CN100432637C - 用于发射无线电信号的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于使用信号生成单元(2)、信号线路(3)、辐射元件(4)和通过背壁(6)在末端区终止的波导管(5)来传送无线电信号的装置，其中信号生成单元(2)生成无线电信号，信号线路(3)将无线电频率信号发送到波导管的辐射元件(4)，辐射元件(4)突出进入波导管(5)。本发明的目的是提出一种用于传送无线电频率测量信号的装置，其特征在于最优的辐射特性。该目的是通过辐射元件(4)这样实现的：将辐射元件(4)与波导管(5)的背壁(6)呈一角度放置，或者与背壁(6)平行的波导管(5)的平面呈一角度放置。

Description

用于发射无线电信号的装置
本发明涉及用于使用信号生成单元、信号线路、辐射元件和通过背壁在末端区终止的波导管来传送无线电信号的装置，其中信号生成单元生成无线电信号，信号线路将无线电频率信号发送到波导管的辐射元件，辐射元件突出进入波导管。
例如，上面描述类型的装置用于使用无线电频率测量信号的延迟时间来确定容器中填充产品高度的仪器。脉冲定时方法采用了根据覆盖距离等于延迟时间和传播速度的乘积的物理一致性的定律。在高度测量中，覆盖距离等效于天线和填充产品表面的距离的两倍。使用“回波”函数、或使用数字化包络线，即代表将回波信号的幅度作为“天线-填充产品表面”距离的函数的包络线，来确定有用的回波信号，即从填充产品表面反射的信号及其延迟时间。然后，从天线到容器底部的已知距离和由仪器确定的填充产品表面到天线的距离之间的差，可以得到高度。
使用电磁信号的延迟时间来确定距离的传统方法是脉冲雷达方法和频率调制连续波(FWCM)方法。在脉冲雷达方法中，循环地传送短微波脉冲。在FWCM方法中，传送连续微波，其中对连续微波进行，例如基于锯齿波的线性频率调制。收到的回波信号频率和在收到时刻的传送信号频率之间的频差独立于回波信号的延迟时间。传送信号和收到信号之间的频差可通过将两个信号混合并计算混合信号的傅立叶频谱来获得，从而对应于例如填充产品的反射器和天线之间的距离。另外，由傅立叶变换获得的频谱的谱线的幅度对应于回波幅度，这意味着傅立叶频谱代表回波函数。
无线电频率测量信号在信号线路和波导管中的传播遵从电磁波传播的物理定律。通常，信号线路是同轴线。输入元件用于将无线电频率测量信号从同轴电缆的内导体发送到波导管的辐射元件。波导管是方的或圆的，而天线具有圆截面，其优选用于高度测量领域，这时由于它们例如比具有方截面的波导管更好地适合安装到容器(槽、窖等)的管口中。
在同轴线中，横向电磁模式(TEM模式)理想情况下的传播没有色射。因此，TEM模式特别适于传送具有特定波长的波分组或电磁波。因此，以TEM模式传播的波分组没有扩频，类似的，以线性进行调制的微波频率在很大程度上防止了任何线性差异。
对于使用天线的电磁波的定向传输，优选使用辐射特性具有显著前瓣的模式。这是能够在圆波导管中传输的横向电基本模式的特性，TE11模式。在方波导管中，相应的基本模式为TE10模式。根据波导管形式中的天线尺寸，分别定义了只有这种基本模式能够传输的频率范围。在该频率范围之上，更高模式也不适于微波传输的定向传输，例如圆波导管中的TM01模式和方波导管中的TM20模式。尽管对于方波导管，明确范围即只有基本模式能够传输的范围相对较大，但圆波导管的明确范围具有相对较窄的比例。因此，当宽带信号输入时除了基本模式以外同时激起的不想要的更高模式的可能性在圆波导管情况下比在方波导管情况下更大。不同模式出现的一个不想要的结果是“振铃(ringing)”。振铃是由能够在波导管中传播的各个模式具有不同传播速度造成的。这表现在传送的脉冲不是突然消失，而是慢慢地减小幅度。该振铃边缘能够在测量范围中覆盖回波信号，或者使得回波信号叠加在测量范围上，从而在确定测量值时会产生较大的误差。
作为题外话，到现在为止已经公开的高度测量仪器的例子在EP 0821 431 A2和DE-GM 93 12 251.9中进行了描述。在EP 0 821 431 A2中，描述了这样的实施例：辐射元件，“传送线”通过背壁被发送到波导管的内部中；而在DE-GM 93 12 251.9中，无线电频率测量信号通过侧壁输入到波导管中。
本发明的目的是提出一种用于传送无线电频率测量信号的装置，其特征在于最优的辐射特性。
该目的是通过将辐射元件与波导管的背壁或者与背壁平行的波导管平面呈一角度放置来实现的。
已知的解决方案通常假定辐射元件，即激励引脚需要被平行于波导管的背壁放置以优化E场输入。
然而，令人惊讶的，当激励引脚不平行于背壁而是与背壁或者与背壁平行的平面呈一角度时，已经发现更好的结果。该角度依赖于其余的输入几何结构并且不能被普遍定义。如前所述，已经发现呈一角度的激励引脚以更单一模式的方式产生激励，即，本质上仅仅激起想要的模式，即基本模式。即使当测量信号以非常宽的带宽输入到波导管中时，也能够达到单一模式输入。另外根据本发明的装置在信号线路和输入元件之间达到了非常好的匹配。由于这两种效果，前面所述的振铃得到了显著降低。另外，不想要的较高模式的抑制使得在辐射方向上达到了具有显著定向特性的想要的辐射响应。
根据本发明的装置的第一改进中，辐射元件通过波导管的背壁传送。在根据本发明的装置的另一个实施例中，辐射元件通过波导管的侧壁传送。
根据本发明的装置的一个有益改进，辐射元件与波导管背壁或者平行于波导管背壁的平面之间的角度是大于4°。
例如，辐射元件可以是传送线。在这种情况下，传送顶部优选放置在传送线的自由端区。做为选择，使用的辐射元件可以是放置在印刷电路板上的导体结构，辐射结构被放置在印刷电路板上与波导管背壁或与波导管背壁平行的平面呈一角度。
根据本发明的装置的一个有益改进，波导管发送到喇叭形(horn)、杆或者抛物线天线。这还允许优化该装置的辐射特性。
为了防止辐射元件沉积，根据本发明的装置的一个有益实施例提供了介质材料，以至少填充传送线区中的波导管内部。特别的，最好介质材料包含一凹槽，其中介质材料从该凹槽突出。例如，介质材料是聚四氟乙烯(PTFE)或三氧化二铝(Al2O3)。
如前所述，根据本发明的装置优选是高度测量仪器的一部分。然而，根据本发明的该装置的应用并不限制为该应用。原则上，该装置可用于使用无线电频率测量信号的任何装置。
本发明将参考附图进行详细描述。
图1示出了根据本发明的装置的第一应用的示意图，
图2示出了根据本发明的装置的第二应用的示意图，以及
图3示出了根据本发明的高度测量仪器的示意图。
图1示出了与杆天线15集成的本发明的装置1的示意图。本发明的装置1包括：信号生成单元2、信号线路3和放置在波导管5中的辐射元件4，其中在该例中为圆波导管。如图所示，辐射元件4是传送线。根据本发明，辐射元件4与波导管的背壁6或者平行于波导管的背壁6的平面都不平行，而是与背壁6或者与平行于背壁6的平面呈一角度放置。
信号生成单元2生成无线电频率测量信号并通过信号线路3将其输入到辐射元件4。在所示的情形下，杆天线15包括圆波导管5，其中通过杆天线15辐射无线电频率测量信号并且接收反射的回波信号。圆波导管5的内部具有放置在其内的杆形介质材料18的末端区。圆波导管5的侧壁8包含开口7，其中套筒9锁定在开口7中，所述套筒9用于将测量信号从信号线路3传送到辐射元件4。辐射元件4位于杆形设计的介质材料18中的相应凹陷14中。
同样由介质材料制成的接合元件17通过凸缘19和安装销20安装在凸缘12上，并同时用于在圆波导管5中匹配和安装杆形介质材料18。
图2示出了与喇叭形天线16集成的本发明的装置1的示意图。尽管辐射特性通过杆形介质材料18在图1所示的杆形天线15的情况下进行优化，但通过在辐射方向连接到波导管5的自由端的喇叭形元件11，也支持在喇叭形天线16情况下的优化。通过放置在波导管5中的介质材料10，喇叭形天线16的定向特性也得到改善，并且在辐射方向逐渐减少。
图3示出了安装在容器21的盖子22的开口24中的本发明高度测量仪器29的示意图。高度测量仪器29是喇叭形天线16，其中使用了根据本发明的装置1。为了确定容器21中的填充产品23的高度，由发生单元25生成的无线电频率测量信号通过喇叭形天线16在填充产品23的表面方向传送。由填充产品23的表面反射的回波信号由接收单元26检测。控制/评估单元使用测量信号和回波信号之间的延迟时间差来确定容器21中的填充产品23的高度。

