CN103348529A - 用于零差fmcw雷达装置的双工器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于零差FMCW雷达装置的双工器(30)，该双工器(30)由它的中空导体结构的小尺寸限定，并且因此能够简单且低成本地制造出来。所述双工器(30)的中空导体结构可以从两个半壳体(32，34)切分而成，而后者结合在一起以形成所述双工器(30)。各种材料可以用于半壳体(32，34)的材料。

Description

用于零差FMCW雷达装置的双工器
技术领域
本发明涉及用于零差FMCW-雷达装置的双工器。本发明具体涉及以中空导体技术构造的双工器。
背景技术
在雷达装置中使用的双工器将两个输入端连接到一个输出端，并且其作为频率门来操作。这样，可以使两个输入频道在信号方向上去耦合并分离，这样做的目的是，例如能够操作与一个输出频道相连的天线。这样，天线的发射信号遇到反射面被发射回来并被接收的回波信号能够被分配回相关的接收器。一方面，应尽可能少地削弱双工器中的信号，而另一方面，应尽可能大的实现在两个输入频道之间的去耦合。这就意味着应只在期望的方向上引导信号，而在另一个方向上应尽可能大的削弱信号。
例如，在低成本领域中用于雷达技术的现有双工器为直接设置在电路板上的微带耦合器，其能够以非常小、非常精确且非常节约地成本来实现，因此它们在消费品中使用，例如，移动电话。它们的缺点包括在中等匹配情况下的低方向性性能及高损耗。
另一方面，已知的双工器的导体结构由中空导体部分形成。原则上双工器的中空导体结构包括两个实质上平行延伸的中空导体通道，它们由中空导体部形成，一个接着另一个，以及功率分配器。中空导体通道的中空导体部分通常被耦合区域分开。在第一功率分配器后，两个功率等分经过了不同的路径长度，因此获得了不同的相位。当两个功率等分尽管经过不同的路径长度但具有相同相位时，第二个功率分配器用作加法元件。然而，如果相位不同，那么会造成功率变弱。如果两个相位是相反的，那么功率被抵消。因此有效的双工器必须这样考虑线路长度制成特定尺寸使得，即在一个频率内的各自的输出线路发生加法，而在另一个频率上发生抵消。当可调绕行线路同时满足下述条件时，双工器的工作最有效：
一个频率的相移必须是0°；
另一个频率的相移必须是180°。
在两个发送频率之间的频率分离由双工器的设计而预先确定。通常绕行线路具有多个波长的尺寸，因此即使数倍于多个较小的相位差，双工器也能获得较窄的通过性能。于是，相同的中空导体长度必须正好是一个频率波长的偶数倍且是第二个频率半波长的奇数倍，以此就预先确定了发送频率。因此双工器也可以发射通常被补充滤波器抑制的其他频率。使用多倍波长的进一步原因是在两个发送频率之间的已经设置的频率分离被减小。
具有中空导体结构的双工器的FMCW-雷达装置特别适于宽带应用，例如在工业过程测量技术的环境中的距离测量以及填充水平测量，因为它们通过高功率处理能力被区分并且能够相对简单地调节期望的频率。
2005年6月，在Microwave Symposium Digest，MTT-S International12-17，ISBN07803-8846-1/05，的1227-1230页中出版了作者为RalfBeyer及Uwe Rosenberg的“Compact Top-Wall Hybrid/Coupler Designfor Extreme Broad Bandwidth Applications”的出版物，从其中可以知道上面描述的类型的双工器，其被设计为用于宽带使用，并且由两个半外壳组成。然而，在中空导体部分之间的耦合区域中其使用中空导体，例如用于大于50GHz的频率的用于工业过程测量技术的缝隙耦合器必须相对比较大，其中另一方面其必须具有非常窄的耦合缝隙，这很难制造。
发明内容
