CN101666668B - 用于料位测量的可变发射功率 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的一个示例实施例，改变料位雷达的发射功率，其中通过信号开关将发射功率从第一发射功率切换到第二发射功率。例如通过旁路高频放大器或者通过关断漏极电压来进行该切换。

Description

用于料位测量的可变发射功率
相关申请的交叉引用
本申请要求于2008年9月4日提交的欧洲专利申请第08 163 708.4号以及于2008年9月4日提交的美国临时专利申请第61/094,156号的优先权，这些申请的公开内容通过引用结合于此。
技术领域
本发明涉及料位测量。具体而言，本发明涉及一种用于料位雷达的改变发射信号的发射功率的电子模块、一种料位雷达、电子模块在料位测量中的用途以及一种用于改变发射信号的发射功率的方法。
背景技术
用于无接触测量的已知料位测量设备包括天线，该天线发射和接收信号(雷达信号、微波或者超声波)，以便确定介质例如在产品容器中的料位。在这样的设置中，这样的料位测量设备的天线例如设置于容器内。
在此布置中，在利用料位测量设备进行料位测量期间所接收的测量信号的质量很大程度地取决于发射/接收单元的质量。具体而言，在此布置中，接收信号的强度或者幅度是关键的。如果幅度低例如由于测量信号在它从发射器到产品以及反向的路径上已经明显地衰减，或者如果产品提供不良反射，则信号评估的质量受影响并因此测量结果也受影响。与此相反，如果接收信号的幅度过量，则接收单元常常过驱动。这随后造成不正确的测量。
根据DE 10 2005 057 094 A1所已知的是，改变发射功率来测量料位，其中在两个不同振荡器之间、换言之在两个不同源之间发生切换，以便生成分别包括不同发射功率的发射信号。
发明内容
本发明的一个目的在于提供对用于料位测量设备的发射信号的发射功率(发射输出)的简单控制。
根据独立权利要求的特征声明了对如下主题进行保护：一种用于料位雷达的改变发射信号的发射功率的电子模块、一种包括电子模块的料位雷达、电子模块在料位测量中的的用途以及一种用于改变发射信号的发射功率的方法。在从属权利要求中表明了本发明的示例实施例。
所述示例性实施例同样地涉及该电子模块、料位雷达、用途和方法。换言之，下文关于电子模块所描述的示例性实施例也可以实施于该料位雷达、用途和方法，并且反之亦然。
根据本发明的一个示例性实施例，声明了一种用于料位雷达的改变发射信号的发射功率(也称为发射输出)的电子模块，该电子模块用于料位测量，其中发射信号具有20GHz以上的频率。电子模块包括：用于生成发射信号的源；用于放大发射信号的发射输出的高频放大器；以及第一信号开关，用于在发射信号已经由源生成之后将发射信号从第一发射输出切换到第二发射输出。
无需提供用于生成不同输出的发射信号的数个信号源。应当注意的是，电子模块可以用于20GHz以上的频率，例如频率为26GHz或者范围在70GHz与110GHz之间。在此频率范围中，仅使用常规可变放大器(所谓的可变增益放大器VGA)将不是有利的。商业上可用的VGA包括在此频率范围中仅约10dB到15dB的放大率变化。然而希望约30dB的放大率变化。
应当注意的是，电子模块就第一发射输出而言和就第二发射输出而言均发出相似信号形状，使得可以在两个发射信号之间进行选择以测量料位，而这无需大量处理。
根据本发明的又一示例性实施例，高频放大器被设计为晶体管，其中第一信号开关被设计用于接通和关断晶体管的漏极电压。
换言之，栅极电压保持不变。如果要减少发射信号的输出，则关断漏极电压。
有利的是，与借助具有可变衰减的衰减元件来减少发射输出相比，尤其是在低发射输出时可以消耗更少的能量。
根据本发明的又一示例性实施例，高频放大器被设计为场效应晶体管或者双极性晶体管。
第一信号开关例如位于至放大器的漏极输入的馈线(feed line)中。
根据本发明的又一示例性实施例，高频放大器被设计为单片微波集成电路MMIC。
根据本发明的又一示例性实施例，电子模块还包括与第一信号开关并行切换和受控制的第二信号开关。
