CN101027815B - 用于传输宽带高频信号的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于传输中波(1m)宽带高频信号(16)的装置(2)，其包括传导结构(7)，该传导结构包括至少一条信号路径(11)和关于信号路径(11)对称设置的两条参考路径(12)，它们共同形成共面线路(13)，传导结构(7)设置在预定厚度(d)的至少一个电介质衬底层(18)的两个相对侧面上，使得传导结构(7)构成在预定的耦合区域(9)中重叠的流电隔离，从而传导结构(7)的耦合区域(9)通过电磁耦合(10)而传输高频信号(16)，其中衬底层(18)的厚度(d)小于1m/4，并且多个电磁耦合(10)顺序串行设置。本发明的目的是实现在大于6GHz的频率的情况中具有良好传递性能的流电隔离。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于传输中波宽带高频信号的装置，其包括传导结构，该传导结构包括至少一条信号路径和关于信号路径对称设置的两条参考路径，信号路径和两条参考路径共同形成共面线路，其中传导结构这样设置在预定厚度的至少一个电介质衬底层的两个相对侧面上，使得传导结构构成在预定的耦合区域中重叠的流电隔离，从而传导结构的耦合区域通过电磁耦合而传输高频信号。
背景技术
这种类型的流电隔离例如可以在过程测量技术的测量仪表中找到。这种测量仪表经常用于自动化及过程控制技术，用于测量过程变量，例如流量、料位、压力、温度或其它过程中的物理和/或化学过程变量。例如，本申请人制造并销售的商标为Micropilot的测量仪表，其根据行程时间测量方法工作并且用于确定和/或监控容器中的介质料位。在行程时间测量方法中，经由天线发射例如微波、雷达波或超声波，并且在依赖于距离的信号行程时间之后，在介质表面上反射的回波被接收。从行程时间，可以计算容器中的介质料位。用于确定容器中料位的多种测量方法的另一个测量原理是，微波导波，或TDR(时域反射)测量方法。在TDR测量方法中，例如高频脉冲沿Sommerfeld表面波导或同轴波导发出，并在遇到围绕表面波导的介质的DK(电介质常数)值的跳变时被部分反射回来。从发出高频脉冲和接收到反射的回波之间的时间差，可以确定料位。所谓的FMCW(调频连续波)方法同样可应用于上述测量原理。
本发明涉及的装置类型用于确保接地的过程空间和测量仪表之间的流电隔离。由于防爆的需要，过程空间或与过程接触的元件必须为地电势，所以流电隔离在过程测量技术中是需要的。两个电势之间的差导致接地的过程元件和测量仪表之间的电压，从而引起电流。这个电流具有以下缺点：参考地的线路被严重地加载电流。这使得地线的温度明显增加，从而不能保证测量仪表的防火等级“固有安全”。
在商业化的测量仪表的情况中，电流电路的隔离往往在测量仪表的输入区域实现，即，馈电线和信号线流电隔离。在施加交流电的情况中，馈电线的流电隔离主要利用变压器通过电感耦合或者利用电容器通过电容耦合而实现。在测量仪表的直流供电的情况中，直流转换器将测量仪表的电源线分离，或者线路中流动的电流被辅助元件限制。对于信号，数据线的流电隔离主要经由光电耦合器实现。总之，这种测量仪表输入模块中的防爆实施例的缺点在于，对于位于过程空间中的元件与外围仪器的流电隔离，需要多个昂贵且易受干扰的元件。
为此，在高频技术领域中，长久以来一直在尝试将流电隔离集成在高频侧，因为这里主要只有信号线和参考线需要被流电隔离，这可以利用成本低廉的平面波导技术实现。
