und 2 ist eine erste Ausführungsform der stufenförmigen Signaleinspeisevorrichtung der Erfindung offenbart. Die stufenförmige Signaleinspeisevorrichtung 10 umfasst einen gestuften Körper 11, eine Halterungsbasis 12 und einen Kopf 13.
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Die Halterungsbasis 12 ist ein hohler Zylinder und umfasst einen Anschluss 121, eine Raum 122, ein erstes Ende und ein zweites Ende, das distal zu dem ersten Ende ist.
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Der gestufte Körper 11 ist in der Halterungsbasis 12 befestigt und weist mehrere Stufen auf, die eine erste Stufe 111A, eine zweite Stufe 111B, eine dritte Stufe 111C, eine vierte Stufe 111D, eine fünfte Stufe 111E und einen Verbindungsbolzen 112 umfassen. Die Stufen 111A–111E sind der Reihe nach entlang einer axialen Richtung der Halterungsbasis 12 ausgebildet. Die erste Stufe 111A ist die höchste Stufe und befindet sich in der Nähe des ersten Endes der Halterungsbasis 12. Die fünfte Stufe 111E ist die niedrigste Stufe und befindet sich in der Nähe des zweiten Endes der Halterungsbasis 12. Unter Verweis auf 1 beträgt die Länge (L) jeder Stufe 111A–111E ein Viertel einer Wellenlänge (λ/4) einer elektromagnetischen Welle, die von dem gestuften Körper 11 der stufenförmigen Signaleinspeisevorrichtung 10 emittiert wird. Der Höhenunterschied (H) zwischen jeder benachbarten Stufe 111A–111E ist gleich groß. Der Verbindungsbolzen 112 ist an einer Seitenfläche der ersten Stufe 111A ausgebildet, wobei eine Erstreckungsrichtung von dem Verbindungsbolzen 112 parallel oder vertikal zu der axialen Richtung der Halterungsbasis 12 sein kein. In dieser Ausführungsform ist die Erstreckungsrichtung des Verbindungsbolzens 112 parallel zu der axialen Richtung der Halterungsbasis 12.
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Der Kopf 13 umfasst ein Verbindungsende und eine Buchse 131. Das Verbindungsende ist angepasst, um mit dem Anschluss 121 der Halterungsbasis 12 verbunden oder verschraubt zu werden. Die Buchse 131 ist an dem Verbindungsende ausgebildet und ist in dem Raum 112 der Halterungsbasis 12 exponiert, sodass der Verbindungsbolzen 112 des gestuften Körpers 11 in der Buchse 131 eingelassen ist, um elektrisch mit der Buchse 131 verbunden zu sein.
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Ein hochfrequentes Signal wird an den Verbindungsbolzen 112 über die Buchse 131 des Kopfes 13 versendet. Somit wird das hochfrequente Signal in elektromagnetische Wellen umgewandelt, die nach außen über die Stufen 111A–111E ausgesendet werden. Zudem kann die stufenförmige Signaleinspeisevorrichtung 10 eine Reflexion der elektromagnetischen Wellen empfangen.
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Mit Verweis auf 3, 4A und 4B, sind die konische Hornantenne 20 und die Linsenantenne 30 offenbart. Die konische Hornantenne 20 ist ein hohler Kegel und weist eine Öffnung 211, ein erstes Ende und ein zweites Ende auf. Das erste Ende der konischen Hornantenne 20 ist ein Signal-I/O(Eingabe- und Ausgabe)-Ende 21. Die Öffnung 211 ist im Signal-I/O-Ende 21 ausgebildet und steht mit dem Raum 122 der Halterungsbasis 12 der stufenförmigen Signaleinspeisevorrichtung 10 in Verbindung. In dieser Ausführungsform umfasst die konische Hornantenne 20 eine Platte 24, die sich seitlich an dem Signal-I/O-Ende 21 erstreckt, wobei die Öffnung 211 in der Mitte der Platte 24 ausgebildet sein kann. Die Platte 24 kann eine kreisförmige Platte, eine rechteckige Platte, eine hexagonale Platte oder irgendeine polygonale Platte sein. Die Platte 24 kann mehrfache Schraubbohrungen 240 umfassen.
