JP5216107B2 - 誘電体アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、電磁給電素子と、誘電材料からなるレンズを備える誘電体アンテナに関する。ここで給電素子は電磁ビームを放射し、レンズに給電領域内で電磁ビームを印加し、レンズは電磁ビームをさらに導き、送信領域で放射する。

誘電体アンテナは、種々異なる技術分野からまったく異なる構造形状で公知である。しかし誘電体アンテナに共通するのは、電磁波を案内し、送信するために誘電材料が使用されることであり、このような誘電材料はとりわけ低損失である。レンズ用の誘電材料として、例えばフッ素樹脂、ポリプロプレン、または誘電率の低い他の誘電体を使用することが公知である。

工業的なプロセス測定技術では、誘電体アンテナが例えば充填状態測定に頻繁に使用される。このような適用領域では、しかし他の適用領域でも、使用されるアンテナができるだけ狭い主放射方向を有し、同時に非常にコンパクトな構造形状を有しているととくに有利である。しかしこの要求は、通例その技術的実現のために取らなければならに構造的手段に相反するものである。主放射方向での狭い指向特性は公知のように、レンズの送信領域のアパーチャ、すなわち開口面が大きいことによって初めて達成することができる。主放射方向を狭くするためにアパーチャを使用するためには、レンズの送信領域から放射される電磁ビームができるだけ平坦な位相フロントを有していなければならない。このような平坦な位相フロントはアンテナの長さを増大すれば簡単に実現可能であるが、このことは所望のコンパクトな構造形状に反するものである。

公知の誘電体アンテナは、狭い主放射方向とコンパクトな構造形状を同時に実現するのが困難である他に、電磁給電素子と、誘電材料からなるレンズとを互いに配置することに関連する別の欠点を有する。電磁給電素子とレンズが互いに直接接触するアンテナ構造形式では、レンズが電磁給電素子の少なくとも一部により包囲される。そのため誘電体レンズが必然的に電磁給電素子の中に突入し、給電素子の中で電磁ビームに曝される（特許文献１）。

別の構造形式では、電磁給電素子と誘電材料からなるレンズとが互いに離して配置されており、そのため電磁給電素子と誘電体レンズとの間に中間スペースが生じる。

前記２つの変形形態は、例えば衛生的適用に適した構造形状を実現するのが困難であるという欠点を有する。給電素子により少なくとも部分的に包囲されたレンズを備えるアンテナを実現するのが、構造的に非常に要求が高いことを別にしても、この構造形式は、給電素子からレンズへの移行部がアンテナのかなりの前方領域にあり、比較的に露出しており、そのため汚染の危険性があるという別の欠点を有する。電磁給電素子とレンズとの間に中間スペースを有するアンテナ構造では、この中間スペースに向いたアンテナ面の汚染の危険性が常にある。さらに過圧適用または負圧適用が、中間スペースの存在のため問題となり得る。

米国特許第６０２３２４６号

したがって本発明の課題は、公知の誘電体アンテナにおける前記欠点を少なくとも部分的に回避することである。

この課題は本発明により、前記の誘電体アンテナにおいて、レンズが少なくとも送信領域で楕円体に成形されており、レンズが給電素子に対して、レンズから放射される電磁ビームがアンテナの主放射方向に実質的に平坦な位相フロントを有することによって解決される。楕円体に成形された誘電体レンズは、非常に短い構造形状を可能にし、同時に、主放射方向に実質的に平坦な位相フロントを有する電磁ビーム放射を形成することができる。

本発明の好ましい実施形態では、誘電体レンズは、少なくとも楕円体に成形されたレンズの送信領域によって規定される楕円体の主軸に対して軸対称である。ここで楕円体の主軸は実質的にアンテナの主放射方向に向いている。ここで楕円体または楕円の主軸とは、幾何学で通常のように楕円体または楕円の長手軸を意味する。すなわち、楕円体または楕円の焦点がある軸である。このような軸対称のレンズは回転対称でもあり、したがってとくに簡単に作製して取り付けることができる。

誘電体アンテナの別の好ましい実施形態では、少なくとも楕円体に成形されたレンズの送信領域によって規定される複数の楕円体の主軸が、実質的に同心に配向されており、楕円体が実質的に共通に１つの焦点を有するととくに好ましいことが判明した。このように構成されたレンズはもはや回転対称である必要はなく、多数の他の形状および対称性を有することができる。しかし主軸を通って延在する各断面は、レンズにより楕円形の切断面となり、これらすべての楕円体の主軸は実質的に同心に配向されている。すなわち互いに重なっている。

