CN101416346A - 用于产生圆极化波的波导结 - Google Patents

Abstract

已公开的波导结具有彼此90°旋转的耦合输入杆，圆极化波通过这些耦合输入杆耦合输入到波导中。根据本发明的一个实施例，提出了一种用于料位雷达的波导结，其具有平面的辐射元件，该辐射元件与两个线路共同作用，使得能够将圆极化电磁发射信号从线路耦合输入到波导中。通过这样形成的平面耦合输入装置，在耦合输入的区域中无需附加的谐振腔。

Description

用于产生圆极化波的波导结

相关申请

本发明要求于2006年4月3日提交的美国临时专利申请60/788,919以及2006年4月3日提交的德国专利申请102006015338.3的优先权，它们的内容通过引用结合于此。

技术领域

本发明涉及料位测量。特别地，本发明涉及一种用于为料位雷达产生圆极化波的波导结、一种带有这种波导结的用于料位雷达的微波模块、一种用于确定罐中的料位的料位雷达以及将这种波导结用于料位测量的应用。

背景技术

已公开的料位测量设备除了具有用于发射或者接收雷达波的天线之外还具有发射和接收电子设备，通过该电子设备产生发射信号并且对天线接收的测量信号进行分析。此外，设置了耦合输入装置，其被实施为用于将料位测量设备内产生的电磁波耦合输入到波导中，或者用于将接收信号从波导中耦合输出。

为了实现波导中平面的耦合输入结构，通常考虑延长微带线路，该微带线路的敞开端伸入波导中。

发明内容

DE 100 23 497 A1公开了一种至波导中的耦合输入装置，该耦合输入装置由单个的微带线路构成，该微带线路侧面地伸入波导中。

DE 198 00 306 A1公开了一种平面的辐射元件(所谓的贴片天线)，该辐射元件设置为波导中的单个贴片。在此，电磁波至波导中的耦合输入是轴向地馈送的。

为了产生圆波，发射信号被划分为相同的部分，并且在例如两个彼此旋转90°的耦合输入杆中以90°的相移被馈送到波导中。如果发射信号的划分不是各一半，则得到椭圆波。

伸入波导中的两个耦合输入杆的这种设置在机械上要求高，并且需要较高的制造开销，因为杆例如必须以机械的方式固定在波导上。

本发明的任务是，提供一种波导中的圆极化电磁波的改进的耦合输入装置。

根据本发明的一个优选实施例，提出了一种为料位雷达生成圆极化波的波导结，该波导结包括第一线路、第二线路和平面的辐射元件，其中第一线路、第二线路和平面的辐射元件共同作用，使得在料位雷达工作时，实现圆极化电磁发射信号或者椭圆极化电磁发射信号从线路耦合输入至波导中。

圆极化信号或者椭圆极化信号的耦合输入装置相应地并不通过两个彼此成90°角度地设置的耦合输入杆实现，而是以平面的耦合输入装置的形式实现，该耦合输入装置将圆极化波或者椭圆极化波发射到波导中。这种平面的耦合输入装置仅仅需要较小的制造开销，因为该耦合输入装置例如可以集成在相应的印刷电路板中，并且可以容易地构造到波导或者波导端子中。

根据本发明的另一实施例，波导结此外还包括波导端子，用于连接波导、天线或者过程分离装置(Prozesstrennung)。

相应地，波导结可以作为具有已经集成的波导端子的模块化部件来制造，随后可以将进一步引导的波导或者可以直接将天线或相应的过程分离装置(例如具有电介质的形式)连接到该模块化部件上。

