Dielektrische Antenne

Die Erfindung betrifft eine dielektrische Antenne mit einem elektromagnetischen Speiseelement und mit einer aus dielektrischem Material bestehenden Linse, wobei das Speiseelement elektromagnetische Strahlung emittiert und die Linse in einem Speisebereich mit der elektromagnetischen Strahlung beaufschlagt, wobei die Linse die elektromagnetische Strahlung weiterführt und mit einem Sendεberεich abstrahlt.

Dielektrischen Antennen sind aus unterschiedlichen Bereichen der Technik in ganz unterschiedlichen Bauformen bekannt. Gemeinsam ist dielektrischen Antennen jedoch, daß zur Führung und Abstrahlung elektromagnetischer Wellen dielektrische Materialien verwendet werden, insbesondere solche dielektrischen Materialien, die besonderes verlustarm sind. Es ist bekannt, als dielek- trisches Material für die Linse z. B. Teflon, Polypropylen zu verwenden oder andere Dielektrika mit niedriger Permittivität.

In der industriellen Prozeßmeßtechnik werden dielektrische Antennen beispielsweise häufig zur Füllstandsmessung verwendet. Bei solchen - aber auch bei anderen - Anwendungsgebieten ist es von besonderem Vorteil, wenn die verwendeten Antennen eine möglichst schmale Hauptabstrahlrichtung und gleichzeitig eine möglichst kompakte Bauform aufweisen. Diese Anforderungen widersprechen sich jedoch hinsichtlich der konstruktiven Maßnahmen, die üblicherweise zu ihrer technischen Umsetzung ergriffen werden müssen. Eine schmale Richtcharakteristik in Hauptabstrahlrichtung kann bekanntlich erst durch eine große Apertur - also öffhungsfläche - des Sendebereichs der Linse erzielt werden. Damit die Apertur auch im Sinne einer schmalen Hauptabstrahlrichtung genutzt wird, muß die von dem Sendebereich der Linse abgestrahlte elektromagnetische Strahlung eine möglichst ebene Phasenfront auf- weist, wobei eine solch ebene Phasenfront mit zunehmender Länge der Antenne einfacher realisierbar ist, was der gewünschten kompakten Bauform ebenfalls entgegensteht.

Bekannte dielektrische Antennen weisen neben der schwierigen gleichzeitigen Verwirklichung einer schmalen Hauptabstrahlrichtung bei gleichteitig kompakter Bauform einen weiteren Nachteil auf, der mit der gegenseitigen An-

ordnung von elektromagnetischem Speiseelement und der aus dielektrischem Material bestehenden Linse zusammenhängt. Bei den Antennenbauformen, bei denen das elektromagnetische Speiseelement und die Linse in direktem Kontakt miteinander stehen, wird die Linse zumindest von Teilen des elek- tromagnetischen Speiseelements umschlossen, wodurch die dielektrische Linse zwangsläufig in das elektromagnetische Speiseelement hineinragt und in dem Speiseelement von elektromagnetischer Strahlung beaufschlagt wird (US 6,023,246).

Bei anderen Bauformen sind das elektromagnetische Speiseelement und die aus dielektrischem Material bestehende Linse beabstandet voneinander angeordnet, so daß sich ein Zwischenraum zwischen dem elektromagnetischen Speiseelement und der dielektrischen Linse ergibt.

Beide zuvor genannten Varianten haben den Nachteil, daß sich eine auch beispielsweise für Hygiene-Anwendungen geeignete Bauform nur schlecht realisieren lassen. Abgesehen von der konstruktiv ohnehin sehr anspruchsvollen Realisierung einer Antenne mit einer von dem Speiseelement zumindest teilweise umfaßten Linse hat diese Bauform zusätzlich den Nachteil, daß der übergang von Speiselement zu Linse in einem weit vorgelagerten Bereich der Antenne liegt und vergleichsweise exponiert und daher schmutzgefährdet ist. Bei der Antennenkonstruktion mit Zwischenräumen zwischen dem elektromagnetischen Speiseelement und der Linse besteht stets die Gefahr der Verschmutzung jener Antennenflächen, die dem Zwischenraum zugewandt sind; ferner können über- und Unterdruckanwendungen aufgrund des vorhandenen Zwischenraums problematisch sein.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aufgezeigten Nachteile bei bekannten dielektrischen Antennen - zumindest teilweise - zu vermeiden.

