CN104956544B

CN104956544B - 用于发射料位测量设备数据的天线装置

Info

Publication number: CN104956544B
Application number: CN201380063180.1A
Authority: CN
Inventors: 托马斯·布勒德特
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Ndele J and Hauser European two companies
Priority date: 2012-12-03
Filing date: 2013-11-26
Publication date: 2018-06-05
Anticipated expiration: 2033-11-26
Also published as: US20150325916A1; CN104956544A; EP2926411B1; WO2014086616A1; DE102012111732A1; US9812781B2; EP2926411A1

Abstract

用于发射料位测量设备的数据的天线装置，包括至少两个线圈构造(i＝1，2，..n)，其中线圈构造i＝1，2，..n具有线圈长度(l_i)和线圈直径(d_i)，其中，所述线圈直径(d_i)小于相应的线圈长度(l_i)，其中每个线圈构造(i＝1，2，..n)与直线(e)相交，使得该直线(e)和线圈构造(i＝1，2，..n)的纵向轴线在交点形成至少为85°的锐角或90°角的相交角(g)，其中每个线圈构造(i＝1，2，..n)的交点布置在和之间的位置，其中至少两个线圈构造(i＝1，2，..n)沿着该直线(e)顺序地排列，在这种情况下，线圈构造(i＝1，2，..n)的线圈长度l_i单调减小，l₁＞l₂＞…l_n，以及其中，在每种情况下，至少两个线圈构造(i＝1，2，..n)沿着该直线(e)在线圈构造(i)和(i+1)之间具有间隔(s_i)，其中该间隔(s_i)的长度最多为线圈长度(l_i)的四分之一。

Description

用于发射料位测量设备数据的天线装置

技术领域

本发明涉及一种用于发射料位(fill-level)测量设备的数据的天线装置。

背景技术

在自动化技术中，特别是在过程自动化技术中，经常用到现场设备，其用于确定、优化和/或影响过程变量。用于记录过程变量的是传感器，如料位测量装置、流量测量装置、压力和温度测量装置、电导率测量装置等等，其分别记录相应的过程变量，如料位、流量、压力、温度以及电导率。用于影响过程变量的是致动器，如阀或泵，通过阀或泵可以改变管道部分中的液体流量或容器中的料位。原则上，应用于过程附近并且用于传递或处理与过程相关的信息的所有设备被称作现场设备。与本发明有关，术语“现场设备”还包含远程输入/输出设备和无线电适配器，并且一般来说还包含布置在现场级的所有设备。大量的这种现场设备由Endress+Hauser公司制造和销售。

对天线装置具有决定性作用的是其尺寸与波长的相对关系。天线装置的其它特性是捆绑(bundling)程度以及范围，从而区分远场和近场。具有较高捆绑程度相当于所发射的电磁射线具有较小的“孔径角”。捆绑程度决定了天线的聚集强度。当天线装置代表如较大的TV天线时，这种天线装置具有较小的接收角范围，并且可以在发射机处被更准确地定向。捆绑程度越高，从天线发出的辐射波前越平行。此外，还有其他例如宽带、匹配(少反射)、孔径、耐压性和(能量)效率的特性，其必须相对于彼此同时进行优化。

近场是相对于波长在天线装置附近的区域，而远场相对于波长距离天线装置很远。远场意味着电场和磁场之间几乎没有相位差，并且电场和磁场的振荡方向彼此垂直。由于其辐射能量分别在期望的一个或多个方向上均匀辐射，因此这对于在高数据速率情况下相对于波长测量的长距离数据连接是非常有利的，例如，移动电话、WLAN、定向无线链路、蓝牙、UMTS和LTE。波阻取决于大气或周围材料的性质。不导电材料的波阻抗为复磁导率与复介电常数之比的平方根。