Claims (9)

1.一种用于使用信号生成单元、信号线路、辐射元件和通过背壁在末端区终止的波导管来传送无线电信号的装置，其中信号生成单元生成无线电频率信号，信号线路将无线电频率信号发送到波导管的辐射元件，通过波导管的侧壁连接的辐射元件突出进入波导管，
其特征在于，
辐射元件(4)与波导管的背壁(6)或者平行于波导管(5)背壁(6)的平面呈一角度放置，使得实现想要模式的单一模式激励。
2.如权利要求1所述的装置，其中，辐射元件(4)和波导管(5)的背壁(6)或者平行于波导管(5)背壁(6)的平面之间的角度大于4°。
3.如权利要求1所述的装置，其中，辐射元件(4)是传送线。
4.如权利要求1所述的装置，其中，辐射元件(4)是放置在印刷电路板上的导体结构，并且导体结构与波导管(5)的背壁(6)或者平行于波导管(5)背壁(6)的平面呈一角度放置在印刷电路板上。
5.如权利要求1所述的装置，其中，波导管(5)连接到喇叭形天线(16)、杆天线(15)或者抛物线天线。
6.如权利要求1或5所述的装置，其中，介质材料(10；18)用于至少填充辐射元件(4)的区中的波导管(5)的内部。
7.如权利要求6所述的装置，其中，介质材料(10；18)包含凹槽(14)，辐射元件(4)突出进入该凹槽(14)。
8.如权利要求6所述的装置，其中，介质材料(10；18)是聚四氟乙烯(PTFE)或三氧化二铝(Al2O3)。
9.如权利要求1所述的装置，其中，该装置是高度测量仪器(29)的一部分。
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