DE2744841A1 - Mikrowellenantenne - Google Patents

Description

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Patentanwälte

Dipl.-Ing. Dipl.-Chem. Dipl.-Ing.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsbergerstrasse 19

8 München 60

4. Oktober 1977

Endress u. Hauser GmbH u. Co,
Hauptstraße 1
7U67 Maulburg

Unser Zeichen: E 9H

Mikrowellenantenne

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.

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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 Plansch oder Einschraubstück schlecht geeignet ist.

Es sind zwar Übergangsstücke bekannt, die einen Übergang von einem Rechteckhohlleiter zu einem runden Horn querschnitt 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 Mirkowellenantenne für eine Mikrowellenschranke verwendet wird, beispielsweise für Zählzweoke, muß sie frei aufstellbar sein. Damit die gleiche Mikrowellenantenne vielseitig verwendbar ist, ist es daher erwünsoht, sie so auszubilden, daß sie außer für die Flansohbefestigung 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 Planschbefestigung als auch für die freie Aufstellung geeignet ist.

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Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Eintritteöffnung des Horns einen Reohteokquerschnitt hat und daß in einem Übergangsbereich von der Eintrittsöffnung bis zu der Stelle, an welcher der runde Hornquerschnitt den Rechteckquersohnitt 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 sioh die angegebene Form des Horns auoh gießtechnisoh einfach realisieren, so daß die ganze Mikrowellenantenne als einstüokiges Gußteil hergestellt werden kann.

Vorzugsweise ist an die Eintritteseite 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

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vorzugsweise an der Horntnündung 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 befeetigbaren Verlängerungstriohter 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 duroh die Mikrowellenantenne naoh der Erfindung, wobei der Schnitt in der Ebene I-I von Fig. 2 liegt,

Fig. 2 eine Seltenansicht 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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Flg. 5 einen Querschnitt durch das Horn in der Ebene Gr-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 Verlängerungstriohter.

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 Randflansoh 4 angeformt ist. Vier im rechten Winkel zueinander angeordnete Längsstege 5 erstrecken sich von der radialen Absohlußwand 6 der Kammer 3 in axialer Richtung entlang der Außenseite des Horns 2; diese Längsstege dienen zur Versteifung des Horns.

Das eigentliche Horn 2 erstreokt sich von einer Eintrittsebene A-B, die mit der Außenfläche der Abschlußwand 6 der Kammer 3 zusammenfällt, bis zu einer Austritteebene C-D (Fig. 2). Die in der Austrittsebene C-D liegende Mündung 7 des Horns hat einen kreisrunden Querschnitt Q_A, 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 Absohlußwand 6 gebildet ist, einen Rechteokquerschnitt R, der gleichfalls in der Stirnansicht von Fig. 3 zu erkennen ist.

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

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 Q. zunimmt;

- in dem Bereioh 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 Rechteokquersohnitt R gerade umschreibt.

Würde man den kreisrunden Querschnitt Q gleichmäßig mit exponentieller Verjüngung bis zur Eintritteebene A-B verlängern, bo bestünde dort der in Fig. 3 angedeutete Kreisquersohnitt Q_E, der gerade in den Reohteokquersohnitt R eingeschrieben wäre und die beiden Breitseiten des Reohteckquerschnitts jeweils in deren Mitte tangieren würden.

Im Übergangsbereich zwischen den Ebenen A-B und M-N folgt jeder Querschnitt des Hornstrahlers den Umrissen des duroh die exponentiell Erweiterung an dieser Stelle bestehenden Kreisquerschnitts Q, soweit dieser außerhalb des Rechteckquerschnitts R liegt, während er den Umrissen des Reohteckquerschnitts R folgt, soweit dieser außerhalb des

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Kreisquersohnitte Q liegt. Der Gesatntquersohnitt entspricht somit an jeder Stelle dee Übergangsbereiohs der Vereinigung des Reohteokquersohnitts R und des Kreisquersohnitts Q.

Die Form des Horns 2 in diesem Übergangsbereich gleioht 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 Übergangsbereiohs ihre ebene Form beibehalten und erst kurz vor der Ebene N-N über naoh außen gewölbte Rundungen 12 in den runden Querschnitt Q des Horns 2 einmünden.