Die aufgezeigte Aufgabe ist erfindungsgemäß zunächst und im wesentlichen bei der in Rede stehenden dielektrischen Antenne dadurch gelöst, daß die Linse wenigstens im Sendebereich ellipsoidal geformt ist und die Linse zu dem Speiseelement so angeordnet ist, daß die von der Linse abgestrahlte elektromagnetische Strahlung in der Hauptabstrahlrichtung der Antenne eine im we-

sentlichen ebene Phasenfront aufweist. Es hat sich herausgestellt, daß el- lipsoidal geformte dielektrische Linsen eine sehr kurze Bauform ermöglichen bei gleichzeitiger Erzeugung von abgestrahlter elektromagnetischer Strahlung, die im wesentlichen eine ebene Phasenfront in der Hauptabstrahlrichtung aufweist.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die dielektrische Linse achssymmetrisch zur Hauptachse des durch den zumindest eiiipsoidal geformten Sendebereich der Linse definierten Ellipsoids, wobei die Hauptachse des Ellipsoids dann im wesentlichen in die Hauptabstrahlrichtung der Antenne weist. Unter der Hauptachse eines Ellipsoids bzw. unter der Hauptachse einer Ellipse wird hier - wie in der Geometrie üblich - die Längsachse eines Ellipsoids bzw. einer Ellipse verstanden, also jene Achse, auf der die Brennpunkte eines Ellipsoids bzw. einer Ellipse liegen. Solche achssymmetrischen Linsen sind sogar rotationssymmetrisch und daher besonders einfach herstellbar und montierbar.

Bei anderen bevorzugten Ausgestaltungen der dielektrischen Antenne sind die Hauptachsen mehrerer durch den zumindest eiiipsoidal geformten Sendebe- reich der Linse definierter Ellipsen im wesentlichen koaxial ausgerichtet, wobei es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt hat, wenn die Ellipsen einen Brennpunkt im wesentlichen gemeinsam haben. Eine so ausgestaltete Linse muß nicht mehr rotationssymmetrisch sein, kann vielmehr eine Vielzahl von anderen Formen und Symmetrien aufweisen, wobei jedoch jede durch die Hauptachse verlaufende Schnittebene durch die Linse zu einer elliptischen Schnittfläche fuhrt, wobei die Hauptachsen all dieser Ellipsen im wesentlichen koaxial ausgerichtet sind, im wesentlichen also aufeinanderliegen.

Wenn gesagt ist, daß die Ellipsen einen Brennpunkt im wesentlichen gemein- sam haben, dann sind damit vor allem solche Ausgestaltungen gemeint, bei denen die zweiten, nicht im wesentlichen auf- oder ineinanderliegenden

Brennpunkte aller Ellipsen ausgehend von dem gemeinsamen Brennpunkt der

Ellipsen nicht in unterschiedlichen Richtungen anzutreffen sind, sondern sämtlich in Richtung der Hauptabstrahlrichtung oder sämtlich entgegengesetzt der Hauptabstrahlrichtung der Antenne.

Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das elektromagnetische Speiseelement im wesentlichen im Brennpunkt des durch den zumindest ellipsoidal geformten Sendebereich der Linse definierten Ellipsoids angeordnet bzw. ist das elektromagnetische Speiseelement im wesentlichen in dem gemeinsamen Brennpunkt der durch den zumindest ellipsoidal geformten Sendebereich der Linse definierten Ellipsen angeordnet. Es hat sich herausgestellt, daß eine diesem bevorzugten Konstruktionsprinzip folgende dielektrische Antenne besonders geeignet ist, in der Hauptabslrahlrichiung eine im wesentlichen ebene Phasenfront zu erzeugen.

Besonders bevorzugt ist die Anordnung des elektromagnetischen Speiseelements in dem einen oder in dem gemeinsamen Brennpunkt der Linse derart, daß das elektromagnetische Speiseelement - soweit es selbst eine Abstrahlrichtung aufweist - in die letztendlich erzielte Hauptabstrahlrichtung der ge- samten dielektrischen Antenne seine elektromagnetische Strahlung emittiert. Dies bedeutet, daß das elektromagnetische Speiseelement auf der Hauptachse bzw. auf den koaxialen Hauptachsen der Linse mit zumindest ellipsoidal geformtem Sendebereich liegt.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfaßt das elektromagnetische Speiseelement eine elektromagnetische Strahlungsquelle und einen Hohlleiter, wobei die von der Strahlungsquelle emittierte elektromagnetische Strahlung von dem Hohlleiter zu der Linse geleitet wird, wobei der Hohlleiter insbesondere koaxial zur Hauptachse der Linse angeordnet ist. Bei einem solchen mit einem Hohlleiter realisierten elektromagnetischen Speiseelement weist das Speiseelement automatisch eine deutliche Vorzugsrichtung hinsichtlich der Abstrahlung elektromagnetischer Wellen auf, so daß das, was zu der Anordnung des elektromagnetischen Speiseelements in bezug auf die Linse und in bezug auf die Hauptabstrahlrichtung gesagt worden ist, hier in besonderem Maße zutrifft.