楕円体が実質的に共通の１つの焦点を有すると言う場合、これはとりわけ、すべての楕円体の実質的に重ならない第２の焦点が、楕円体の共通の焦点から発して異なる方向で出会うのではなく、すべてがアンテナの主放射方向で、またはすべてが主放射方向とは反対の方向で出会うことを意味する。

本発明のとくに好ましい実施形態では、電磁給電素子が実質的に、少なくとも楕円体に成形されたレンズの送信領域によって規定される楕円体の焦点内に配置されるか、または電磁給電素子が実質的に、少なくとも楕円体に成形されたレンズの送信領域によって規定される楕円体の共通の焦点内に配置される。この好ましい構造原理にしたがう誘電体アンテナはとりわけ、主放射方向に実質的に平坦な位相フロントを形成するのに適することが判明した。

とくに好ましくは、電磁給電素子が、これ自体が放射方向を有する場合、誘電体アンテナ全体の最終的に達成された主放射方向に電磁ビームを放射するように、レンズの焦点または共通の焦点に配置される。このことは、電磁給電素子が、少なくとも楕円体に成形された送信領域を備える、レンズの主軸上または同心の主軸上にあることを意味する。

本発明の別の好ましい実施形態では、電磁給電素子が電磁的ビーム源と導波管を有する。ここでビーム源から放射される電磁ビームは導波管からレンズに導かれ、導波管はレンズの主軸に対してとりわけ同心に配置される。このように導波管により実現された電磁給電素子では、給電素子が電磁ビームの放射に関して顕著な優先方向を自動的に有する。このことは、電磁給電素子を、すでに述べたようにレンズと主放射方向を基準にして配置することに対しての特別の手段で当てはまる。

本発明の誘電体アンテナのこのような構成においてとくに重要なのは、レンズが電磁給電素子の外側に、とりわけ導波管の外側に固定されており、電磁給電素子または導波管のとりわけ外側を部分的に包囲し、とりわけ電磁給電素子または導波管に装着またはネジで取り付けられていることである。この構造的手段は、従来技術から公知の構造に対して複数の利点を有する。

一方ではこのようにして、アンテナ全体の非常に良好なカプセル化が実現され、誘電体アンテナが、達成可能な衛生面に関してとくに高い要求を課す適用、例えば食料品分野での適用に対しても適するようになる。レンズが電磁給電素子または導波管を包囲することによって、レンズと電磁給電素子との間の中間スペースおよび移行個所の数が最小になる。

他方では誘電体レンズの形状とレンズに金属性被覆がないことにより、主放射方向でのレンズの送信領域の投射によって生じるアンテナのアパーチャよりも大きい有効アパーチャが全体で達成される。これにより本発明の誘電体アンテナは、例えば同じ大きさの導波管よりも大きな利得を達成する。付加的に誘電性ロッドアンテナとして導波管を形成しない開放構造により、パルス応答の多重反射が急速に減衰するようになる。

誘電体アンテナのさらなる有利な構成では、レンズが実質的にその給電領域から主放射方向に楕円体に構成され、レンズは実質的にその給電領域から主放射方向とは反対方向にソケット状に、給電素子または導波管を収容するように構成される。レンズのこのような構成と、給電素子ないしは導波管をレンズに対してこのように配置することは、幾何波動光学的理由から高い利得を達成するのに適する。

ソケットは実質的に任意に成形することができ、例えば誘電体アンテナを固定するのにとくに適するように構成することができる。好ましくは、レンズのソケット状に構成された部分はアンテナを製造工程でカプセル化する。このことはソケット状に構成された部分が電磁給電素子を実質的に完全に包囲することにより、とりわけ、ソケット状に構成された部分がアンテナの取付け素子を製造工程で実質的に包囲することにより行われる。ここでレンズの「ソケット状に構成された部分」について述べるとき、シリンダ状に構成された「古典的な」ソケットを意味するだけでなく、前に述べた理由から、とりわけ電磁給電素子またはビーム源の電気的および／または機械的入口と、機械的取付け部材とを少なくとも部分的に包囲する誘電体アンテナの任意の経過とすることができる。

アンテナの別の好ましい構成では、レンズが電磁給電素子の入口領域を除いて楕円体に構成されている。

当業者にとっては簡単に理解できることであるが、レンズを電磁給電素子の外側または導波管の外側に固定することに関して述べた本発明のすべての特質は、その送信領域が楕円体に成形されておらず、任意の形状を有することのできるレンズに対しても同様に適するものである。電磁給電素子にレンズを固定する形式と結び付いた利点は、レンズ形状とは関係がない。

