CN100354612C - 槽型天线 - Google Patents

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Abstract

一种用于确定存储在存储罐(1)中的介质(2)的表面(6)标高的雷达水准仪中的天线(10)。天线(10)拥有一个第一(11)和一个第二(13)导电层，以及一个导电层(11，13)之间的介电层(12)。第二导电层(13)配备有一系列呈一个预确定模式的孔(14)。导向介电层(12)中心的是一条传输线(15)，把来自雷达水准仪中的一个雷达单元(3)的微波经由这一传输线(15)供给于介电层(12)，并沿径向方向从作为波导管的介电层中的一个馈送点将其向外传输。经由第二导电层(13)中的所述孔(14)，一个微波波束向外辐射。由于微波的相位和这些孔所形成的图案中的各孔(14)的放置之间的匹配，所以可以获得所希望量级的一个主要波导模式。

Description

槽型天线
技术领域
本发明涉及一种用于水准仪的天线，其中水准仪使用雷达确定存储在存储罐中的介质的表面标高，本发明提供了用于导致将从天线加以传输的主要和预确定微波模式的一种设备和一种方法。
背景技术
使用雷达水准仪测量存储在存储罐中的介质的表面标高，是人们所熟悉的。美国专利说明4641139中给出了这样的设备的例子。在该专利说明中所描述的类型的设备中，在从存储罐中的介质的表面的反射之后，把一个与存储罐中的介质相通的管子用作雷达单元所传输的、并由该雷达单元加以接收的微波的一个波导管。
在标高测量中，用作波导管的管子通常呈圆形，并拥有一个至少两倍于雷达单元中所使用的微波波长的直径。当按给定条件在管子中传输微波时，在管状波导管中，传输一系列不同的微波模式。为了获得唯一所希望的微波模式，在这一情况中，使用了一个包括一个用于生成一个较高量级的微波模式波导的模式生成器，另外还包括作为存储罐中从较窄的波导管到较宽的管子的一个过渡阶段的一个长的、锥形的天线，用于在管状波导管中传输所希望的模式。
本发明提供了天线的一种可供选择的设计，其中，这一天线的设计使一个独立模式生成器成为多余。
专利说明EP 1083 413中，提供了一种使用一个扁平天线实现一个微波模式的人们所熟悉的天线结构。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种针对用于确定存储罐中的介质的表面标高的雷达水准仪的天线。把一个拥有一个至少两倍于所传输微波波长的直径的管子用作存储罐内的一个波导管。这一天线拥有一个第一和第二导电层，以及导电层之间的一个介电层。第二导电层配备有一系列呈一个预确定模式的孔。一条传输线导向介电层。可以把来自雷达水准仪中的一个雷达单元的微波经由这一传输线供给于天线中的介电层，并沿径向方向从作为一个波导管的介电层的一个馈点将其向外传输。经由第二导电层中的所述孔，把一个微波波束向外辐射到围绕所述第二导电层的空间中。由于微波的相位和这些孔所形成的一个图案中的各孔的放置之间的匹配，所以可以获得所希望量级的一个主要波导模式。
图案可包括一系列制作为槽的孔，按槽的Z字形线排列这些槽，其中，Z字形线从传输线的馈送点附近的一个点开始，沿半径展开。
介电层的厚度可小于经由天线传输的微波的波长的一半。
根据本发明的一个第二方面，提供了一种用于从水准仪中的天线生成一个主要微波模式的方法，用于所述模式的传输，其中雷达用于确定存储罐中的介质的表面标高的，其中，该方法包括下列阶段：经由一条传输线，把一个微波信号从雷达传输到介电层，把一个第一和一个第二导电层排列在介电层的每一侧，并与介电层12相邻接，在用作波导管的介电层中，从传输线，径向向外地传输微波信号，在第二导电层中，允许微波信号穿过形成一个预确定图案的一系列孔，以及通过使孔图案适合于微波信号的频率和相位，获得经由第二导电层中的孔向外辐射的主要微波模式。
在分别使用根据本发明的设备和方法进行的测量中，所希望的主模式为H01模式。
当天线中的层呈圆形时，较佳的做法是令向介电层的微波信号的馈入发生在这一层的中心。较佳的做法是固定所辐射的微波波束，以正交地向外辐射到天线的各层上。通过调整孔的图案，可以实现所辐射的波束和天线各层之间其它的角度。
与根据先前用于产生所希望的波导模式的人们所熟悉的方法相比，根据本发明的这些方面的天线的一个优点是，设备较为简单。另一个优点是，不需要旨在实现一个主要模式的模式生成器。
与本发明所提供的设备中相比，在根据EP 1083 413的人们所熟悉的设备中，天线功能拥有更多的部分，包括更多的介电层。在本发明的设备中，没有使用向其供给微波信号的馈送网络，例如，使用根据所述专利的天线的情况。用一个介电层代替针对微波信号的供给介质，其中介电层从介电层的中心径向地向外馈送信号，第二导电层中的实际的孔或槽作为天线元件。而且，由于呈导电层形式的导电平面对公差无过分的要求，所以可以把天线制造得更加结实。可以在金属层上刻出或在印刷电路板上蚀刻出它们。
附图说明
图1示意性地描述了用于确定存储在存储罐中的介质的表面标高的存储罐中的雷达水准仪。