根据本发明的又一示例性实施例，电子模块包括用于旁路高频放大器的第一迂回(旁路)线，其中第一信号开关被设计用于在高频放大器与第一迂回线之间切换。
换言之，无需关断放大器以便降低放大率；代之以借助迂回线来旁路放大器。以此方式可以防止如下情形：其中电子模块的输入适配和输出适配由于借助工作电压来关断高频放大器而被改变。以此方式，微波脉冲(发射信号)的脉冲形式可以在很大程度上保持恒定。
根据本发明的又一示例性实施例，电子模块包括第二迂回线。另外，提供用于在第一迂回线与第二迂回线之间切换的第三信号开关。
两个迂回线可以包括不同衰减，使得因此存在仅通过操作开关就可用的三种不同发射输出。
根据本发明的又一示例性实施例，提供设置于第一迂回线中或者第二迂回线中的衰减元件。
例如，上述衰减元件可以是可变衰减元件，其被设计为利用可控的或者甚至可调的衰减来衰减发射信号。
例如，衰减元件被设计为接合到衬底的衰减垫。衰减元件因此无需集成于迂回线中而代之以可以附着到该线。通过改变衰减垫的尺寸、厚度或者某其他参数，可以根据料位测量设备必须满足的要求来相应地设置衰减因子。
通过控制衰减，可以根据要求来单独地调整所述衰减。因此，如果发射信号的输出过量而不管放大器已被旁路或者不管漏极电压被关断，则可以进一步减少发射输出。
根据本发明的又一示例性实施例，高频放大器被设计成利用可控的或者甚至可调的放大率来放大发射信号。通过漏极电压(换言之为工作电压)的改变来实现任何放大率变化。
根据本发明的又一示例性实施例，电子模块还包括控制单元，用于控制单个信号开关或者多个信号开关、用于使衰减元件衰减和/或用于使高频放大器放大。
另外，可以提供数个单独的控制单元，它们单独地控制不同的元件。
根据本发明的又一示例性实施例，声明了一种具有如上所述电子模块的料位雷达。料位雷达例如被设计为脉冲雷达系统。
根据本发明的又一示例性实施例，料位雷达包括接收单元，其中控制单元耦合到接收单元，并且其中控制单元被设计为控制电子模块，使得较低的第二发射输出在接收信号的强度超过预设阈值时被接通。
以此方式可以执行测试测量以获得关于所接收的输出是否处于可接受的有利范围中的感觉(feeling)。如果所接收的信号强度超过上阈值，则例如可以使输出切换复位(switch back)，其中放大器被旁路。另一方面，例如如果接收信号的强度在第二阈值以下，则可以通过接通放大器来增加发射信号的输出。
根据本发明的又一示例性实施例，接收、确定输出和与接收信号的阈值进行比较自动地进行。
例如，可以按照有规律的间隔自动地执行这样的信号强度测量。因此，可能出现对发射输出的基本上连续调节，该调节在各情况下与外部条件匹配。
根据本发明的又一示例性实施例，声明了如上所述的电子模块在料位测量中的用途。
根据本发明的又一示例性实施例，声明了一种用于改变发射信号的发射输出的方法，该方法用于料位测量。在此方法中首先生成发射信号。在此之后是借助放大器将发射信号的发射输出放大到被放大的发射输出。如果发射输出过量，则在已经生成发射信号之后发生所述信号从被放大的发射输出到较低的第二发射输出的切换。为此，例如改变信号路径，使得发射信号不再行经放大器而是取而代之绕过放大器。另外，切换也可以涉及到关断放大器的漏极电压。
可以无需为此提供数个信号源。
根据本发明的又一示例性实施例，声明了一种程序单元，该程序单元当在处理器上执行时指示处理器执行上述与方法有关的步骤。
在此布置中，程序单元可以例如是存储于料位测量设备的处理器上的软件的一部分。在此布置中，处理器也可以形成本发明的一部分。另外，本发明的这一示例性实施例包括一种程序单元，该程序单元从一开始就运用本发明，以及也包括一种借助更新来使现有程序运用本发明的计算机程序单元。
根据本发明的又一示例性实施例，描述了一种其上存储有程序单元的计算机可读介质，该程序单元当在处理器上执行时指示处理器执行上述方法有关步骤。
下文参照附图描述本发明的示例性实施例。
附图说明
图1A示出了根据本发明的一个示例性实施例的电子模块的框图。
图1B示出了根据本发明的又一示例性实施例的电子模块的框图。
图1C示出了根据本发明的又一示例性实施例的电子模块的框图。
