CN103682629B - 双频道定向天线和带有这种天线的雷达料位计 - Google Patents

Abstract

一种用于在雷达料位计中使用的双频道定向天线（6）。该天线包括将天线划分成用于发射电磁发射信号的第一分隔部和用于接收电磁回波信号的第二分隔部的隔壁（22），该隔壁具有沿天线的辐射方向位于下游的外部部分。该隔壁包括电磁解耦结构（26），其设置成减少从发射信号到回波信号的电磁能量的任何漏损。根据本发明的电磁解耦结构确保将发射信号到接收信号的漏损降低到令人满意的程度。

Description

双频道定向天线和带有这种天线的雷达料位计

技术领域

本发明涉及一种将电磁波用于测量容器中的产品表面的装填高度的料位计量系统。

背景技术

雷达料位计（RLG）适合用于对罐中容纳的诸如工艺流体、颗粒状化合物和其它物料之类的产品的高度进行非接触式测量。这种雷达料位计的示例可包括用于发送和接收电磁波的收发器、设置成用以朝向该表面引导电磁波并将由表面反射的电磁波返回至收发器的天线，以及适于基于由收发器发送和接收的电磁波之间的关系来确定装填高度的处理电路。

在一些应用中，由于来自表面的反射较弱，因此，例如诸如谷粒之类的固体的料位探测仪需要非常高的灵敏度。此外，诸如天线上的干扰和杂质之类的其它因素影响了信号强度并由此影响了灵敏度要求。

在这种情况下，减小发送频道与接收频道之间的耦合和减小从相对强的发送信号变成可被天线所获得的相对弱的回波信号的电磁能量的漏损变得具有重大的意义。

因此，提高灵敏度的解决方案会利用单独的用于发送频道的天线和用以接收频道的天线。如果天线之间的电耦合是至少-50dB，则与传统系统的约100dB的典型值相比，这种系统的灵敏度可提高到40~50dB。

但是，出于实际应用的原因，在商用雷达料位计量系统中实施双天线系统是不可取的。首先，增加了相当大的成本，从而使得这种系统对于主流市场而言是不具有吸引力的。其次，在一些应用中，在容器中具有尽可能少的开口是合乎要求的。此外，出于该原因，双天线系统是不引人注目的，至少在每个天线需要在容器壁上具有单独的孔的情况下是如此。

在现有技术中已经尝试将单个天线划分为发射部分和接收部分。例如GB 1，105，503公开了被划分成两个半件的抛物面天线，这两个半件彼此分隔开一段距离。但是，现存的现有技术解决方案仍未发现适合在雷达料位计中使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种带有适合于在雷达料位计中使用的性能的双频道天线。

根据本发明的第一方面，该目的和其它目的通过一种用于确定罐中产品的装填高度的料位计来实现，该雷达料位计包括用于发射电磁发射信号和接收回波信号的收发器、连接至该收发器并适于基于发射信号与回波信号之间的关系来确定装填高度的处理电路、以及具有适于沿辐射方向发射电磁能量的天线孔径的双频道定向天线。该天线连接于收发器并设置成朝向产品的表面将发射信号发射到罐中，并且接收由发射信号在产品表面中的反射所产生的回波信号，其中，该天线包括意欲面对产品表面的天线孔径。该装置还包括将天线划分成用于发射该发射信号的第一分隔部和用于接收回波信号的第二分隔部的隔壁，该隔壁具有沿辐射方向位于下游的外部部分。该装置还包括电磁耦合装置，该电磁耦合装置包括设置成将来自收发器的发射信号耦合到第一天线分隔部中的第一波导馈源、和设置成将来自第二天线分隔部的回波信号耦合至收发器的第二波导馈源。该隔壁包括电磁解耦结构，该电磁解耦结构连接至所述隔壁的外部部分并且设置成减少从所述发射信号到所述回波信号的电磁能量的任何漏损。