图2示意性地描述了共同构成根据本发明的这些方面的天线的不同的层。
图3描述了根据天线实现一个预确定微波模式的一个槽型图案的实例。
具体实施方式
以下，参照附图描述一个实施例的实例。
图1中描述了雷达水准仪的原理。把一个存储罐1用作一个介质2的存储器。介质可以为液体，例如石油、提炼的产品；液体形式的气体，或者可以由颗粒材料组成，即由一种粉末状固体物质组成。把一个雷达3安装在存储罐1的顶部4上，从存储罐1的顶部4经由存储罐内部的天线5从雷达传输微波波束和由雷达接收微波波束。把所传输的波束从介质的表面6加以反射，并且由天线5加以拾取。通过在一个计算和控制单元中比较和估计使用传输的和反射的信号特征之间的微波时的时间延迟，按一种已知的方式确定介质的表面6的标高。该图还描述了经由一个与介质相通的管形波导管7，通过波导管壁上的一个开口(未在图中加以显示)传输微波的情况，在这一情况中，介质为液体。
图2中描述了根据本发明的一个天线10的结构。根据以上的描述，这一天线旨在于雷达水准仪中传输和接收微波信号。在这一图中，说明了一个第一导电层11。于是，可以由一个金属层，例如薄铜板，形成第一导电层11。紧靠第一导电层11实施介电层12，并与其相结合。介电层拥有一个由微波的频率和传播速度所确定的厚度。该厚度应当小于选定频率的波长的一半。介电层中的材料可以为聚四氟乙烯，但也可以由任何拥有足够低的损耗和承受放置天线的空间中的环境(例如这一空间中的温度)的电介质组成。天线10中的下一层由一个第二导电层13组成，这一层与介电层12的另一侧相结合，即，与面对第一介电层11而又与第一介电层11相间的所述介电层的那一侧相结合。最好把这一第二导电层也制作为一个由铜或其它导电材料构成的金属层。在这一第二导电层13上已钻或刻出了一系列的孔。在所示实例中，这些孔由按某一图案制作的长方形槽14组成。在所示实例中，把所有层描述为圆形层，因为在这一实例中把天线用于传输和接收一个圆形波导管中的微波。也制作为一个由铜或其它导电材料构成的金属层。图案的外观由旨在加以实现的现场图像加以确定。在P.W.Davis和M.E.Bialkowski于1997年7月撰写在IEEE论文集第7期AP-45卷上的关于天线与传播(Antennas and Propagation)的文章中，简要地说明了用于计算天线参数的理论，例如用于计算所希望的微波模式中的槽的位置和槽的几何形状的理论。其中所描述的天线旨在针对正常的天线功能，即通常的抛物面天线。在本情况中，在天线中已经考虑到一个主要波导模式的生成，并为这一目的计算了图案。
把第一11和第二导电层13接地，有利于防止各层的静电充电。可以通过把第一层连接到一条传输线的接地的包层上实现接地。例如，通过在第一和第二导电层之间各层的外围的一个导电连接实现第二层的接地。对于导电层11，13，一种可供选择的方法是，将它们连接到周边导电材料上，例如将它们连接到其中固定了天线的管状波导管7上。
经由一条传输线15，从雷达水准仪3的雷达单元向天线供给微波信号。以在层中所制作的开口的形式为第一导电层11配备一个导通孔16。把传输线15的信号承载部分设计成可经由导通孔16导入，并终止于居中地形成在介电层12的一个空穴中。这一空穴可以为一个凹槽，例如，这一凹槽按用作传输线的信号承载第三导线的尺寸加工，并接纳第三导线。由于这一设置以及把介电层定位在两个导电层之间这一事实，将类似一个波动把微波信号径向地从空穴17朝介电层12的外围传播，其中，介电层作为一个波导管。可以把一个吸收层施加在介电各层的外围，以获得更好的性能。此处，作为沿介电层12的外围封闭电层12的一个环或镶边形成吸收层，并将其定位在两个导电层11，13之间。
如以上所述，第二导电层13配备有一系列槽14。以在介电层12中传播的微波信号的形式的波动，将通过孔，即形成在第二导电层13中的槽泄漏，在这一情况中，微波能将从所述第二导电层13向外辐射，这一设备如天线一样动作。通过使槽14的位置适合于所使用的微波信号，可以使所希望的微波模式得以生成。这发生于微波信号及其相位积极地与第二导电层13中的槽14的位置进行交互时。由于从相应槽泄漏的波部分之间的积极的干扰，所以对它们加以聚集，以形成一个所希望的微波模式。其后的理论上的计算，代表着现有技术，因此不在这里加以描述。此处所希望的微波模式为H01(可供选择的描述为TE01)，因为这一模式非常适合于用作存储罐中的波导管的所述管子中的标高测量。所述模式适用于观察型测量，因为它给出了预期管状波导管7中低的衰减，甚至是当波导管生锈或变污时。当使用所描述的天线结构时，微波信号的其它模式仅低程度地出现，无需为其它模式的衰减而担忧。图2中所示的槽图案是与某一微波模式相连接的一个特定的图案，在所示的实例中，用于生成H01模式。
如果把天线10跨越管状波导管7加以放置，即按直角向管子加以放置，则把所传输的微波波束正交于天线的表面，即正交于各导电层的平面加以设置。另一方面，如果希望把天线10相对于水平平面滑入，则按这样的方式制作槽的图案：通过积极干扰从相应槽所辐射的微波能量创建了一个与天线表面成对角线角度的微波波束。