在WO 03/063190 A2中，记载了一种通过HF插塞连接的简单流电隔离，用于遵从防火等级“固有安全”。同轴插塞系统由插座和插塞组成，插塞包含用于流电隔离的分离层。插塞还可以被半刚性电缆替代。这个防火等级“固有安全”的需求的实施的缺点是，制造流电隔离的插塞连接非常困难且昂贵。另外，这些插塞连接的接头中的信号被插塞系统中的线路结构的几何跳变而非常强烈地反射或衰减。对于高频，例如高于20GHz，内部导体的流电隔离由于插塞连接的几何形状而不再能够通过简单地经由插塞连接的耦合区域的耦合而实现，从而内部导体必须被另外的元件，特别是电容流电隔离。
在DE 199 58 560 A1中，公开了基于使用切槽线路的高频信号流电隔离。在这个文献中，两个切槽线路并行地彼此相叠设置，从而从一个切槽线路发出的电磁辐射耦合入另一切槽线路。以这种方式，得到了在两个切槽线路之间的流电隔离的连接。切槽线路适应穿过分离层是通过微带线路实现的。
这种形式的缺点在于耦合结构的复杂的多层结构，其需要多个制造处理步骤。另外，与共面线路相比，切槽和微带线路结构的耗散更大，即，电磁波在介质中的传播速度更加依赖于波长或频率。
在EP 0882 995 A1中，公开了多种类型的共面导电迹线结构的流电隔离。在共面导体技术中，三个分离的平面波导彼此相邻地施加于衬底上，中间的平面波导携带信号而另两个平面波导作为中间的平面波导的边界并形成屏蔽线路。在这个文献中公开了平面波导的流电隔离的若干选择：
-平面波导分离，并且电容位于分离的位置；和
-线路也被简单地分离，其中一个线路片段位于衬底的相对侧并且线路的片段在空间上重叠；
-信号被通过这些重叠的片段而电容耦合。
这种流电隔离装置的缺点在于，这些措施仅仅在几GHz的频率范围中具有良好的耦合性能。它们对于高于大约6至10GHz的高频不再足够。原因是通过厚度＞1mm的衬底实现的信号的电容耦合的质量太小，并且在平面波导末端上将会出现非常高的高频信号辐射。
发明内容
本发明的目的是实现在高于6GHz的频率具有良好传输特性的流电隔离。
这个目的根据本发明的实施例通过一种用于传输中波宽带高频信号的装置实现，其包括传导结构，该传导结构包括至少一条信号路径和两条关于信号路径对称设置的参考路径，它们共同形成共面线路，其中传导结构设置在预定厚度的至少一个电介质衬底层的两个相对面上，使得传导结构在预定的通过衬底层而在空间上分离的耦合区域中重叠，从而传导结构的耦合区域作为流电隔离而通过电磁耦合传输高频信号。衬底层的厚度小于中波的四分之一lm/4；实现传导结构的耦合区域的宽度和长度和/或衬底层的厚度，使得高频信号的电磁耦合在耦合区域上最大化并且传导结构的波阻得以匹配；耦合区域中的重叠的长度约为中波的四分之一lm/4；并且在信号路径中和在共面的传输线路的两条参考路径中的至少三个耦合区域顺序串行设置，作为多重流电隔离，用于将固有安全区域与非固有安全区域分离。对于频率范围高于6GHz的高频信号的本发明的无电势传输，需要小于高频信号的入射中波lm的lm/4的间距，以保证平面波导或对称的共面波导中入射信号的最优传输。相反，如果如上所述，选择耦合区域的较大间距，那么高频信号的电磁耦合质量非常低，并且在不匹配的高频信号电磁耦合中经历严重的损耗。由于在高频时这个小于lm/4的间距不足于实现指定了最小间距1mm的防爆规则“防火类型-固有安全”(EN50020)，根据本发明，流电隔离或电磁耦合是以小于1mm的间距加倍而实现的。以这种方式，尽管低于最小间距仍能满足标准。本发明的设置的优点可以归纳如下：装置对于外部干扰影响不敏感，另外，制造成本低廉，并且满足防火类型标准——设备固有安全。