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Das zweite Ende der konischen Hornantenne 20 ist ein Signal ausstrahlendes Ende 22, entgegengesetzt zum Signal-I/O-Ende 21. Das Signal ausstrahlende Ende 22 ist angepasst, um elektromagnetische Wellen auszustrahlen oder um die Reflexion der elektromagnetischen Wellen zu empfangen. In diese Ausführungsform umfasst das Signal ausstrahlendes Ende 22 einen Eingreifvorsprung 221, um mit der Linsenantenne 30 verbunden zu werden. In dieser Ausführungsform umfasst das Signal ausstrahlende Ende 22 einen Eingreifvorsprung 221, um mit der Linsenantenne 30 verbunden zu werden.
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Die Linsenantenne 30 umfasst einen Linsenkörper 31 und einen Haken 32. Der Linsenkörper 31 ist ein halbkugelförmiger Körper und weist eine ebene Fläche auf. Der Haken 32 wird an einer Kante der planen Fläche ausgebildet, um mit dem Eingreifvorsprung 221 ineinander zu greifen.
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Um ferner die konische Hornantenne 20 dichter mit der Linsenantenne 30 zu verbinden, wird ein Ring 40 angepasst, um an dem Haken 32 befestigt zu werden. Der Haken 32 kann Außengewinde 320 aufweisen. Mit Verweis auf 4B ist in einer Schnittansicht der Ring 40 L-förmig. Der Ring 40 weist Innengewinde 401 auf, sodass die Innengewinde 401 des Rings 40 mit den Außengewinden 320 des Hakens 32 verschraubt werden können. Solange der Haken 32 mit dem Ring 40 verschraubt ist, ist die Linsenantenne 30 dicht mit der konischen Hornantenne 20 verbunden. Feuchtigkeit oder Fremdkörper können nur schwer in die konische Hornantenne 20 eindringen und diese beeinflussen.
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Die Linsenantenne 30 wird gewöhnlich unter hohem atmosphärischen Druck oder unter Temperaturwechselbedingungen betrieben. Die konische Hornantenne 20 und die Linsenantenne 30 sind ferner sicher miteinander über thermische Expansion oder Kältekontraktion der konischen Hornantenne 20 und der Linsenantenne 30 verbunden, oder durch Druck, der auf die konische Hornantenne 20 und die Linsenantenne 30 ausgeübt wird. Die konische Hornantenne 200 kann dicht mit der Linsenantenne 30 verbunden werden.
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Die stufenförmige Signaleinspeisevorrichtung 10 strahlt die elektromagnetischen Wellen aus oder erhält die Reflexion über die konische Hornantenne 20 und der Linsenantenne 30. Die konische Hornantenne 20 und die Linsenantenne 30 können, ohne darauf beschränkt zu sein, aus einem Material einer Gruppe ausgewählt werden, die Metall, PVDF, Polytetrafluorethen, Paraffin, Polyethylen, Polymethylmethacrylat, Polystyren, Flintglas, Polygas und Rutilen umfasst. Der Linsenkörper 31 der Linsenantenne 30 kann, ohne darauf beschränkt zu sein, eine konvexe Linse, eine konkave Linse, eine bikonvexe Linse, eine plankonvexe Linse; eine positive Meniskuslinse, eine negative Meniskuslinse, eine plankonkave und bikonkave Linse oder eine Kombination von diesen Linsen sein.
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Mit Verweis auf 5 ist ein Reflexionskoeffizientendiagramm (S11) der elektromagnetischen Wellen, die von der Hornantennenvorrichtung der Erfindung erzeugt wurden, offenbart. Ein Frequenzband, um die stufenförmige Signaleinspeisevorrichtung 10 zu betreiben, liegt bei 24.0 (GHz). Der Reflexionsverlust zwischen 24.0 (GHz) und 24.512 (GHz) ist um einiges niedriger als –10 (dB). Eine Bandbreite nährt sich 5 (GHz) an, wobei 26.0 (GHz) – 21.0 (GHz) = 5 (GHz) ergibt. Als Ergebnis ergibt sich für die Bandbreite der Erfindung eine um einiges weitere als die konventionelle Bandbreite von 1.75 (GHz).
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Mit Verweis auf 6 ist ein Strahlungsmuster der Hornantennenvorrichtung der Erfindung offenbart. Die Richtcharakteristik der Hornantennenvorrichtung bei 23.5 (GHz), 24.0 (GHz) und 24.5 (GHz) entspricht jeweils 19 dBi. Der Strahl mit halber Leistungsbreite (HPBW) entspricht 19 Grad. Demnach kann die Größe der Hornantennenvorrichtung der Erfindung durch Steigerung der Richtcharakteristik minimiert werden.