在近场中，在传输时，由坡印廷(Poynting)向量的评估会导致能量传输回天线装置中然后又向外辐射出去。这产生了复杂的波阻抗。通过适当调整尺寸来选择直接返回天线装置的能量份额。以这种方式，可在近场范围内实现转换器以及NFC/RFID系统。在RFID系统的情况下，所发射的能量足以为一个小的电子装置供电，该电子装置包含例如发射机和其他元件。

发明内容

本发明的目的是提供一种天线装置，其产生具有较高分辨率的信号。

该目的通过一种用于发射料位测量设备的数据的天线装置来实现，其包括至少两个——优选为三个——线圈构造i＝1，2，..n，其中线圈构造i＝1，2，..n具有线圈长度l_i以及线圈直径d_i，其中，线圈直径d_i小于相关联的线圈长度l_i，并且每个线圈构造i＝1，2，..n与直线相交，该直线与线圈构造i＝1，2，..n的纵向轴线在交点形成至少为60°、优选至少为75°以及更为优选至少为85°的锐角或90°角的相交角g，并且其中每个线圈构造i＝1，2，..n的交点布置在和之间的位置，优选在和之间的位置，更为优选在和之间的位置，并且其中至少两个——优选为三个——线圈构造i＝1，2，..n沿该直线顺序地布置，其中线圈构造i＝1，2，..n的线圈长度l₁单

调下降，l₁＞l₂＞…l_n，并且其中在每种情况下，至少两个——优选为三个——线圈构造i＝1，2，..n沿该直线在线圈构造i和i+1之间具有间隔s_i，该间隔s_i最多是线圈长度l_i，优选最多是线圈长度l_i的一半，更为优选最多是线圈长度l_i的四分之一。

在这种情况下，该线圈构造可具有零个、一个或多个线圈芯。如果线圈构造i＝1，2，..n被顺序布置，其中，线圈长度单调减小，l₁＞l₂＞…l_n，则从具有最大线圈长度l₁的线圈构造i＝1沿着具有最小线圈长度l_n的线圈构造i＝n的方向，有利于每个线圈构造i＝1，2，..n的电磁波的叠加。退出或进入线圈构造i＝1，2，..n的各端部区域的电磁波在该方向上叠加以形成总的波前(wave front)。

本发明的天线装置的区别在于空间非常受限的近场以及相比于波长的非常小的尺寸，从而非常适合于应用在特别是数字通信领域，例如，用于无线HART、蓝牙、WLAN、DMR446或SRD(曾经的LPD)，然而，由于小的近场范围而不适用于NFC和RFID。通过合适以及类似描述的电路，可参考频率来设置天线装置的选择性，例如，用石英晶体，其极其准确，这对于小功率的极窄带通信的情况是特别有利的，由此，在长距离的场中可节省电流。对于短距离连接也同样是可能的。

在进一步的发展中，从位于与其他线圈构造i＝1,2..n-1相对一侧的具有最小线圈长度(l_n)的线圈构造(n)来看，线圈构造i＝1，2，..n在该直线上点的方向上具有曲率。如果线圈构造i＝1，2，..n在该直线上点的方向上是弯曲的，则进一步有利于从各个线圈构造i＝1，2，..n的端部区域发出的电磁波的叠加。这些电磁波叠加后仍然有效构成总波前，其优选以弯曲的方向传播。

在另外的实施例中，周期性的电压U_i被施加至各线圈构造i＝1，2，..n，并且各线圈构造i＝1，2..n的电压U_i相对于两个相邻线圈构造i＝1，2，..n具有相位差

其中如果线圈构造i＝1，2，..n具有相位差则从线圈构造i＝1，2，..n其中之一发出的磁力线进入到其他所有线圈构造i＝1，2，..n中。这会产生所有线圈构造i＝1，2，..n的磁力线的一个建设性叠加。