在本发明的特别优选的实施例中，传导结构具有多个片段，它们交替地位于衬底层的两侧上。共面导体结构被划分为各个片段，它们被施加在两侧上，使得传导结构的片段的耦合区域通过衬底层而在空间上分离地重叠。通过耦合区域的空间重叠，获得了从HF衬底一侧上的一个片段到位于HF衬底相对侧上的片段对于高频信号的电磁耦合，从而实现共面线路的流电隔离。
在本发明的解决方案的具有优点的实施例中，这样实现传导结构的耦合区域的宽度和长度和/或衬底层的厚度，以实现高频信号的电磁耦合在耦合区域中的最大化以及匹配传导结构的波阻。传导结构的宽度改变导致线路波阻跳变。这些波阻跳变是阻抗变换所需要的。于是，通过传导结构宽度的改变和耦合区域的耦合间距的匹配，过渡的波阻被匹配并且保证信号耦合具有尽可能小的反射。
本发明的装置的一个有益实施例中，衬底层是HF衬底并且HF衬底具有在至少一个支持结构上的传导结构。术语“HF衬底”表示这样的电介质支持材料，其因为满足对于高频技术重要的特性，诸如电介质的低损耗和高稳定性，而适用于高频技术。金属的导电的传导结构被通过已知的涂覆方法例如金属气相沉积而施加在适合高频的衬底材料上，并且该传导结构被通过已知的结构化方法例如光刻和蚀刻而结构化。传导结构的结构化优选地这样实现，使得传导结构的片段具有尽可能一致的边缘区域，因为在高频技术中材料和形状的不连续能够导致信号的严重干扰。为了通常非常薄的HF衬底的机械稳定性，它连同传导结构的结构化片段放置在支持材料上。这个支持材料可以是例如简单的环氧树脂板，诸如在低频技术中所使用的。
在本发明的技术方案的一个具有优点的实施例中，HF衬底由塑料或陶瓷的材料组中的至少一种材料制成。这个材料组具有对于高频技术理想的电磁特性并且抗腐蚀、成本低廉且易于制造。在塑料的情况中，特别使用的是部分结晶的塑料聚醚醚酮(PEEK)和含氟基团，诸如聚四氟乙烯(PTFE)或Teflon、全氟烷氧基共聚物(PFA)，并且在陶瓷的情况中，是LTCC(低温共烧陶瓷)子群。这些材料的优点是，它们早已在高频技术中得到应用，并且它们具有过程测量技术中重要的化学和物理特性，诸如抗腐蚀和耐高温。
在本发明的装置的优选实施例中，从传导结构到同轴插口的高频信号的过渡突然地或连续地实现，并且在传导结构和同轴插口之间通过夹钳装置、钎焊和/或软焊形成电子触点。来自共面传导结构的信号的过渡在标准同轴插口上或平面波导的其它结构形式上连续地或突然地发生。连续的过渡是通过平滑地将同轴插口的内部导体匹配平面波导的几何形状而实现的。以这种方式，仅有轻微的几何跳变，这在线路上引起较小的反射。连续的过渡由于以上原因具有较大的带宽和较大的尺寸。从一个结构到另一结构的至少这两种过渡的电子接触是通过夹钳装置、钎焊和/或软焊而实现的。夹钳装置实现为弹簧和/或螺钉，其以预定的力将连接元件(例如同轴插口)压在平面波导结构上。
在本发明的解决方案的一个优选实施例中，在对称的共面线路到微带线路的过渡区域中提供了无级波阻过渡。这个过渡区域的特征在于传导结构的依赖于位置的宽度，例如它是圆锥形的。通过合适地选择传导结构依赖于位置的宽度的函数，可以对于较大的信号带宽获得反射较少的波阻过渡。
本发明的技术方案的一个非常具有优点的变型在于，在所选择的传导结构片段之间的贯穿接触，以实现所选择的传导结构片段之间的导电信号过渡。从电路技术的观点，必须通过贯穿接触而接触给定的耦合区域，例如，将金属套筒或插针插在孔中和/或提供焊桥，以建立导电连接。实现围绕贯穿接触的片段的区域的结构和贯穿接触本身，使得相关联的几何跳变的波阻对于特定的频率范围是均衡的。结果，在贯穿接触的位置没有显著的信号反射。