根据本发明的电磁解耦结构确保将发射信号到接收信号的漏损减小到令人满意的程度。

表述“定向天线”意在包括辐射图沿特定方向指向或增强的任意天线。这种天线的示例包括喇叭型天线、抛物面反射器天线、和阵列天线。定向天线中发射的辐射的表面被称之为天线孔径。在喇叭型天线和抛物面反射器天线的情况下，该孔径由天线的在几何学上定界的内部空间的开口所限定。辐射方向将由该开口的方位所确定。在阵列天线的情况下，孔径可以是设置发射器阵列的平面，并且辐射方向将由各个发射器的方位所确定。

为了到达该接收分隔部，发射信号将需要首先沿着隔壁的面对发射分隔部的一侧并随后沿着隔壁的面对接收分隔部的一侧行进。根据本发明的实施方式，电磁解耦结构可设置在隔壁上并适于衰减电磁波沿着隔壁的传播。这种解耦结构包括四分之一波长扼流部和电磁波衰减材料。

根据一个实施方式，该隔壁包括延伸到天线开口的外侧的伸出的唇缘部分，并且电磁解耦结构至少部分设置在该伸出的唇缘部分上。在第一天线部分和第二天线部分之间的耦合由此借助于延伸出天线口外一段距离的伸出的唇缘部分而被大幅减少。由此不仅在天线内部而且在天线开口外的一段距离减少了两个分隔部之间的耦合。

电磁解耦结构可还包括设置于天线的孔径出的电介质透镜。这种透镜也可补偿在由隔壁和任何伸出的唇缘部分所造成的天线传输的波阵面中的任何干扰。

本发明的第二方面涉及一种用于在雷达料位计中使用的双频道天线，该天线包括天线口和将天线划分成用于发射电磁发射信号的第一分隔部和用于接收电磁回波信号的第二分隔部的隔壁，其中，该隔壁包括电磁解耦结构，该电磁解耦结构设置成减小在发射信号与回波信号之间的任何电磁耦合。

本发明的第三方面涉及一种用于利用根据第一方面的料位计来计量罐中产品的装填高度的方法。

附图说明

将参照附图更为详细地描述本发明，附图示出了本发明的优选实施方式。

图1是安装在罐上的雷达料位计量系统的示意图。

图2是根据本发明的第一实施方式的喇叭型天线的立体图。

图3是根据本发明的第二实施方式的喇叭型天线的立体图。

图4是根据本发明的第三实施方式的喇叭型天线的立体图。

图5是根据本发明的第四实施方式的抛物面天线的立体图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的实施方式的雷达料位计（RLG）1的立体图。该雷达料位计1设置成用以对罐5中的工艺参数进行测量，该工艺参数例如为罐5中的位于两种（或更多种）物料3、4之间的分界面2的高度L。通常，第一物料3是存储在罐中的容纳物，例如诸如汽油之类的液体，但是诸如谷粒或颗粒状物之类的非液态的物料也可以被探测到。第二物料4通常是存在于罐中的位于第一物料3的上方的空气或一些其它大气。雷达料位计（RLG）将能够探测与罐中的分界面2之间的距离d，并且该距离可用于计算高度L或其它所关心的工艺参数。

雷达料位计（RLG）1还包括自由辐射的定向天线6，该自由辐射的定向天线6位于罐的顶部中，用于将电磁发射信号发射到罐5中并用于接收来自罐的电磁回波信号。雷达料位计（RLG）1还包括电子器件单元7。

如图1中示意性地图示说明的那样，电子器件单元7包括处理单元11和用于发射和接收电磁信号的收发器10，该处理单元11连接于收发器10，用于控制收发器并对由该收发器接收到的信号进行处理以确定罐5中的产品3的装填高度L。收发器10可以是一个能发射和接收电磁信号的功能单元，或者可以是包括单独的发射器和接收器单元在内的系统。处理单元11能够经由接口12连接至用于模拟和/或数字通信的外部通信线路13。此外，尽管图1中未示出，但雷达料位计量系统1通常可连接至外部电源，或者可通过外部通信线路13供电。作为选择，雷达料位计量系统1可构造成无线通信。