詳細には、本発明による誘電体アンテナを構成し発展させる多数の可能性が存在する。これは、請求項１に従属する請求項、および図面を参照する以下の有利な実施形態の説明を参照されたい。

電磁ビームの概略的ビーム路を示した、本発明の誘電体アンテナの概略的断面図である。 図１に示した誘電体アンテナのレンズ内部および外部の電磁界の分布をシミュレーションした図である。 本発明の誘電体アンテナの概略的斜視図である。 短いソケット状の拡張部を備える本発明の誘電体アンテナの別の実施形態の断面図である。 部分的に拡張されたソケット状の部分を備える本発明の誘電体アンテナの別の実施形態の断面図である。 長いソケット状の拡張部を備える本発明の誘電体アンテナの別の実施形態の断面図である。 ほぼ完全に楕円体に構成されたレンズを備える本発明の誘電体アンテナの実施形態の断面図である。

図１から７は、電磁給電素子２と、誘電材料からなるレンズ３を備える誘電体アンテナを示す。アンテナ１の作用機序は、給電素子２が電磁ビーム４を放射し、レンズ３に給電領域５内で電磁ビーム４を印加することに基づく。ここでレンズ３は電磁ビーム４をさらに導き、レンズの送信領域６により放射する。

すべての図面に示されているのは、レンズ３が少なくとも送信領域６では楕円体に成形されており、レンズ３が給電素子２に対して、レンズ３から放射される電磁ビーム４がアンテナ１の主放射方向７で実質的に平坦な位相フロント８を有するように配置されていることである。ここで位相フロント８は図２にだけ明示的に図示されている。

図１には、概略的に図示された給電素子２から放射された電磁ビーム４がレンズ３内をどのように伝播し、レンズ３の送信領域６内の楕円体に成形されたレンズ３の縁部において波動光学の法則にしたがい屈折され、実質的にレンズ３の主放射方向７に照射される様子がよく示されている。

図２から、楕円体に成形されたレンズ３の送信領域６によりレンズ３の外部では、主放射方向７に実質的に平坦な位相フロント８を形成することができることがよく分かる。このことは、図示の誘電体アンテナ１の構造形状が非常にコンパクトであっても、狭い照射特性にとって有利である。

図面に図示した誘電体アンテナ１は共通して、少なくとも楕円体に成形されたレンズの送信領域６により規定される楕円体の主軸９に対して軸対称のレンズ３を有する。この楕円体の主軸９は、それぞれのアンテナ１の主放射方向７を実質的に指す。このような幾何形状を有するレンズ３はとりわけ簡単に作製することができ、それでも放射される電磁ビーム４に関して所望の特性を有する。

ここに詳細に図示しない他の誘電体アンテナでは、レンズの送信領域がそれぞれ複数の楕円体を規定し、それらの主軸は実質的に同心に整列されている。この場合楕円体はとりわけ、実質的に共通の焦点を有する。なぜならこれによって、放射される電磁ビームの所望の特性が達成されるからである。

図１と２には、電磁給電素子２が、少なくとも楕円体に成形されたレンズ３の送信領域６により規定される楕円体の焦点に実質的に配置されていることがよく示されている。なぜなら、楕円体に成形されたレンズ３の送信領域６の焦点特性が、レンズ３の縁部またはレンズ３の誘電材料の誘電的分岐エッジにおける電磁ビーム４の幾何光学的屈折特性と関連して、レンズ３の環境にとりわけ良好に利用されるからである。

図２から７には、電磁給電素子２が電磁ビーム源１０と導波管１１を取り囲むことが示されている。ここでビーム源１０から放射された電磁ビーム４は導波管１１からレンズ３に導かれ、導波管１１はレンズ３の主軸９に対して実質的に同心に配置されている。

図２から７は、レンズ３が電磁給電素子２の外側１２または導波管１１の外側１２に固定されており、電磁給電素子２または導波管１１を少なくとも部分的に包囲する誘電体アンテナ１を示す。図示の実施形態では、レンズ３が導波管１１にそれぞれねじ留めされている。この構造の利点は明白である。一方では、レンズ３が電磁給電素子２または導波管１１に機械的に非常に安定して固定され、電磁給電素子２が誘電体アンテナ１のレンズ３を包囲する公知の構造の場合よりも格段に安定している。他方では、アンテナ１をこのようにして簡単にカプセル化して作製することができる。さらに図示の誘電体アンテナ１の放射特性は、レンズ３が導波管の金属ジャケットにより部分的に包囲される誘電体アンテナよりも格段に良好である。