随后，料位雷达的电子装置可以连接到两个线路上。

天线例如可以是喇叭状天线。自然，也可能是其他天线形状，例如棒状天线。

根据本发明的另一实施例，两个线路伸入到波导端子中。

与波导或者波导端子相比，发射辐射的平面的辐射元件相应地具有较小的环周。辐射元件的典型厚度例如在100μm之下的范围内。

根据本发明的另一实施例，平面的辐射元件具有带两个彼此垂直的侧面的平面结构。此外，平面的辐射元件可以具有所有已知的形状，例如四边形、三角形、圆弧形或者其他形状。

根据本发明的另一实施例，波导结实施为用于产生具有两个极化平面的电磁发射信号，其中两个线路具有彼此成90°的角度。

根据本发明的另一实施例，两个线路的端部分别具有展宽部或者收窄部。

由此，可以根据应用情况来改变或者优化线路的辐射特性。

根据本发明的另一实施例，平面的辐射元件实施为导电元件。

例如，辐射元件可以由金属或者金属合金构成。半导体材料也是可能的。

由此，得到多种改变可能性，使得波导结可以按照要求相应地大量生产。

根据本发明的另一实施例，线路实施为微带。例如，线路和平面的辐射元件可以整体地在电路板基板的电路板制造过程中构建。由此，可以很大程度上将制造成本最小化。制成的电路板随后能够以简单的方式作为单个的部件安装到波导中。

根据本发明的另一实施例，电路板基板在背离辐射元件的表面上具有导电层，该导电层实施为用于封闭波导。

这种类型的耦合输入装置相应地在耦合输入的区域中不需要附加的谐振腔，因为印刷电路板以其壳面(Masseflaeche)将波导向后封闭。

根据本发明的另一实施例，电路板基板具有第一介电常数ε₁。而波导端子以具有第二介电常数ε₂的材料填充，其中ε₁大于ε₂。

通过这种方式，例如保证了辐射元件的尺寸小于波导的直径。以电介质填充波导端子此外导致波导结的密封、提高的稳定性、更好的化学耐抗性以及更高的持久性。

根据本发明的另一实施例，波导结被实施用于将频率在6GHz到100GHz之间的电磁发射信号耦合输入到波导中。例如，针对6.3GHz的频率或者26GHz的频率或者针对77GHz到80GHz之间的频率来实施波导结。

自然，波导结也可以被缩小或者放大，使得可以使用更高的或者更低的频率。

根据本发明的另一实施例，波导结包括第一凹进部分，用于将第一线路穿过波导端子，以及包括第二凹进部分，用于将第二线路穿过波导端子，其中第一凹进部分和第二凹进部分被实施为使得它们仅仅不明显地影响位于其下的第一或第二线路的电磁场。

这些凹进部分的大小选择为使得仅仅较小地影响电磁场。另一方面，凹进部分的大小被固定为使得仅仅一定的最大能量从波导中出来，使得限制了至侧面的不希望的辐射。

根据本发明的另一实施例，提出了一种用于具有上述波导结的料位雷达的微波模块。

这种微波模块可以与波导结一同作为模块化的部件安装到料位雷达中。由此，降低了维护开销，因为微波模块能够容易地作为整体部件而更换。

根据本发明的另一实施例，提出了一种用于确定罐中的料位的料位雷达，该料位雷达包括用于发射和/或接收电磁波的天线以及如上所述的波导结。

此外，提出了将上述波导结用于料位测量的应用。

本发明的其他实施例和优点由从属权利要求中得到。

以下将参照附图描述本发明的优选的实施例。

图1示出了带有根据本发明的一个实施例的波导结的微波模块的示意图。

图2示出了图1的波导结的示意性横截面图。

图3示出了根据本发明的另一实施例的波导结的示意性透视图。

图4示出了根据本发明的一个实施例的料位雷达的示意图。

附图中的图示是示意性的并且并不合乎比例。

以下的附图描述中，对于相同的或者类似的要素使用相同的参考标记。

图1示出了根据本发明的一个实施例的、带有波导结101、102、103、107的微波模块100的电路框图的示意图。微波模块100具有作为发射单元105的一部分的发射脉冲振荡器(Tx振荡器)。在那里产生的电磁信号例如通过带通作为信号108转发给发射耦合器104。