可应用多种探测方案，这些探测方案包括利用脉冲调制列车信号的调频持续波（FMCW）和时域反射仪（TDR）探测。在所示实施方式中的雷达料位计（RLG）适合于发送处于微波范围中的信号，该微波范围通常处于中心频率为约10GHz或26GHz的频带中。

电子器件单元7与天线6之间的信号分布可借助于传输线14来实现，如图1中所示。该传输线14优选地借助于同轴电线来提供，但是同样可由任意合适的波导器来提供。同轴线路、微波传输带线路、带状线或其它横向电磁（TEM）线路固有地具有宽带功能并且可使用这些线路。

雷达料位计（RLG）优选地设置有馈通结构15，从而允许传输线14穿过罐壁。该馈通结构15可提供能够耐受得住容纳在罐中的温度、压力、和任何化学品的气密密封。

根据本发明，图1中的雷达料位计1上的天线6设置成用以为电磁信号提供两个单独的频道。将参考图2-5描述这种天线的更为详细的实施方式，图2-5示出了喇叭型天线和抛物面反射器天线的多种示例。所注意的是，所示出的天线共有的共同特征在于，它们具有由天线的在几何学上定界的内部空间的开口限定的天线孔径，例如喇叭型天线的情况中的喇叭部或抛物面反射器天线情况中的抛物面反射器。但是，本发明并不限于这种天线，而是包括诸如可具有平面孔径的阵天线之类的其它定向天线。

图2a中的天线是喇叭型天线，其具有由基本上呈圆锥形的天线喇叭部21的开口35限制的天线孔径。于此呈金属板22形式的隔壁设置在喇叭部21的内部中，使得在喇叭部的内壁之间延伸，从而将喇叭部21划分成两个分隔部，即发射分隔部23和接收分隔部24。板22可以是诸如金属之类的导电材料或者提供电磁分隔的其它适用的材料。板22可设置在包括天线的中轴线A在内的平面中。在这种情况下，如果喇叭部21是旋转对称的，则分隔部23、24将具有相同的尺寸和形状。

板22还包括电磁解耦结构26。电磁解耦结构26这里设计成衰减处于该计量的工作频带中的电磁波沿着隔壁的表面的传播，并且随后优选地形成在隔壁的任一侧或两侧上。作为选择，该电磁解耦结构可位于隔壁的下游，例如在下文参照图4所讨论的电介质透镜的情况下。

在图2中的示例中，电磁解耦结构由四分之一波长扼流部26形成，于此在延伸越过金属板的宽度、及越过天线喇叭部21的整个口部35的隆起部27之间形成为沟槽26。隆起部27相对于天线的辐射方向大致垂直地延伸。每个扼流部（即沟槽26）的深度约为中心工作频率的波长的四分之一，在10Ghz时约为7.5mm并且在26Ghz时约为2.8mm。横跨隆起部的宽度通常是几毫米，但取决于特定设计和实施方式，并且可由本领域普通技术人员来确定。

图2b示出了通过将板22折叠成“方波”样式来构成沟槽26的替代方法。在该情况下，一侧上的沟槽26与相对侧上的隆起部27相对应。

图2a中的隔壁22还具有延伸到喇叭部21的开口35的外侧的伸出的唇缘部分25，并且设置成进一步减小在两个分隔部23、34中的信号之间的任何电磁耦合。在图2中所示的实施方式中，电磁解耦结构设置在隔壁的伸出的唇缘部分上。

在天线的圆筒形的颈部30中设置有电磁耦合装置，该电磁耦合装置具有接收（Rx）端口28和发射（Tx）端口29，每个端口均连接至收发器10（参见图1）。图1中的传输线14因而适于将收发器10连接至两个端口28、29中的每个端口。端口28、29被隔壁22分隔开。Tx端口28包括设置成将来自收发器10的发射信号耦合到发射分隔部23中的第一波导馈源（waveguide feeder）31，而Rx端口29包括设置成将来自接收分隔部24的回波信号耦合至收发器10的第二波导馈源32。每个端口28、29还包括电介质填充材料33，例如由聚四氟乙烯制成，该电介质填充材料33形成为在探针31和32中的导向传播与天线喇叭部的分隔部23、24中的自由传播之间提供匹配转变。在图2中，该填充材料33形成从颈部30延伸到圆锥形喇叭部31的窄部中的锥形尖端34。