在进一步的发展中，相位差随时间可变。特别是，相位差可以是一个半周期。如果相位差达到半个周期，那么例如从线圈构造i+1的北磁极发出的磁力线可以部分进入相邻线圈构造i和/或i+2等的南磁极。由此，从线圈构造i＝1，2，..n发出的磁力线彼此叠加，并且产生多个小和/或大的磁涡流场，这在相关联的电场协助下传播。在这种情况下，多个小和/或大的磁涡流场带来更多的选择性，其由接收机相应的感知。

在另一形式的实施例中，奇数号和/或偶数号的线圈构造i＝1，2，..n的电压U_i具有相同的相位差，即和/或如果每隔一个的线圈构造的相位差相等，那么就只有线圈构造i＝1，2，..n的相邻磁极的磁力线的叠加。这允许更好的控制叠加磁场。

在进一步的改进中，电压U_i包括数字信号。通过这种方式，在数字信号被施加至线圈构造i＝1，2，..n之一的时间跨度中，相对于其他线圈构造具有恒定的相位关系。

在进一步的改进中，电压Ui是正弦的。线圈构造上的正弦电压影响圆形磁涡流场，其同样以这种形式传播并到达接收器。

在进一步的改进中，电压U_i是正弦的并且由数字信号触发。通过这种方式，当电压是恒定的时候，在一定时间内的相位差相对于其他电压具有固定的相位差。

在另一形式的实施例中，线圈构造i＝1，2，..n可具有一个或多个线圈芯。线圈芯增加线圈内部的磁场。

在进一步的改进中，线圈构造i＝1，2，..n的线圈芯可以是永久磁铁。如果仅有一个恒定电压被施加至一个线圈构造，则采用永久磁铁代替这种线圈构造将是经济的和对经济有利的。

在进一步的改进中，从i到i+1的线圈长度l_i减少长度Δl_i，l_i+1＝l_i-Δl_i，其中长度Δl_i在至之间，优选在至之间，更为优选在至之间的长度。

一个理想的(无源)天线包括具有导向波导/信号线的栅极和作为开口的第二栅极。如果一个信号在这些栅极中的一个上施加或接收，则被发射到各其他栅极。在天线的实际情况下，在传输中会发生附加损耗(介电损耗、金属元件中的欧姆损耗、热转换)。因此，技术上实现的各天线装置反射了小部分功率(技术表达“有限天线匹配”)。如果线圈构造的线圈长度沿其顺序减半，则线圈构造的端部区域彼此是等距离的。这对于场释放过程特别有利。通过这种方式，在这种释放的情况下，可实现均匀的辐射并且非常小的功率份额被反射回来。