因此，本发明的目的是提供用于零差FMCW雷达装置的双工器，其中所述双工器因为其中空导体结构尺寸较小，所以该双工器制造简单并且成本划算。
根据本发明通过用于零差FMCW雷达的双工器实现所述目的，用于零差FMCW雷达的双工器包括：
两个接近地邻接的、平行的、中空导体，其具有水平极化和末端中空导体门；
分隔壁开口中的耦合区域，用于连接所述中空导体通道；以及
凹陷部(depression)，它们位于所述耦合区域的区段中并垂直于所述中空导体布置，
其中，这样选择所述中空导体的尺寸与所述耦合区域及所述凹陷部的尺寸的比率：使得所述双工器在所述耦合区域内显示宽带特性并能传播H20波；
其中，在每个所述中空导体门处提供将所述发送器和接收器的中空导体连接到所述双工器的过渡段，以这样的位置和形式实施所述过渡段：使得它们支持所期望的宽带特性；以及
其中，所述双工器由两个对称的半壳体制造。
在本发明的实施例的有利形式中，所述双工器的中空导体具有矩形横截面。
在本发明的实施例的另一个形式中，所述凹陷部是大约棱柱形的。
在本发明的实施例的另一个形式中，所述凹陷部是圆柱形的。
在本发明的实施例的另一个形式中，双工器包括两个半壳体，其中，所述中空导体、凹陷部和过渡段被从所述半壳体中铣削出来。
根据本发明的特别的实施例，采用具有1mm量级的直径的工具进行铣削。
在本发明的实施例的另一个形式中，装配所述双工器的两个半壳体是注模部件，特别地是塑料注模部件。
在本发明的实施例的另一个形式又提供了，所述半壳体的切分面位于电场强度E的平面内。
在本发明的实施例的另一个形式涉及包括本发明双工器的料位测量装置。
本发明的双工器的特别优点包括：
尤其地在特别高频的情况下，小的中空导体尺寸结果，
因此中空导体结构便于制造，
并可以利用铣削技术制造以及成本合算。
附图说明
接下来，参考在附图中说明的本发明的实施例的例子，将更加详细的解释和描述本发明，附图如下所述：
图1，具有在电场平面上的中空导体和耦合器的双工器的主要部分的示意图；
图2，本发明的双工器的实施例的示例的透视图；
图3，本发明的理想化双工器的原理的草图；
图4，带有参数的本发明的双工器的结构的原理的草图；
图5，带有铣削过的结构的图3的双工器的两个半外壳；以及
图6，本发明的双工器的实施例的实践示例的透视图。
为了简便的目的，同样的参考标记用于表示本发明的双工器的同样的要素和模块。
具体实施方式
为了说明电场并作为本发明双工器的起点，图1示出了具有两个中空导体通道12和14的双工器1，每个通道分别由两个中空导体部分12a、12b和14a、14b形成。中空导体通道12和14，即分别的中空导体部分12a、12b和14a、14b在中空导体耦合器16中连接。位于中空导体部分12a、12b和14a、14b的末端处的是第一门18a、第二门18b、第三门18c和第四门18d。因此，电场E的方向，即极化方向在第一门18a和第四门18d处在每个情形下由箭头20示出。第一门18a和第四门18d是连接器门，其诸如在这样的双工器的情形下自身已知的那样，借助带有发射器和接收器的中空导体(段)(没有示出)而连接。
图2是以两个对称半壳体32和34形式的本发明的双工器30的实施例示例的透视图。优选地，在本发明双工器30的情形下，半壳体32和34的分离或切分平面是电场E(在图2中用参考标记为“54”的箭头表示)的平面。因为绘图相关的原因，图2中的中空结构本身以灰色表示，并且在每种情形下，在适当材料的边框里引入该中空结构，优选地在其中进行铣削，使得以这种方式创建对称的半壳体32和34。