发射耦合器104例如实施为对称的或者非对称的混合耦合器。信号108以较小的衰减通过发射耦合器104，并且作为信号109传送给第一线路101。第一线路101连接到平面的辐射元件103上，该元件位于波导端子107内部。

混合耦合器104此外与第二线路102相连，该第二线路同样连接在平面的辐射元件103上。通过第二线路102，第二电磁信号111可以传输给辐射元件103。第二电磁信号111在此例如相对于第一电磁信号109相移90°。

第一线路101、第二线路102以及平面的辐射元件103共同作用，使得在料位雷达工作时实现将圆极化电磁发射信号或者椭圆极化电磁发射信号从线路101、102耦合输入到波导或者波导端子107中。

波导端子107例如被实施用于连接进一步引导的波导。

进一步引导的波导或者波导端子107与天线系统(未在图1中示出)相连，通过该天线系统可以发射测量脉冲，该测量脉冲随后由待测量的物体或者待测量的媒质(其例如为填料表面)作为接收信号被反射。

在使用圆极化波的情况下，在表面上反射时得到的特点是，改变了场的旋转方向。于是，例如由右旋的圆极化发射信号产生左旋的圆极化接收信号。在旋转方向上改变的接收信号随后又被天线系统接收，并且导致两个彼此又相移90°的测量信号109和111，这些测量信号被传输给发射耦合器104。

发射耦合器104现在将两个接收到的测量信号109和111作为组合信号110传送给接收电路106。

接收电路106例如具有脉冲发生器和带通，它们产生脉冲信号并且传递给同样包含于接收电路106中的采样-混合器。在该采样-混合器中，接收信号110被接收电路的脉冲发生器中产生的脉冲信号采样，并且由此在时间上伸展。这样产生的信号随后通过放大器放大，并且接着在相应的输出端作为用于分析和确定料位的中频信号而被提供。

在借助雷达传感器的料位测量技术领域中，具有圆极化波的系统提供了各种优点。一方面，通过由2、4、6或者其他偶数次数的反射而形成的干扰反射在场的旋转方向上两次改变并且由此以错误的相移位于混合耦合器的输入端上，从而减少了所接收到的回波的数目。由此，这些回波不进入接收器中而是回到发射器中，在发射器中回波被强烈地衰减。所有经历1、3、5或者其他奇数次数的反射的回波通过两个测量信号109和111的正确的相位关系进入接收器中。另一方面，可以更好地利用发生器的发射功率。

目前，大部分发射功率通过定向耦合器导送到吸波器(Wellensumpf)中。较少部分用作发射信号。通过使用这种定向耦合器作为发射/接收转接设备，至少在接收通道中得到小的介入衰减，而在发射分支中得到相应大的介入衰减。另一可能性是使用循环器，该循环器虽然在发射分支以及接收分支中都具有小的通过衰减，但是昂贵。

通过图1中所示的装置，实现了一种强健的、机械稳定的、轻的以及能够简单地制造的平面耦合输入装置，该装置将圆极化波发射到波导中。

图2示出了图1中所示的带有根据本发明的波导结的微波模块的示意性横截面图。在波导端子107上安装有印刷电路板202，该印刷电路板具有背面的金属涂层201。电路板202在其正面具有两个线路101、102(图2中不可见)、平面的辐射元件103和混合耦合器104。

这种类型的耦合输入装置在耦合输入的区域中不需要附加的谐振腔，因为印刷电路板202以其壳面201将波导107向后封闭。

由此，得到模块100的简单的机械构造。在波导107中仅仅需要添入凹进部分，用于在混合耦合器104和辐射元件103之间穿过微带线路101、102。这些凹进部分例如大小选择为使得它们不影响位于其下的微带线路的电磁场。另一方面，这些凹进部分不允许过大，因为否则在该位置上会有过多的能量从波导107中出来，这导致至侧面的不希望的辐射。