图3中的天线6’基本上类似于图2中的天线，并且将不对其作更为详细的描述。在该情况下，电磁解耦结构包括电磁波衰减材料40，其设置在隔壁22的至少一侧上、这里设置在伸出的唇缘部分25上。该电磁波衰减材料40可由嵌置在电介质基底中的导电微粒形成，例如嵌置在橡胶上的铁氧体微粒。

图4中的天线6”基本上类似于图2和3中的天线，并且将不对其作更为详细的描述。这里，电介质透镜41设置成覆盖住天线喇叭部21的开口35，并且用作电磁解耦结构。这种透镜又可适用于补偿由隔壁22所造成的辐射图的任何偏斜。它可结合图2和3中所示的四分之一波长扼流部26或电磁波衰减材料40来实施。但是，在没有这种特征的情况下，它也可实施，并且适于与伸出的唇缘部分25协作以减小分隔部23、24之间的电磁耦合。

在图4中，透镜41完全设置在天线喇叭部21的开口35的外侧。但是，如本领域普通技术人员所认识到的那样，用电介质填料来填充天线喇叭部以防止罐内容物或大气进入该喇叭部是已知的。在这种情况下，电介质透镜41可形成为这种电介质填料的外部部分。

图5中的天线60是抛物面反射器天线（或抛物面天线），其具有抛物面反射器51和设置在该反射器51的焦点中的天线馈源（antennafeeder）52。在所示示例中，馈源52设置在从镜子的中心伸出的支承件53上。馈源52被分隔成两个频道；一个用于发射，而另一个用于接收。频道可填满电介质材料来防止波导件受到污染。在波导件的末端处，设置有将电磁波引导至反射器51的防溅挡板副反射器50。

这里呈金属板58形式的隔壁设置在反射器51的内部中，以便在抛物面反射器的内壁之间延伸，从而将反射器51分为两个分隔部，即，发射分隔部54和接收分隔部55。馈源52设置在板54的平面中，使得该板也将馈源分为两个分隔部56、57。另外在这里，板54可以是诸如金属之类的导电材料或者提供电磁分隔的任何其它适用的材料。

类似于图2-4中所示的天线，图5中的隔壁58连接至电磁解耦结构61。该电磁解耦结构在这里示出为形成在（同样在图2中的）伸出的唇缘部分59上的四分之一波长扼流部，但是可同样地呈电磁波衰减材料（图3）或透镜（图4）的形式。

抛物面天线60设置有类似于参考图2所述的耦合装置，并且这里将不对其作更为详细的描述。该抛物面天线的操作也对应于参考图2所述的操作，其明显的区别在于通过天线馈源52经由反射器51中的反射来发射和接收信号。

本领域普通技术人员认识到本发明绝不限于上述优选实施方式。相反，许多变型和变化在所附权利要求的范围内也是可能的。例如，天线可具有不同的设计，从而要求隔壁具有不同的设计。另外，除了文中所描述的电磁解耦结构之外，可以使用其它电磁解耦结构。

Claims (11)

1.一种用于确定罐中产品的装填高度的料位计，所述料位计包括：

收发器，所述收发器用于发射电磁发射信号和接收电磁回波信号，

处理电路，所述处理电路连接至所述收发器并且适于基于所述电磁发射信号与所述电磁回波信号之间的关系来确定所述装填高度，以及

双频道定向天线，所述天线连接至所述收发器并设置成向所述罐中发射所述电磁发射信号以及接收来自所述罐的所述电磁回波信号，所述天线包括：

天线孔径，所述天线孔径适于在辐射方向上发射电磁能量，

隔壁，所述隔壁将所述天线划分成用于发射所述电磁发射信号的第一分隔部和用于接收所述电磁回波信号的第二分隔部，所述隔壁具有在所述天线的辐射方向上位于下游的外部部分，以及