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Mit Verweis auf 7 ist ein Radarfüllstandsanzeiger 50 mit der stufenförmigen Signaleinspeisevorrichtung 10, der konischen Hornantenne 20 und der Linsenantenne 30 der Erfindung ausgestattet. Der Radarfüllstandsanzeiger 50 umfasst einen Körper 51, eine erste Buchse 52 und eine zweite Buchse 521. Der Körper 51 ist hohl und umfasst ein Verbindungsende 510. Mindestens eine Schaltkreis 53 ist im Körper 51 befestigt. Die erste Buchse 52 ist mit dem Verbindungsende 510 des Körpers 51 verbunden. Die zweite Buchse 521 ist in der ersten Buchse 52 befestigt und umfasst ein Befestigungsende. Die stufenförmige Signaleinspeisevorrichtung 10 der Erfindung ist in der zweiten Buchse 521 befestigt.
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Das Befestigungsende der zweiten Buchse 521 ist angepasst, um mit der Platte 24 der konischen Hornantenne 20 verbunden zu werden. Das Befestigungsende der zweiten Buchse 521 kann in die Schraubbohrung 240 der Platte 24 eingeschraubt werden, um die konische Hornantenne 20 an der zweiten Buchse 521 zu befestigen.
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Die Schaltkreis 53 ist elektrisch mit einem koaxialen Adapter 54 verbunden. Der koaxiale Adapter 54 ist elektrisch mit der Buchse 131 des Kopfes 13 verbunden. Eine Halterung 55 ist in der zweiten Buchse 521 und zwischen dem Schaltkreis 53 und dem Kopf 13 befestigt. Die Halterung 55 umfasst eine zentrale Durchgangsbohrung 550, sodass der koaxiale Adapter 54 durch die zentrale Durchgangsbohrung 550 verlaufen kann, um mit dem Kopf 13 ausgerichtet zu sein. Der Schaltkreis 53 sendet ein hochfrequentes Signal durch den koaxialen Adapter 54 an die stufenförmige Signaleinspeisevorrichtung 10. Wenn die stufenförmige Signaleinspeisevorrichtung 10 das hochfrequente Signal erhält, sendet die stufenförmige Signaleinspeisevorrichtung 10 elektromagnetische Wellen aus, basierend auf das hochfrequente Signal.
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Der Dielektrizitätskoeffizient der Linsenantenne 30 unterscheidet sich von dem Dielektrizitätskoeffizienten der Luft. Eine Verzögerungslinse oder ein lichtstarkes Objektiv können ferner an der Linsenantenne 30 ausgebildet werden. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle wird verzögert, abhängig von dem Medium der Verzögerungslinse. Die Verzögerungslinse kann eine dielektrische Linse oder eine H-Plan Metallplatte sein. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle wird als Folge von dem Medium des lichtstarken Objektivs verstärkt. Das lichtstarke Objektiv kann eine E-Plan Metallplatte sein.
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Das Medium der dielektrischen Linsen, die oben erwähnt wurden, umfassen nichtmetallische Dielektrika, metallische Dielektrika und künstliche Dielektrika. Wenn ein kabelloses Signal über die dielektrische Linse emittiert wird, ändert sich die Wellenfront von dem kabellosen Signal in eine ebene Wellenfront. Mit Verweis auf 8A–8F kann die Linsenantenne 30 bikonvex, plankonvex, mit einem positiven Meniskus, mit einem negativen Meniskus, plankonkav oder bikonkav gestaltet sein.
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Zusammengefasst erzeugt der Radarfüllstandsanzeiger 50 hochfrequente Signale zu dem gestuften Körper 11, und der stufenförmige Körper 11 sendet elektromagnetische Wellen gemäß den hochfrequenten Signalen über die konische Hornantenne 20 und der Linsenantenne 30 aus. Die elektromagnetischen Wellen werden durch ein Objekt reflektiert, sodass der gestufte Körper 11 ebenso eine Reflexion der elektromagnetischen Wellen empfängt. Die Resonanzmoden der Hornantennenvorrichtung der Erfindung können gemäß der Dielektrizität der Luft und der stufenförmigen Signaleinspeisevorrichtung 10 leicht ermittelt und gestaltet werden. Die Richtcharakteristik der Hornantennenvorrichtung der Erfindung ist verbessert. Die Stufen sind direkt mit dem Verbindungsbolzen verbunden, sodass hochfrequente Signale exakt von dem Verbindungsbolzen an die Stufen gesendet werden können. Die Stabilität der Hornantennenvorrichtung ist verbessert.