Von besonderer Bedeutung ist eine solche Ausgestaltung der erfindungsgemäßen dielektrischen Antenne, bei der die Linse an der Außenseite des elektromagnetischen Speiseelements, insbesondere an der Außenseite des Hohllei- ters befestigt ist, insbesondere die Außenseite des elektromagnetischen Speiseelements bzw. des Hohlleiters zumindest teilweise umgibt, insbesondere auf

das elektromagnetische Speiseelement bzw. auf den Hohlleiter aufgesteckt oder aufgeschraubt ist. Diese konstruktive Maßnahme hat mehrere Vorteile gegenüber bekannten Konstruktionen aus dem Stand der Technik.

Zum einen läßt sich auf diese Art und Weise eine sehr gute Kapselung der Antenne insgesamt realisieren, so daß die dielektrische Antenne auch für Anwendungen geeignet ist, die besonders hohe Anforderungen hinsichtlich der erzielbaren Hygiene haben, wie beispielsweise Anwendungen im Lebensmittelbereich. Dadurch, daß die Linse das elektromagnetische Speiseelement bzw. den Hohlleiter umgibt, wird die Anzahl der Zwischenräume und übergangsstellen zwischen Linse und elektromagnetischem Speiseelement minimiert.

Zum anderen wird durch die Form der dielektrischen Linse und aufgrund der fehlenden metallischen Ummantelung der Linse insgesamt eine wirksame Apertur erreicht, die größer ist als die nur durch Projektion des Sendebereichs der Linse in Hauptabstrahlrichtung wahrgenommene Apertur der Antenne, so daß die erfindungsgemäße dielektrische Antenne einen größeren Gewinn erzielt als beispielsweise ein Hornstrahler gleicher Größe. Zusätzlich sorgt die offene Struktur, die anders als ein Stielstrahler keinen Wellenleiter bildet, dafür, daß Mehrfachreflexionen der Impulsantwort schnell abklingen.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der dielektrischen Antenne ist die Linse im wesentlichen ab ihrem Speisebereich in Hauptabstrahlrichtung ellipsoidal ausgebildet und ist die Linse im wesentlichen ab ihrem Speisebereich entgegen der Hauptabstrahlrichtung stutzenartig ausgebildet, nämlich zur Aufnahme des Speiseelements bzw. des Hohlleiters. Eine solche Ausgestaltung der Linse und Anordnung des Speiseelements bzw. des Hohlleiters gegenüber der Linse ist aus geometrisch-wellenoptischen Gründen in beson- derem Maße dazu geeignet, einen hohen Gewinn zu erzielen.

Der Stutzen kann praktisch beliebig ausgeformt sein und so ausgestaltet werden, daß er beispielsweise zur Befestigung der dielektrischen Antenne besonders geeignet ist. Bevorzugt kapselt der stutzenartig ausgebildete Teil der Lin- se die Antenne prozeßseitig ab, insbesondere indem der stutzenartig ausgebildete Teil das elektromagnetische Speiseelement im wesentlichen vollständig

umgibt, insbesondere auch, indem der stutzenartig ausgebildete Teil die Montageelemente der Antenne prozeßseitig im wesentlichen umgibt. Wenn hier von dem "stutzenartig ausgebildeten Teil" der Linse die Rede ist, dann ist damit nicht nur ein "klassischer" Stutzen gemeint, der also zylindrisch ausgestal- tet ist, sondern aus dem vorher Gesagten ergibt sich vielmehr, daß es sich um einen beliebigen Auslauf der dielektrischen Antenne handeln kann, der insbesondere den elektrischen und/oder mechanischen Zugang der elektromagnetischen Speisequelie bzw. der Strahiungsqueiie und mechanische Anbauteile - zumindest teilweise - umgibt.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Antenne ist die Linse bis auf den Zugangsbereich des elektromagnetischen Speiseelements ellipsoidal ausgebildet.

Für den Fachmann ist ohne weiteres verständlich, daß alle hinsichtlich der Befestigung der Linse an der Außenseite des elektromagnetischen Speiseelements bzw. an der Außenseite des Hohlleiters beschriebenen erfindungsgemäßen Eigenschaften gleichermaßen geeignet sind auch für Linsen, die in ihrem Sendebereich nicht ellipsoidal ausgeformt sind, vielmehr eine beliebige Form aufweisen können. Die mit der Art der Befestigung der Linse an dem elektromagnetischen Speiseelement verbundenen Vorteile sind unabhängig von der Linsenform.

Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsge- mäße dielektrische Antenne auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 die schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine erfindungsgemäße dielektrische Antenne mit skizziertem Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung,

Fig. 2 die Simulation der elektromagnetischen Feldverteilung innerhalb und außerhalb der Linse der in der Fig. 1 dargestellten dielektrischen Antenne,

Fig. 3 eine schematische, perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen dielektrischen Antenne,

Fig. 4 ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel einer erfindungsgemäßen dielektrischen Antenne mit einer kurzen stutzenartigen Erweiterung in Querschnittdarstellung,

Fig. 5 ein weiteres Ausfiihrungsbeispiel einer erfindungsgemäßen die- lektrischen Antenne mit einer tellerartig erweiterten stutzenartigen Ausbildung in Querschnittdarstellung,

Fig. 6 ein weiteres Ausfiihrungsbeispiel einer erfindungsgemäßen dielektrischen Antenne mit einer langen stutzenartigen Erweiterung in Querschnittsdarstellung und

Fig. 7 ein Ausfiihrungsbeispiel einer erfindungsgemäßen dielektrischen

Antenne, mit einer fast vollständig ellipsoidal ausgebildeten Linse.

Die Fig. 1 bis 7 zeigen eine dielektrische Antenne 1 mit einem elektromagnetischen Speiseelement 2 und mit einer aus dielektrischem Material bestehenden Linse 3. Die Funktionsweise der Antenne 1 beruht stets darauf, daß das Speiseelement 2 elektromagnetische Strahlungen 4 emittiert und die Linse 3 in einem Speisebereich 5 mit der elektromagnetischen Strahlung 4 beaufschlagt, wobei die Linse 3 die elektromagnetische Strahlung 4 weiterfuhrt und mit einem Sendebereich 6 der Linse abstrahlt.

In allen Figuren ist dargestellt, daß die Linse 3 wenigstens im Sendebereich 6 ellipsoidal geformt ist und die Linse 3 zu dem Speiseelement 2 so angeordnet ist, daß die von der Linse 3 abgestrahlte elektromagnetische Strahlung 4 in der Hauptabstrahlrichtung 7 der Antenne 1 eine im wesentlichen ebene Phasenfront 8 aufweist, wobei die Phasenfront 8 explizit lediglich in Fig. 2 zu erkennen ist.

In Fig. 1 ist gut zu erkennen, wie sich die von dem schematisch dargestellten Speiseelement 2 emittierte elektromagnetische Strahlung 4 innerhalb der Linse 3 ausbreitet und an der ellipsoidal geformten Berandung der Linse 3 im Sendebereich 6 der Linse 3 gemäß den Gesetzen der Wellenoptik gebrochen wird und im wesentlichen in die Hauptabstrahlrichtung 7 von der Linse 3 abgestrahlt wird.

In Fig. 2 ist besonders gut zu erkennen, daß mit dem ellipsoidal geformten Sendebereich 6 der Linse 3 außerhalb der Linse 3 in Richtung der Hauptab- Strahlrichtung 7 im wesentlichen ebene Phasenfronten 8 erzeugt werden können, was besonders vorteilhaft ist für eine enge Abstrahlcharakteristik, obwohl die Bauform der dargestellten dielektrischen Antennen 1 sehr kompakt ist.

Die in den Figuren dargestellten dielektrischen Antennen 1 haben gemeinsam, daß die Linse 3 achssymmetrisch zur Hauptachse 9 des Ellipsoids ist, der durch den zumindest ellipsoidal geformten Sendebereich 6 der Linse definiert ist, wobei die Hauptachse 9 des Ellipsoids im wesentlichen in die Hauptabstrahlrichtung 7 der jeweils dargestellten Antenne 1 weist. Linsen 3 mit einer solchen Geometrie sind besonders einfach zu fertigen und haben dennoch die gewünschten Eigenschaften in bezug auf die abgestrahlte elektromagnetische Strahlung 4.

Bei anderen, hier nicht näher dargestellten dielektrischen Antennen definiert der Sendebereich der Linsen jeweils mehrere Ellipsen, deren Hauptachsen im wesentlichen koaxial ausgerichtet sind. Die Ellipsen haben insbesondere dann einen Brennpunkt im wesentlichen gemeinsam, weil sich dadurch die gewünschten Eigenschaften der abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung erzielen lassen.