Claims (12)

1.一种用于确定存储罐(1)中的介质(2)的表面(6)标高的水准仪中的雷达(3)的天线(10)，其特征在于包括：
-一个第一导电层(11)和一个第二导电层(13)，
-一个在第一导电层(11)和第二导电层(13)之间的介电层(12)，
-一系列在第二导电层(13)中按一个预确定图案制作的孔(14)，以及
-一条传输线(15)，经由一个连接安装于介电层(12)，其中，把来自雷达(3)的微波经由这一传输线(15)的连接供给于介电层(12)，并沿径向方向从这一连接在介电层中向外分布出去，并经由第二导电层中的孔(14)，以一个预确定的主要微波模式从介电层向外辐射。
2.根据权利要求1的天线，其中，图案中的各孔的位置和孔的几何形状基于预确定的微波模式以及各孔处的微波频率和相位位置。
3.根据权利要求2的天线，其中，经由介电层(12)中居中设置的一个连接，把微波馈送到该层。
4.根据权利要求1的天线，其中，第一导电层(11)制作有一个针对用于把微波信号供给于介电层(12)的传输线(15)的导通孔(16)。
5.根据权利要求2的天线，其中，在介电层(12)形成一个空穴(17)，以接纳用于把微波向外传输到外围介电层中的传输线(15)的馈送部分。
6.根据权利要求2的天线，其中，已按这样的一个图案设置了孔(14)：所传输的微波模式将为H01模式。
7.根据权利要求6的天线，其中，图案包括一系列制作为槽的孔(14)，按槽的Z字形线排列这些槽，其中，Z字形线从传输线的馈送点附近的一个点开始，沿半径展开。
8.根据权利要求1～7的任何一个的天线，其中，把第一导电层(11)和第二导电层(13)至少之一接地。
9.根据权利要求1～7的任何一个的天线，其中，天线(10)经由一个管子(7)，传输和接收由表面(6)所反射的一个微波信号，管子(7)用作针对分别由雷达(3)所传输和接收的微波的一个波导管。
10.根据权利要求9的天线，其中，管子(7)拥有一个至少两倍于微波波长的直径。
11.根据权利要求1～7的任何一个的天线，其中，介电层(12)的厚度小于经由天线传输的微波的波长的一半。
12.用于从水准仪中的天线(10)生成一个主要微波模式的方法，用于所述模式的传输，其中雷达(3)用于确定存储罐(1)中的介质(2)的表面(6)的标高，其中，该方法包括下列阶段：
-经由一条传输线(15)，把一个微波信号从雷达(3)
传输到介电层(12)，
-把一个第一导电层(11)和一个第二导电层(13)排列在介电层(12)的每一侧，并与介电层(12)相邻接，
-在用作波导管的介电层中，从传输线(15)，径向向外地传输微波信号，
-在第二导电层(13)中，允许微波信号穿过形成一个预确定图案的一系列孔(14)，以及
通过使孔图案适合于微波信号的频率和相位，获得经由第二导电层中的孔向外辐射的主要微波模式。
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