电磁耦合装置，所述电磁耦合装置包括第一波导馈源和第二波导馈源，所述第一波导馈源设置成将来自所述收发器的所述电磁发射信号耦合到所述第一分隔部中，所述第二波导馈源设置成将来自所述第二分隔部的所述电磁回波信号耦合到所述收发器，

其特征在于，所述隔壁包括电磁解耦结构，所述电磁解耦结构连接至所述隔壁的所述外部部分，所述电磁解耦结构设置成减小从所述电磁发射信号到所述电磁回波信号的电磁能量的任何漏损，

其中，所述天线孔径由所述天线的在几何学上定界的内部空间的开口限定，并且

其中，所述隔壁包括延伸到所述开口的外侧的伸出的唇缘部分，并且其中，所述电磁解耦结构至少部分设置在所述伸出的唇缘部分上。

2.根据权利要求1所述的料位计，其中，所述天线是喇叭型天线，所述喇叭型天线具有颈部和呈圆锥形的天线喇叭部，其中，所述电磁耦合装置设置在所述颈部中。

3.根据权利要求1所述的料位计，其中，所述天线是抛物面反射器天线，所述抛物面反射器天线包括抛物面反射器和设置在所述抛物面反射器的焦点中用于经由所述抛物面反射器中的反射来发射和接收电磁波的天线馈源。

4.根据权利要求1所述的料位计，其中，所述天线是设置在抛物面反射器天线的抛物面反射器的焦点中的天线馈源，所述天线馈源设置成经由所述抛物面反射器中的反射来发射和接收电磁波。

5.根据权利要求1-4中的任一项所述的料位计，其中，所述电磁解耦结构包括设置于所述天线孔径处的电介质透镜，所述电介质透镜设置成影响所述天线的辐射图。

6.根据权利要求2所述的料位计，其中，所述天线喇叭部填充有电介质材料，所述电介质材料进一步延伸到所述开口的外侧以形成设置成影响所述喇叭型天线的辐射图的电介质透镜。

7.根据权利要求1-4中的任一项所述的料位计，其中，所述电磁解耦结构包括至少一个四分之一波长扼流部，所述至少一个四分之一波长扼流部形成为所述隔壁的表面上的一个或多个沟槽，所述沟槽基本上垂直于辐射方向延伸并具有选择成与所述料位计的中心工作频率的四分之一波长相对应的宽度。

8.根据权利要求1-4中的任一项所述的料位计，其中，所述电磁解耦结构包括设置在所述隔壁的至少一侧上的电磁波衰减材料。

9.根据权利要求8所述的料位计，其中，所述电磁波衰减材料包括嵌置在电介质基底中的磁性微粒。

10.一种用于计量罐中产品的装填高度的方法，包括下列步骤：

产生电磁发射信号，

将所述电磁发射信号引导至双频道定向天线，所述天线具有将所述天线划分成发射分隔部和接收分隔部的隔壁，所述天线具有由所述天线的在几何学上定界的内部空间的开口限定的天线孔径，并且其中，所述隔壁包括延伸到所述开口的外侧的伸出的唇缘部分，

从所述发射分隔部发射所述电磁发射信号，

在所述接收分隔部中接收所述产品的表面处反射的电磁回波信号，

基于所述电磁发射信号与所述电磁回波信号之间的关系来确定所述装填高度，

通过设置带有连接至所述隔壁的外部部分的电磁解耦结构的所述隔壁来减少从所述电磁发射信号到所述电磁回波信号的电磁能量的漏损，其中，所述电磁解耦结构至少部分设置在所述伸出的唇缘部分上。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，通过衰减沿着所述隔壁的表面的电磁波传播来减少所述漏损。