本发明的技术方案的特别具有优点的进一步发展在于，装置被集成在测量仪表中，该测量仪表经由发送和/或接收单元将高频信号辐射进入打开的或闭合的空间系统并且/或者接收来自打开的或闭合的空间系统的高频信号，并且通过发射的高频信号的行程时间测量，确定填充物质的料位，其中高频信号是微波信号。这个装置可以例如在过程测量技术中用于测量料位的测量仪表。在这种测量仪表的情况中，出于防爆的原因而将位于过程空间(容器、料仓)中的测量仪表的部件，诸如天线或其外壳，与地电势相连，以使得在天线上没有点燃火星的放电。如果测量仪表的参考电位与地电位不同，那么流动干扰的均衡电流。通过流电隔离，抑制这个在两个参考电位之间的均衡电流。
附图说明
现在根据附图详细解释本发明及其实施例。为了简化，相同的部件在附图中具有相同的附图标记。附图中：
图1是测量仪表的示意性顶视图，其安装在容器中并装备有用于流电隔离的装置；
图2是信号路径和设置在两侧的对称的参考路径的流电隔离的示意图；
图3是使用共面线路技术的流电隔离的第一实施例的纵截面；
图4是使用共面线路技术的流电隔离的第二实施例的纵截面；
图5是图3所示的第一实施例的总体透视图；和
图6是图5所示的第一实施例的总体透视图的放大细节。
具体实施方式
图1显示了过程测量系统中的流电隔离的应用示例。图1的测量仪表1安装在容器4上并且用于例如根据行程时间测量方法确定容器4中填充物质5的料位6。测量仪表1包括发送和/或接收单元3，微波信号17通过它辐射进入自由空间，然后在容器4中的表面上反射或在填充物质5的表面上反射，并且在一定的行程时间之后再次由发送和/或接收单元3接收。通过微波信号17的行程时间，确定容器4中填充物质5的料位6。控制/分析单元27的任务是产生微波信号17并分析或为了测量而处理接收的反射微波信号17。这个发送和/或接收单元3通过本发明的装置2与控制/分析单元27、测量仪表1中的其余电子器件、电源线26和现场总线25流电隔离。通过位于过程中的元件的流电隔离以及接地，获得“固有安全”的测量仪表1，其消除了形成火花的危险，并且同时消除了导电体的升温危险，否则这将导致点燃某些可爆炸环境。
优选地，在所示情况中，涉及两线制测量仪表，在这种情况中，电源线26和现场总线线路25合并为一条线路，从而仅需要一个两线制线路，用于向测量仪表1提供能量并同时与远程控制设备通信。
装置2既可用于自由辐射的雷达测量技术也可用于TDR(时域反射测量)测量技术，其中高频信号16在波导上引导。TDR测量技术是测量容器4中的料位6的替代方法，并且在图1中清楚地显示。在这种测量方法的情况中，高频信号16被沿波导引导进入容器4并且由于围绕波导的介质的DK(介电常数)值改变而被反射回去。这个围绕波导的介质的DK值改变是由填充物质5到容器中的空气的相界而引起的。从发射的高频信号16沿波导到接收的反射高频信号16之间的时间差，即所谓的行程时间，可以确定容器4中的料位6。
图2是信号路径11和两条参考路径12的三重实现的流电隔离的示意图。通过多重流电隔离，固有安全区域II与非固有安全区域I隔离。为了简化考虑装置2的方式，由串联电容器象征多重流电隔离，或通过耦合区域9的电磁耦合10。在高频区域，片段8的重叠耦合区域9不仅具有电容特性而且具有电感特性，从而必须通过包含多个电感和多个电容的复杂的等效电路图建立电磁耦合10。
图3显示了根据图5的切割面A-B得到的纵截面，其包括具有附加的支持结构20的信号路径11。在这个实施例中的流电隔离通过多个片段8实现，这些片段8交替地位于HF衬底的两侧上并且在耦合区域9中空间重叠。耦合区域9的长度e约为lm/4，因为在耦合区域9的这个长度e的情况中，在理想情况中，在片段末端没有高频信号16的反射。由于片段8的耦合区域9中的高频(即，高于6GHz的频率)信号16的优化电磁耦合10，HF衬底19的厚度d小于lm/4，其在这个实施例中对应于例如厚度d约为250微米的Teflon制成的HF衬底19。