如图2所示，优选具有矩形横截面和水平极化的两个接近地邻接的、平行的、中空导体通道36和38被分隔壁(partition)42分开，使得在中空导体部分36a、36b和38a、38b末端形成了第一门40a、第二门40b、第三门40c和第四门40d。分隔壁42被开口44断开，以便在中空导体通道36和38之间提供耦合区域46。因为本发明的双工器30期望的带宽特性只能在由中空导体的尺寸与耦合区域46和凹陷部48和50的尺寸的特定比率的情形下获得，因此不能任意地选择中空导体的尺寸。在下面参考图4给出了这个条件的准确解释。为了从得到的中空导体尺寸转变成系统预先确定的用于与发射器和接收器连接的中空导体横截面，在每个中空导体门40a-40d处引入过渡段52a-52d。以这样的位置和形式实施过渡段52a-52d，使得它们支持双工器30期望的带宽特性。
在图3中示意性地说明了在电场E54的平面内的缝隙耦合器的图2中说明的结构的操作原理。为了解释，也参考了图2。
本身被理想地“无限”薄的分隔壁42分开的中空导体通道36、38借助开口44在耦合区域46中连接。在耦合区域46中，H10模式波(mode wave)可以沿y方向以及也沿x方向传播。在图3中边缘e1为来自第一门38a的H10模式波的场形成强烈的干扰位置，其在第二门40b之前在耦合区域46中导致E场的涡旋。通过具有不同尺寸的耦合区域46的不同频率的组合，该涡旋可以阻止H10模式波传播到第二门40b，因为由此可以阻止由耦合区域46的另一端处的另一个边缘e2可能引起的返回波。然而这种特性只适用于窄带应用。进而，因为在双工器30的设计上较低的自由度，所以实现对称(-3dB)耦合到输出门40c和40d是非常困难的。
图3中视图的上部分说明在z方向上的耦合区域46(参见图2)。
由于在实际的实施例中这样的耦合器总是具有有限厚度的分隔壁42(参见图2)，那么上面描述的理想的、缝隙耦合器的另一个问题是它的实际的实行和执行。分隔壁42越厚，则双工器越容易制造，然而其越偏离上述理想的操作。
然而为了减少有限厚度的分隔壁42(参见图2)带来的问题并由此在耦合区域46中其他边缘出现的问题，本发明提供的图2中说明的双工器30的结构没有在E平面上邻接两个半壳体34、36。通过下面的描述，可以以简单的方式提供中空导体结构相互的匹配比率，以用于宽带应用的双工器。在这点上，利用多个中空导体模式，以便实现双工器30的宽带特性。首先，在这种类型的耦合器的情形下通过准确定义的边缘、干扰位置，特别是通过在共享的耦合区域46中的凹陷不同寻常地激发了H20模。每一个干扰位置激发不能传播的衰减波，其用作能量存储器并且用于实现在彼此的特定关系中设定的电属性。后者由干扰位置参数的有针对性的变化通过用于这样的双工器的三维的、全波分析的本身已知的程序来确定。
如上面已经提到的，参考图3耦合区域位于z方向上，使得H20模式波和H01模式波都被激发。如何在控制方式中利用这点将基于本发明的双工器30的实施例的特殊形式的图4中说明的结构的参数来解释。
在沿z方向(参见图3)延伸的耦合区域46(参见图2)的高度ak中，H20-、H01-和H10模式波具有不同的传播速率，这导致了共享干扰，其影响涡旋的地点(参见图3中的涡旋)。耦合区域46的高度ak的优化允许在第四门40d前设置E场的涡旋，以实现期望的性能。可以通过减少凹陷部48、50(参见图2)宽度bk和在z方向上的长度lk以及通过将分隔壁42的变换区域ip、bp调整进耦合区域46来实现进一步的优化。
接下来，基于图4中用于70GHz-85GHz本发明的双工器30的实施例的实际示例子给出参数：
参数(根据图4) 尺寸以mm为单位
a 3.1
b 1.3
S 0.8
l 7.0
ak 5.56
bk 3.04
lk 3.94
bp 0.4
lp 0.5
以这种方式实现双工器，其在这些门处宽带范围内，例如20％，的良好匹配的情况下通过几乎对称的功率分配和良好隔离来区分。