Anhand der Fig. 1 und 2 läßt sich besonders gut erkennen, daß das elektromagnetische Speiseelement 2 im wesentlichen in einem Brennpunkt des durch den zumindest ellipsoidal geformten Sendebereich 6 der Linse 3 definierten Ellipsoids angeordnet ist, weil sich die Brennpunkteigenschaft des ellipsoidal geformten Sendebereichs 6 der Linse 3 im Zusammenhang mit den geome- trisch-optischen Brechungseigenschaften elektromagnetischer Strahlung 4 an der Berandung der Linse 3 bzw. an der dielektrischen Sprungkante des dielek-

trischen Materials der Linse 3 zur Umgebung der Linse 3 besonders vorteilhaft ausnutzen lassen.

In den Fig. 2 und 4 bis 7 ist dargestellt, daß das elektromagnetische Speise- element 2 eine elektromagnetische Strahlungsquelle 10 und einen Hohlleiter 1 1 umfaßt, wobei die von der Strahlungsquelle 10 emittierte elektromagnetische Strahlung 4 von dem Hohlleiter 11 zu der Linse 3 geleitet wird, wobei der Hohlleiter 11 im wesentlichen koaxial zur Hauptachse 9 der Linse 3 angeordnet ist.

Die Fig. 2 bis 7 zeigen solche dielektrischen Antennen 1, bei denen die Linse 3 an der Außenseite 12 des elektromagnetischen Speiseelements 2 bzw. an der Außenseite 12 des Hohlleiters 11 befestigt ist und das elektromagnetische Speiseelement 2 bzw. den Hohlleiter 11 zumindest teilweise umgibt. In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Linse 3 auf den Hohlleiter 11 jeweils aufgeschraubt. Die Vorteile dieser Konstruktion liegen auf der Hand. Zum einen läßt sich so eine mechanisch sehr stabile Befestigung der Linse 3 an dem elektromagnetischen Speiseelement 2 bzw. an dem Hohlleiter 11 realisieren, jedenfalls erheblich stabiler als dies bei bekannten Konstruktionen möglich ist, bei denen das elektromagnetische Speiseelement 2 die Linse 3 der dielektrischen Antenne 1 umfaßt. Zum anderen kann die Antenne 1 auf diese Weise sehr einfach gekapselt hergestellt werden. Darüber hinaus sind die Ab- strahlungseigenschaften der dargestellten dielektrischen Antennen 1 deutlich besser als bei solchen dielektrischen Antennen, bei denen die Linse 3 teilweise von einem metallischen Mantel umgeben wird, nämlich dem metallischen Mantel des Hohlleiters.

In den Fig. 1 bis 6 sind die Linsen 3 der dargestellten dielektrischen Antennen 1 im wesentlichen ab ihrem Speisebereich 5 in Hauptabstrahlrichtung 7 el- lipsoidal ausgebildet. Entgegen der Hauptabstrahlrichtung 7 sind die dargestellten Linsen 3 dagegen stutzenartig ausgebildet, nämlich zur Aufnahme des Speiseelements 2 bzw. des Hohlleiters 11.

In den Fig. 2 bis 4 und 6 ist die stutzenartige Ausbildung der Linse 3 im we- sentlichen zylindrisch, wobei die Linse 3 vollständig auf ein Gewinde 13 aufgeschraubt wird und der stutzenartig ausgebildete Teil 14 der Linse 3 die An-

tenne 1 prozeßseitig kapselt. Die Kapselung, die insbesondere auch für Anwendungen mit erhöhten Hygieneanforderungen notwendig ist, wird dadurch erzielt, daß der stutzenartig ausgebildete Teil 14 der Linse 3 das elektromagnetische Speiseelement 2 bzw. den Hohlleiter 11 im wesentlichen vollständig umgibt.

In Fig. 5 ist zu erkennen, daß der stutzenartig ausgebildete Teil 14 in Richtung auf einen metallischen Flansch i 5 teiierartig erweitert ist und den metallischen Flansch 15 zu einem großen Teil abdeckt. Dies ist insbesondere dann vorteil- haft, wenn die - hier nicht dargestellten - Befestigungselemente, die zur Befestigung des metallischen Flansches an einer hier ebenfalls nicht dargestellten Unterlage dienen, durch die dielektrische Linse 3 der Antenne 1 vollständig abgedeckt werden, nachdem die Linse 3 auf den Hohlleiter 11 mittels des Gewindes 13 aufgeschraubt worden ist.

Die in Fig. 7 dargestellte dielektrische Antenne 1 weist eine Linse 3 auf, die bis auf den Zugangsbereich des elektromagnetischen Speiseelements 2 bzw. des Hohlleiters 11 vollständig ellipsoidal ausgebildet ist.