从平面片段8到同轴插口22的连接件的电子过渡24通过两个结构的软焊、夹钳或钎焊而实现。这个过渡24可以突然发生，从而在线路结构7中出现几何形状的跳变，这导致线路结构7上的反射或线路结构7的波阻改变。当传导结构7的片段8或例如同轴插口22自身的内部导体具有连续的结构过渡24时，这些具有缺点的干扰效果可以得到避免，从而实现在较大带宽具有反射较少的波阻过渡。优选地，在所示的情况中，传导结构7以及剩余的HF电子器件27的整个构造实现在同一HF衬底19上。术语“剩余HF电子器件27”意味着控制和/或分析单元的部分，其产生和/或为了测量而处理高频信号16或微波信号17。这个HF衬底19包括传导结构7、同轴插口22和剩余的HF电子器件27，其位于支持结构20之上。装置2和HF电子器件27例如利用粘合剂固定在NF板上，因为例如Teflon制成的约250微米厚的平台机械不稳定。相反，如果使用陶瓷例如LTCC作为用于HF衬底19的材料，则可以忽略附加的支持结构20，因为这个衬底层18自己具有良好的机械稳定性。
这个多重流电隔离的实施例可以非常简单地制造，因为共面传导结构7的结构与HF电子器件27一同构造在HF衬底上。传导结构7的制造因此可以结合用于HF电子器件的剩余迹线或控制/分析单元27的标准制造处理而执行。流电隔离可以简单地通过传导结构7的结构化处理以及提供贯穿接触21而实现，这导致成本大大减少，因为没有附加的元件和制造过程用于实现流电隔离。这种使用传导结构7的流电隔离的实施例的优点在于，这种结构具有宽带带通特性。通过对称的共面线路13，实现多于15％的中央频率或中波1m的宽带带通传输。另外，与其它平面波导例如微带线路15相比，共面线路14具有大为减小的耗散，即，电磁波在介质中的传播速度仅仅略微依赖于波长或频率。这是非常有优点的，因为耗散导致高频信号16在平面波导上的行程时间差依赖于频率，从而行程时间测量不可以以宽带微波脉冲实现，因为由于微波脉冲的不同部分的不同传播速度，接收的测量信号不再明确地与时间或行程距离相关联。
图4以纵截面显示了流电隔离的第二实施例。在这个实施例中，省略了在HF衬底19上的贯穿接触21。然而，需要衬底层18的多层结构，这使得传导结构7的制造更加复杂。另一个优点是，在HF衬底19的多层实施例中，多重电磁耦合10所需的空间减少。当然，也可以构造具有一个或多个衬底层的多种实施例形式。
图5是用于固有安全区域和非固有安全设备之间的流电隔离的第一实施例的透视图。
现在根据入射的高频信号16或微波信号17解释该结构。高频信号16或微波信号17首先从HF电子器件或控制/分析单元27(这例如是微带迹线技术15)通过信号路径12的压力接触21而实施为对称的共面线路13。为了减少在贯穿接触21的位置通过平面波导的几何形状跳变而突然受到反射的高频信号16过渡区域14，在共面线路13的信号路径11中形成无级波阻过渡或递减28，其使得可以以较大带宽实现高频信号16的反射很少的波阻过渡。信号路径11和两条参考路径12彼此平行地位于HF衬底19的上侧并形成共面线路13。在HF衬底19的上侧是相应放置的另一片段8，从而线路结构7的片段8在HF衬底19的不同面上形成空间分离的耦合区域。通过这些重叠长度e为lm/4的耦合区域，高频信号16被电磁耦合入相对的片段8。耦合区域9的长度e被大致设置为lm/4，由于电磁场不在传导结构7的片段8突然结束，由传导结构7的片段8的开放末端的开路的lm/4转换导致两个重叠的耦合区域9之间的电磁短路。以这样的方式选择耦合区域9的宽度b，使得通过在耦合区域9的范围中的片段8的宽度b的突然改变，获得波阻跳变。