图2示出了根据本发明的又一示例性实施例的电子模块的框图。
图3示出了根据本发明的又一示例性实施例的电子模块的框图。
图4示出了根据本发明的又一示例性实施例的电子模块的框图。
图5示出了根据本发明的又一示例性实施例的电子模块的框图。
图6示出了根据本发明的又一示例性实施例的电子模块的框图。
图7示出了根据本发明的一个示例性实施例的料位雷达。
图8示出了根据本发明的一个示例性实施例的方法的流程图。
图9示出了根据本发明的又一示例性实施例的电子模块的框图。
具体实施方式
附图中的图示为概略性的而未按比例绘制。
在对附图的以下描述中将相同附图标记用于相同或者相似的要素。
图1A示出了包括信号开关103和迂回线105的电子模块100的框图。提供生成发射信号的信号源101。根据在电子模块100的输出端107处的所需发射输出，信号开关103被切换，使得迂回线105用于传导发射信号或者(如图所示)使得使用上部信号路径。
在上部信号路径中并入用来放大发射信号输出的高频放大器102。借助漏极电压VD 112来为该放大器102馈电。
借助控制单元111和控制线108来控制或者切换信号开关103。
以此方式，因此有可能改变发射信号在电子模块107的输出处的输出而信号形状在此过程中无明显变化。
图1B示出了电子模块100的又一示例性实施例的框图，其中信号开关103未设置于放大器102的输入侧上而是取而代之设置于它的输出侧上。
图1C示出了电子模块100的又一示例性实施例，其中提供两个信号开关103、104，这些信号开关103、104中的一个信号开关设置于高频放大器102的输入侧上，而另一信号开关设置于高频放大器102的输出侧上。
第一信号开关103紧随着自源101的馈线106并且借助连接到控制单元111的线108来驱动。连接到电子模块的输出端107的第二信号开关104借助连接到控制单元111的控制线109来驱动。
在迂回线105中可以提供附加衰减元件110。例如在图2中示出了这一点。
将两个信号开关103、104设计为转换(change-over)开关。它们使得有可能引导高频信号通过放大器102。在此情况下，也可以关断放大器102，使得可以节省电流。这适用于图1A、1B、1C、2、3、4、5的所有所描述的示例性实施例。
如图3中所示，也有可能可以分离高频放大器102、衰减元件110和开关103、104。在此情况下，高频放大器102(图3中未示出)连接到线301、302。在此情况下，迂回线(如果可与衰减元件110一起应用)连接到线303、304。
RF1表示从源101到第一开关103的馈线。RF2表示从第二开关104到天线或者到设置在上游的支路如循环器506(见图5)的输出，也就是线107。
借助图3中所示部件的控制管脚，可以将开关103、104一起驱动。也有可能可以提供两个单独的开关模块，它们包括单独的控制管脚并且因此可以相互单独地被驱动。
图4示出了包括四个信号开关103、104、403、404的电子模块100的一个示例性实施例。四个双箭头表示可能的切换过程。
如图4中所示，因此有可能可以借助对开关103、104的控制401、402来接通或者旁路放大器102。另外，有可能可以借助控制线108、109根据所需的输出发射功率而在仅仅旁路或者迂回线105以及具有衰减元件110的迂回线406之间切换。
借助控制单元111来控制所有开关。
另外，控制单元111可以被设计为控制衰减元件110(如果后者包括可变衰减)或者控制漏极电压(例如接通或者关断源电压)。
图5示出了根据电子模块100的又一示例性实施例的基本布线图，该模块包括：具有所谓PRF振荡器501、502、滤波器503的发射级(源101)、具有迂回线(带有开关103)的高频放大器102、以及循环器506。
发射信号借助线504从循环器506馈给到料位测量设备的天线。接收信号从天线(图5中未示出)反向行进到循环器506，然后借助线505行进到接收器。
借助控制单元111可以转换发射输出。
另外，可能关断高频放大器102的供给电压。在场效应晶体管放大器的情况下，在图6中示出了示例性布线图，其中示出了放大器布置。