Man erkennt in der Sohnittansioht von Fig. 4, die in der Ebene E-F von Fig. 2 liegt, die noch vollständig bestehenden Schmalseiten 11 des Reohteokquersohnitts R, die noch bestehenden ebenen Abschnitte der Breitseiten 9 und die kreisrunden Auswölbungen 10, die den außerhalb des Reohteokquerschnitts R liegenden Absohnitten des Kreisquersohnitts Q an den beiden Breitseiten 9 entsprechen. In der Sohnittansicht von Flg. 5, die in der Ebene G-H liegt, sind die Breitseiten 9 fast vollständig in die Auswölbungen 10 aufgegangen, und der kreisrunde Querschnitt Q schneidet auch die Schmalseiten 11. An den Schmalseiten bestehen somit gleichfalls naoh außen gerichtete kreisrunde Auswölbungen 12, die schließlich in der Ebene M-N gemeinsam mit den Auswölbungen 10 in einen geschlossenen Kreisquerschnitt übergehen.

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

Die beschriebene Ausbildung des Hornstrahler ermöglicht innerhalb der Baulänge eines normalen Hornstrahlers einen

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Übergang von einem Rechteckquersohnitt 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 v/erden. 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 reohteokige Eintrittsöffnung 8 direkt mit dem Horn 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 angeschweißt. Am Befestigungsstutzen 17 ist ein radial

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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. Ad Umfang des Randflansches 4 ist ein axial nach vorn ragender Umfangerand 21 angeformt, der eine vor der HornmUndung liegende flache kreisrunde Ausnehmung 22 umgibt. Die Mikrowellenantenne wird mit der Stirnfläche des Umfangsrandes 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 Flansoh 18 gesteckt sind, und darauf aufgeschraubter Muttern 26 gegen den Flansch 18 gezogen wird und dadurch den Umfangsrand 21 gegen die Stirnfläche 20 preßt.

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 Soheibe aus Polytetrafluoräthylen, unter Einfügung eines Diohtrings eingesetzt werden. Ein Haltering 29 hält die Scheibe 27 in der Ausnehmung 22 und erzeugt den erforderlichen Anpreßdruok für den Diohtring 28. Der Haltering 29 ist durch nicht gezeigte Senkkopfsohrauben, die in Gewindebohrungen 30 im Randflansoh 4 eingeschraubt sind, in der Ausnehmung 22 befestigt.

In manchen Fällen wird ein Horn mit größerem Gewinn benötigt. Für diesen Zweok kann ein Verlängerungstriohter vorgesehen sein (Fig. 8),der gleichfalls einen kreisrunden Querschnitt hat. Der Verlängerungstrichter 31 hat am hinteren Ende einen Flansoh 32,der in die Ausnehmung 22 paßt und mit dem Randflansch 4 durch Schrauben

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verbunden werden kann, die in die Gewindelöcher 30 (Fig. 3) eingeschraubt werden, die im Randflaneoh 4 angebracht sind. Am Austrittsende hat der Verlängerungen trichter 30 einen ringförmigen Umfangsflansoh 33* der wiederum« falls erwünsoht, die Befestigung an einer Wand in der in Fig. 7 gezeigten Weise erlaubt. Es ist nioht erforderlich, daß sioh der Verlängerungstriohter 31 exponentiell erweitert; es genügt eine lineare Erweiterung in Form eines geraden Kreiskegels.

Falls erwünscht, kann das in Fig. 7 gezeigte Fenster 23 auch zwischen den Randflansoh 4 und den Flansoh 32 des Vorlängerungstrichters 31 eingesetzt werden.

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Claims (1)

1. Patentanwälte

   Dipl.-Ing. Dipl.-Chem. Dipl.-Ing.

   E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

   E r η s be r g er s t r a S se 19

   8 München 60

   4. Oktober 1977

   Endress u. Hauser GmbH u. Co,
   Hauptstraße 1
   7B67 Maulburg

   Unser Zeichen: E 914

   Patentansprüche

   (1 .J Mikrowellenantenne mit einem sioh 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.

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

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   Lei/Gl

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

   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 Polytetrafluorethylen ist.

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