这种波阻跳变是阻抗转换所需要的，以通过HF衬底19的电介质材料将片段8的阻抗与电磁耦合10的阻抗匹配。这些电磁耦合10多重实现，例如在第一和第二实施例中实现三次。在对称的共面线路14的最后片段8，指示到同轴插口22的突然电子过渡24。这个同轴插口22的连接的电子接触23可以通过不同方法实现，它们各自具有缺点和优点。例如，可以提供软焊、夹钳装置或钎焊，其将平面波导结构与同轴插口22的连接相连。出于波阻匹配的原因，波导结构的突然受到反射的过渡24可以通过片段8或同轴插口22的连接的连续的反射很少的过渡24而实现。
图6显示了图5中以C指示的部分，并且提供了传导结构7的片段8的耦合区域9的放大图。这里可以更清楚地看出传导结构7的片段8的耦合区域9，特别是在耦合区域9的片段8的宽度b的改变。从高频技术角度来看，这些由片段8的宽带b的改变提供的几何形状跳变形成波阻跳变，这用作阻抗转变。通过阻抗转变，片段8的阻抗通过HF衬底19的电介质材料匹配电磁耦合10的阻抗。
Claims (7)
1.一种用于传输中波(lm)宽带高频信号(16)的装置(2)，其包括传导结构(7)，该传导结构包括至少一条信号路径(11)和两条关于信号路径(11)对称设置的参考路径(12)，它们共同形成共面线路(13)，其中传导结构(7)设置在预定厚度(d)的至少一个电介质衬底层(18)的两个相对面上，使得传导结构(7)在预定的通过衬底层而在空间上分离的耦合区域(9)中重叠，从而传导结构(7)的耦合区域(9)作为流电隔离而通过电磁耦合(10)传输高频信号(16)，其特征在于，衬底层(18)的厚度(d)小于中波波长的四分之一lm/4；实现传导结构(7)的耦合区域(9)的宽度(b)和长度(e)和/或衬底层(18)的厚度(d)，使得高频信号(16)的电磁耦合(10)在耦合区域(9)上最大化并且传导结构(7)的波阻得以匹配；耦合区域(9)中的重叠的长度(e)约为中波波长的四分之一lm/4；传导结构(7)具有多个片段(8)，它们交替地位于衬底层(18)的两个面上；并且在信号路径(11)中和在共面的传输线路(13)的两条参考路径(12)中的至少三个耦合区域(9)顺序串行设置，作为多重流电隔离，用于将固有安全区域(II)与非固有安全区域(I)分离。
2.根据权利要求1所述的装置，其中衬底层(18)是HF衬底(19)，并且HF衬底(19)以及HF衬底(19)上的传导结构(7)位于至少一个支持结构(20)上。
3.根据权利要求2所述的装置，其中HF衬底(19)由塑料或陶瓷的材料组中的至少一种材料制成。
4.根据权利要求1所述的装置，其中从传导结构(7)到同轴插口(22)的高频信号(16)的过渡(24)连续地实现，并且在传导结构(7)和同轴插口(22)之间通过夹钳装置、钎焊和/或软焊形成电子触点(23)。
5.根据权利要求1所述的装置，其中在对称的共面线路(13)到微带线路(15)的过渡区域(14)中提供无级波阻过渡(28)。
6.根据权利要求1所述的装置，其中在所选择的传导结构(7)片段(8)之间具有贯穿接触(21)，其实现所选择的传导结构(7)片段(8)之间的导电信号过渡。
7.根据前述任一权利要求所述的装置，其中装置(2)被集成在测量仪表(1)中，该测量仪表经由发送和/或接收单元(3)将高频信号(16)辐射进入开放的或闭合的空间系统(4)并且/或者接收来自开放的或闭合的空间系统(4)的高频信号(16)，并且该测量仪表通过对发送的高频信号(16)的行程时间测量而确定填充物质(5)的料位(6)，其中高频信号(16)是微波信号(17)。
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