図１から６で、図示の誘電体アンテナ１のレンズ３は、その給電領域５から主放射方向７に実質的に楕円体に形成されている。これに対して主放射方向７とは反対の方向に、図示のレンズ３は、給電素子２または導波管１１を収容するようにソケット状に構成されている。

図２から４および図６で、レンズ３のソケット状の形状は実質的にシリンダである。レンズ３はネジ１３に完全にねじ留めされ、レンズ３のソケット状に構成された部分１４はアンテナ１を製造工程でカプセル化する。衛生的要求の高い適用のために必要であるカプセル化は、レンズ３のソケット状に構成された部分１４が電磁給電素子２または導波管１１を実質的に完全に包囲するようにして達成される。

図５には、ソケット状に構成された部分１４が金属フランジ１５の方向に皿状に拡張しており、この金属フランジ１５の大部分を覆っていることが示されている。このことはとりわけ、金属フランジを（ここに図示しない）マウントに固定するために用いる（同様に図示しない）固定エレメントが、アンテナ１の誘電体レンズ３により完全に覆われ、その後でレンズが導波管１１にネジ１３によってねじ留めされる場合に有利である。

図７に図示した誘電体アンテナ１は、電磁給電素子２または導波管１１の入口領域を除いて完全に楕円体に構成されているレンズ３を有する。

Claims (7)

1. 電磁給電素子（２）と、誘電材料からなるレンズ（３）とを備える誘電体アンテナであって、
   前記給電素子（２）は電磁ビーム（４）を放射し、前記レンズ（３）に給電領域（５）内で電磁ビーム（４）を印加し、
   前記レンズ（３）は電磁ビーム（４）をさらに導き、送信領域（６）で放射する誘電体アンテナであって、
   前記レンズ（３）は少なくとも送信領域（６）内で楕円体に成形されており、
   該レンズ（３）は給電素子（２）に対して、レンズ（３）から放射される電磁ビーム（４）が主放射方向（７）に、平坦な位相フロント（８）を有するように配置されている誘電体アンテナにおいて、
   前記電磁給電素子（２）が電磁ビーム源（１０）と導波管（１１）を取り囲んでおり、
   該ビーム源（１０）から放射された電磁ビーム（４）が導波管（１１）からレンズ（３）に導かれ、
   該導波管（１１）はレンズの主軸（９）に対して同心に配置されており、
   前記レンズ（３）は、その給電領域（５）から主放射方向（７）に楕円体に構成されており、主放射方向（７）とは反対の方向には、給電素子（２）または導波管（１１）を収容するようにソケット状に構成されており、
   前記レンズのソケット状に構成された部分（１４）によって前記アンテナが製造工程でカプセル化されており、その際、前記ソケット状に構成された部分（１４）が、電磁給電素子（２）を包囲する、ことを特徴とする誘電体アンテナ。
2. 請求項１記載の誘電体アンテナにおいて、
   前記レンズ（３）は、少なくとも楕円体に成形されたレンズ（３）の送信領域（６）によって規定される楕円体の主軸（９）に対して軸対称であり、
   前記楕円体の主軸（９）は、アンテナの主放射方向（７）に向いている誘電体アンテナ。
3. 請求項１または２記載の誘電体アンテナにおいて、
   少なくとも楕円体に成形されたレンズ（３）の送信領域（６）によって規定される複数の楕円体の主軸（９）は、互いに重なって整列されており、
   当該複数の楕円体は共通の焦点を有する誘電体アンテナ。
4. 請求項１から３までのいずれか一項記載の誘電体アンテナにおいて、
   前記電磁給電素子（２）は、レンズ（３）の少なくとも楕円体に成形された送信領域（６）によって規定される楕円体の１つの焦点に配置されているか、または
   レンズ（３）の少なくとも楕円体に成形された送信領域（６）によって規定される複数の楕円体の共通の焦点に配置されている誘電体アンテナ。
5. 請求項１から４までのいずれか一項記載の誘電体アンテナにおいて、
   前記レンズ（３）は、電磁給電素子（２）の外側（１２）または導波管（１１）の外側（１２）に固定されており、
   前記レンズ（３）は、前記電磁給電素子（２）または導波管（１１）の外側（１２）を少なくとも部分的に取り囲み、電磁給電素子（２）または導波管（１１）に装着またはねじ留めされている誘電体アンテナ。
6. 請求項１から５までのいずれか一項記載の誘電体アンテナにおいて、
   前記レンズのソケット状に構成された部分（１４）は、シリンダ状に構成されている誘電体アンテナ。
7. 請求項１から５までのいずれか一項記載の誘電体アンテナにおいて、
   前記レンズのソケット状に構成された部分（１４）は、皿状に構成されている誘電体アンテナ。

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