在敞开的波导端部例如连接喇叭状天线或者另一波导(未在图2中示出)或者任意类型的过程分离装置203，例如通过电介质来连接。

如果印刷电路板202没有背面的金属涂层201，则可以设置带有盖的谐振器，以终止波导107。

图3示出了根据本发明的另一实施例的波导结。波导结300在此具有两个线路101、102，它们彼此成90°角并且朝其端部逐渐变细。两个线路101、102实施为印刷电路板202上的微带，并且通过两个凹进部分303、304伸入波导107、302中。

印刷电路板202也可以不围绕地(如图2中所示的配置那样)以支承线路101、102的侧面朝向波导端子107来安装。印刷电路板202的背面于是能够以导电材料涂覆，使得可以省去谐振器301、302。

图4示出了根据本发明的另一实施例的料位雷达的示意图。

料位雷达400在此具有发射单元105和接收电路106。此外，设置有带波导结101、102、103的天线装置401，该天线装置与混合耦合器104相连。

本发明在其实施形式方面并不局限于附图中所示的优选实施形式。更确切地说，多种变形方案也是可能的，这些变形方案在基本上不同类型的实施形式中也利用了所示的解决方案和根据本发明的原理。

补充地，要指出的是，“包括”并不排除其他要素或者步骤，“一”或者“一个”不排除多个。此外要指出的是，参照上述实施例之一所描述的特征或者步骤也可以与其他上述实施例的其他特征或步骤结合使用。在权利要求中的参考标记不应视为限制。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种为料位雷达生成圆极化波的波导结，该波导结包括：

第一线路(101)和第二线路(102)；

平面的辐射元件(103)，两个线路(101，102)连接到该辐射元件上；

电路板基板(202)；

波导端子(107)，用于连接波导、天线或者过程分离装置；

其中第一线路(101)、第二线路(102)和平面的辐射元件(103)共同作用，使得在料位雷达工作时，实现圆极化电磁发射信号或者椭圆极化电磁发射信号从线路(101，102)耦合输入到波导中；

其中电路板基板(202)在背离辐射元件(103)的表面上具有导电层(201)，用于封闭波导；并且

其中电路板基板(202)在朝向辐射元件(103)的表面上具有两个线路。

2.根据权利要求1所述的波导结，其中两个线路(101，102)伸入到波导端子(107)中。

3.根据上述权利要求中的任一项所述的波导结，

其中波导结实施为用于产生具有两个极化平面的电磁发射信号；以及

其中两个线路(105，106)彼此成90°的角度。

4.根据上述权利要求中的任一项所述的波导结，

其中第一线路(105)的第一端部和第二线路(106)的第二端部分别具有展宽部或者收窄部。

5.根据上述权利要求中的任一项所述的波导结，

其中平面的辐射元件(103)实施为导电元件。

6.根据上述权利要求中的任一项所述的波导结，

其中平面的辐射元件(103)具有带两个彼此垂直的侧面的平面结构。

7.根据上述权利要求中的任一项所述的波导结，

其中线路(101，102)实施为微带。

8.根据上述权利要求中的任一项所述的波导结，此外包括：

其中平面的辐射元件(103)整体地在电路板基板(202)的电路板制造过程中制成。

9.根据权利要求8所述的波导结，

其中电路板基板(202)具有第一介电常数ε₁；

其中波导端子(107)以具有第二介电常数ε₂的材料填充；

其中ε₁大于或等于ε₂。

10.根据上述权利要求中的任一项所述的波导结，

其中波导结(800)被实施为用于将频率在6GHz到100GHz之间的电磁发射信号耦合输入到波导(103)中，特别是被实施用于将频率为6.3GHz或者26GHz或者频率在77GHz到80GHz之间的电磁发射信号耦合输入到波导(103)中。