由于本发明的双工器30使用了相对于期望的频率的波长能被紧凑的制造的两个对称的半壳体来实现，因此非常便于制造。可以发现，在应用铝、注模、半壳体的情况下，所述结构的整个形状可以这样设计：使得其能够使用例如以1mm量级的小型铣削工具直径来制造。在这种方式中，可以使用短的工作时间获得相对高的精度。
图5和6示出了本发明的双工器30的实施例的实际示例的结构的透视图。而图5说明了切分成每个半壳体的块的单独的结构，图6在放大的范围内示出了从与双工器30联接在一起的半壳体的块中切下来的结构。
除了上述的铝，其他注模材料可提供用于双工器30的半壳体的选项，诸如例如，合成材料，例如塑料。同样地除了在图2和4中说明的那样，提供的选项是其他用于凹陷部48、50(参见图2)的形状，诸如例如矩形和圆柱形凹陷部。
本发明的双工器特别适用于在通过雷达信号操作的料位测量装置的应用中。
附图标记列表
10        双工器
12        1.中空导体通道
14        2.中空导体通道
12a，b    (12)的中空导体部分
14a，b    (14)的中空导体部分
16        中空导体耦合器
18a-d     门
20        方向E(箭头)
30        双工器
32        1.半壳体
34        2.半壳体
36        1.中空导体通道
36a，b    (36)的中空导体部分
38        2.中空导体通道
38a，b    (38)的中空导体部分
40a-d     门
42        分隔壁
44        开口
46        耦合区域
48        1.凹陷部
50        2.凹陷部
52a-d     在门处的过渡段
54        方向E(箭头)

Claims (10)

1.一种用于零差FMCW雷达装置的双工器，包括：
两个接近地邻接的、平行的、中空导体通道(36，38)，具有水平极化和末端中空导体门(40a-d)；
分隔壁(42)开口(44)中的耦合区域(46)，用于连接所述中空导体通道(36，38)；以及
凹陷部(48，50)，所述凹陷部位于所述耦合区域(46)的区中并垂直于所述中空导体通道(36，38)布置，
其中，这样选择所述中空导体的尺寸与所述耦合区域(46)及所述凹陷部(48，50)的尺寸的比率：使得所述双工器(30)在所述耦合区域内显示宽带特性并能传播H20波；
其中，在所述中空导体门(40a-d)处提供将所述发送器和接收器连接到所述双工器的过渡段(52a-d)，以这样的位置和形式实施所述过渡段(52a-d)：使得它们支持所期望的宽带特性；以及
其中，所述双工器(30)由两个对称的半壳体(32，34)制造。
2.如权利要求1所述的双工器，其中，所述中空导体通道(36，38)具有矩形横截面。
3.如权利要求1或2中的一个所述的双工器，其中，所述凹陷部(48、50)被实施为近似呈棱柱形。
4.如权利要求1或2中的一个所述的双工器，其中，所述凹陷部(48、50)被实施为圆柱形。
5.如前述权利要求1到4中的一个所述的双工器，其包括两个半壳体(32，34)，其中，所述中空导体通道(36，38)、凹陷部(48，50)和过渡段(52a-d)被从所述半壳体(32，34)中铣削出来。
6.如权利要求5所述的双工器，其中，采用具有例如1mm的直径的工具进行铣削。
7.如前述权利要求1到6中的一个所述的双工器，其由两个半壳体(32，34)装配，所述两个半壳体是注模部件。
8.如权利要求7所述的双工器，其中，所述半壳体(32，34)是塑料注模部件。
9.如权利要求1到8中的一个所述的双工器，其中，所述半壳体(32，34)的切分面是电场强度E(54)的平面。
10.一种料位测量装置，包括如前述权利要求1到9中的一个所沭的双工器(30)。
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