借助栅极电压601Vg将场效应晶体管605推送到合适的工作点。然后，通过借助信号开关103接通或者关断漏极电压112Vd来接通或者关断工作电压。栅极电压例如总是保持不变。因此，放大器布置的输入匹配没有变化或者变化很少。以此方式，25dB到30dB的水平差是可能的。无需提供迂回线，但是仍然可以使用它。
附图标记602、604表示在场效应晶体管的输入端或者输出端处的电容器。场效应晶体管的第三连接被连接到电路块(circuit mass)(见附图标记603)。
在MMIC放大器的情况下可以获得相同解决方案。作为一项规则，这些部件也包括栅极电压连接和漏极电压连接。在发射输出的变化期间，栅极电压总是保持接通。以此方式，可能可以实现改变放大率而不改变输入匹配。
在某一区域中，还有可能可以通过改变栅极电压来设置在关断状态中的衰减或者设置在接通状态中的放大率。
电子模块可以(一般不带源)集成为MMIC或者可以利用单独的部件来构造它。可以单独地(借助分离的控制连接)或者一起操作信号开关。
另外，可以借助工作电压或者借助关断控制连接来接通和关断放大器。这可以与信号转换开关同时进行或者它们可以各自独立地来进行。
另外，迂回线中的衰减可以变化。另外，放大器可以设计为可变增益放大器(VGA)。
在接通或者关断供给电压的情况下，可以使用单个FET、双极性晶体管或者MMIC。
图7示出了包括电子模块100和天线701的料位雷达700。天线用于在产品表面703的方向上将发射信号702发射并且用于接收已被所述产品表面703反射的接收信号704。
图8示出了如下方法的流程图，其中在步骤801中生成发射信号。在步骤802中由高频放大器将发射信号的发射输出放大。在步骤803中进行从被放大的发射输出到被减少的发射输出的转换，其中或者使用迂回线，或者借助信号开关来限定(cap)放大器的漏极电压。
图9示出了如下布置的布线图，其中控制单元111改变漏极电压。在此布置中栅极电压持续地存在。通过改变漏极电压有可能影响放大器的放大率。利用此布置也有可能实现在两个放大器状态接通与关断(漏极电压接通或者关断)之间的中间值。为此无需信号开关，但是仍然可以提供它(如图6中所示)。例如可以利用微控制器借助D/A转换器来进行控制。这可以得到精细的放大率分级或者连续的放大率调节。
微控制器可以借助所存储的参考曲线来校正在放大率与漏极电压之间的任何非线性。类似地，微控制器可以校正已知的温度漂移。
此外，应当指出的是，“包括”并不排除其它元件或者步骤，而“一个/一种”并不排除复数。另外，应当指出的是，已经参照上述示例实施例之一描述的特征或者步骤也可以与上述其它示例实施例的其它特征或者步骤组合使用。权利要求中的附图标记不应解释为限制。

Claims (4)

1.一种料位雷达，包括用于改变发射信号频率在20GHz以上的发射信号的发射输出的电子模块，该电子模块用于料位测量，并且该电子模块(100)包括：
用于生成发射信号的源(101)；
用于放大发射信号的发射功率的一个晶体管(102)；
第一信号开关(103)，用于在发射信号已由该源(101)生成之后，通过关断该晶体管的漏极电压来降低该发射信号的发射功率，其中，在该发射输出变化期间，该晶体管的栅极电压保持接通，使得该晶体管的输入匹配没有变化或者变化很少。
2.根据权利要求1所述的料位雷达，
其中第一信号开关(103)被设计用于接通和关断该晶体管的该漏极电压。
3.根据权利要求2所述的料位雷达，
其中晶体管(102)被设计为场效应晶体管或者双极性晶体管。
4.一种用于改变发射信号的发射功率的方法，该方法用于料位测量，其中该方法包括以下步骤：
生成发射信号频率在20GHz以上的发射信号；
借助晶体管将发射信号的发射功率放大到被放大的发射功率；
在已经生成发射信号之后，通过关断该晶体管的漏极电压将该发射信号从被放大的发射功率切换到较低的第二发射功率，其中，在该发射输出变化期间，该晶体管的栅极电压保持接通，使得该晶体管的输入匹配没有变化或者变化很少。
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