11.根据上述权利要求中的任一项所述的波导结，还包括：

第一凹进部分(303)，用于将第一线路(101)穿过波导端子(107)；

第二凹进部分(304)，用于将第二线路(102)穿过波导端子(107)；

其中第一凹进部分(303)和第二凹进部分(304)被实施为使得它们仅仅不明显地影响位于其下的第一或第二线路的电磁场。

12.一种用于产生圆极化波的微波模块(100)，其用于具有根据上述权利要求中的任一项所述的波导结的料位雷达。

13.一种用于确定罐中的料位的料位雷达(500)，该料位雷达(500)包括：

用于发射和/或接收电磁波的天线(501)；以及

根据权利要求1至12中的任一项所述的波导结。

14.一种应用，其将根据权利要求1至12中的任一项所述的波导结用于料位测量。

Claims (17)

1.一种为料位雷达生成圆极化波的波导结，该波导结包括：

第一线路(101)和第二线路(102)；

平面的辐射元件(103)；

其中第一线路(101)、第二线路(102)和平面的辐射元件(103)共同作用，使得在料位雷达工作时，实现圆极化电磁发射信号或者椭圆极化电磁发射信号从线路(101，102)耦合输入到波导中。

2.根据权利要求1所述的波导结，还包括：波导端子(107)，用于连接波导、天线或者过程分离装置。

3.根据权利要求2所述的波导结，其中两个线路(101，102)伸入到波导端子(107)中。

4.根据上述权利要求中的任一项所述的波导结，

其中波导结实施为用于产生具有两个极化平面的电磁发射信号；以及

其中两个线路(105，106)彼此成90°的角度。

5.根据上述权利要求中的任一项所述的波导结，

其中第一线路(105)的第一端部和第二线路(106)的第二端部分别具有展宽部或者收窄部。

6.根据上述权利要求中的任一项所述的波导结，

其中平面的辐射元件(103)实施为导电元件。

7.根据上述权利要求中的任一项所述的波导结，

其中平面的辐射元件(103)具有带两个彼此垂直的侧面的平面结构。

8.根据上述权利要求中的任一项所述的波导结，

其中线路(101，102)实施为微带。

9.根据上述权利要求中的任一项所述的波导结，此外包括：

电路板基板(202)；

其中平面的辐射元件(103)整体地在电路板基板(202)的电路板制造过程中制成。

10.根据权利要求9所述的波导结，

其中电路板基板(202)在背离辐射元件(103)的表面上具有导电层(201)，用于封闭波导。

11.根据上述权利要求中的任一项所述的波导结，还包括：

谐振腔(301，302)，用于封闭波导端子(107)。

12.根据权利要求9或10所述的波导结，

其中电路板基板(202)具有第一介电常数ε₁；

其中波导端子(107)以具有第二介电常数ε₂的材料填充；

其中ε₁大于或等于ε₂。

13.根据上述权利要求中的任一项所述的波导结，

其中波导结(800)被实施为用于将频率在6GHz到100GHz之间的电磁发射信号耦合输入到波导(103)中，特别是被实施为用于将频率为6.3GHz或者26GHz或者频率在77GHz到80GHz之间的电磁发射信号耦合输入到波导(103)中。

14.根据上述权利要求中的任一项所述的波导结，还包括：

第一凹进部分(303)，用于将第一线路(101)穿过波导端子(107)；

第二凹进部分(304)，用于将第二线路(102)穿过波导端子(107)；

其中第一凹进部分(303)和第二凹进部分(304)被实施为使得它们仅仅不明显地影响位于其下的第一或第二线路的电磁场。

15.一种用于产生圆极化波的微波模块(100)，其用于具有根据上述权利要求中的任一项所述的波导结的料位雷达。

16.一种用于确定罐中的料位的料位雷达(500)，该料位雷达(500)包括：

用于发射和/或接收电磁波的天线(501)；以及

根据权利要求1至14中的任一项所述的波导结。

17.一种应用，其将根据权利要求1至14中的任一项所述的波导结用于料位测量。

Images