附图说明

现在，将基于附图对本发明进行解释，其中附图如下：

图1包括两个线圈构造的天线装置，每个线圈构造都具有一个线圈和一个线圈芯；

图2a包括两个线圈构造以及相关联的同向(same sense)磁力线的天线装置，每个线圈构造都具有一个线圈和一个线圈芯；

图3包括两个线圈构造以及相关联的反向(opposite sense)磁力线的天线装置，每个线圈构造都具有一个线圈和一个线圈芯；

图4在一个线圈构造磁极反向的情况下，包括两个线圈构造的天线装置的磁力线的变化；

图5a在一个线圈构造磁极反向的情况下，包括两个线圈构造的天线装置的磁力线的变化；；

图5b在一个线圈构造磁极反向并且中间时间间隔无磁场产生的情况下，包括两个线圈构造的天线装置的磁力线的变化；

图5c在一个线圈构造磁极反向的情况下，包括两个线圈构造的天线装置的磁力线的变化；

图6由相应电场线协助传播的磁力线；

图7a不同时操作的两个线圈构造的磁力线；

图7b同时操作的两个线圈构造的磁力线；

图8a彼此叠加的两个线圈构造的磁力线；

图8b叠加的两个线圈构造的磁力线，其产生新的磁涡流场；

图9a两个线圈构造的新产生的磁涡流场和后一周期尚未叠加的磁力线；

图9b两个线圈构造的新产生的磁涡流场和后一周期尚未叠加的磁力线；以及

图10三个线圈构造的叠加的磁力线。

具体实施方式

图1示出了天线装置k，该天线装置k具有第一线圈构造a、第一线圈C和第一U形线圈芯B，其中，第一线圈芯B是铁氧体棒。具有第二U形线圈芯D和第二线圈E的第二线圈构造b被设置在与第一线圈构造a距离间隔s₁的位置。第一线圈构造a和第二线圈构造b被设置在图的平面上并且具有一共享的直线e，其中直线e是两个线圈构造a、b的横向轴线。此外，线圈构造a、b具有端部区域A，其在第二平面中彼此等距离地设置，其中第二平面与图的平面垂直。但是，线圈构造a、b也可以扭曲设置或者相对于彼此相交并以线e作为旋转轴。点j布置在线e上，该第一和第二线圈构造a、b朝向该点弯曲。第一线圈构造a具有第一线圈长度l₁，并且第二线圈构造b具有线圈长度l₂，其中在各线圈构造a、b的端部区域A之间测量该线圈长度l₁和l₂。在该实施例中第一线圈构造a到第二线圈构造b的间隔s₁是l₁的四分之一。此外，在每种情况中，线圈构造a、b与线e相交角设为g，在该实施例中为90°。此外，线圈构造a、b具有各自的第一线圈直径d₁和第二线圈直径d₂。

如果第一电压U₁施加至第一线圈芯C，则在第一向外的方向I和第一向内的方向J产生第一磁场H，其中，磁场H通过第一线圈芯B的端部区域A进入，并分别发射出(参见图2a)。如果第二电压U₂施加至第二线圈芯E，则在第二向外的方向K和第二向内的方向L产生第二磁场G。

如果所述第一电压U₁和第二电压U₂具有相同的极性，则向外的方向K、I和向内的方向L、J同向。磁场G、H基本上仅在平面F的上方、线圈B、D之外相互影响。

如果极性相反的电压U₁、U₂被施加至线圈芯B、D，线圈芯B、D在相反方向的I、J以及K、L分别产生磁场G、H。

在天线装置k应当接收电磁波的情况下，例如通过将线圈C、E之一的极性反向以及对线圈C、E中的另一个线圈馈以直流电，则可实现同向和反向磁场G、H的连续交替。如果天线装置k将接收电磁波，该第一线圈C被直接连接至接收器，第二线圈E的极性以接收频率的半周期被连续的反向。适用于该方式的器件为例如所谓的PIN二极管，以及可操作在频率高达26.5GHz的贴片高频(SMD-HF)晶体管，以及一些其他的可在高于100GHz的频率下进行操作的高频晶体管。

如果例如使用石英晶体、控制电路或另一参考来控制线圈C、E的切换，则对于接收器和发射器之间的频率或同步具有很高的可选择性。一种变体可以是所谓的相位控制环路，也被称为PLL电路，特别是涉及到传输相位位置重构的实施例。

线圈构造a、b必须具有不同的尺寸，以实现天线方向图中尽可能短的近场区域，以及尽可能宽的天线波瓣，以便从天线装置k尽可能良好和完全的释放磁场。

图4示出了磁场的第一场配置M和第二场配置N。第一场配置M示出了第一线圈构造a的第一磁场Q和第二线圈构造b的第二磁场R。线圈构造a、b的线圈C、E被施加第一电压和第二电压U₂以使得第一磁场Q和第二磁场R反向。在一定时间内，可发生从场配置M至场配置N的场变化P。在这样的情况下，线圈构造a、b的线圈C、E被施加第一电压和第二电压U₂以使得第一磁场Q和第二磁场R同向。改变两个磁场Q，R中的哪个磁场并不重要。同样地，线圈构造a、b的一个或两个都可相对于彼此扭曲，其中旋转时间可改变。重要的是，磁场Q，R相对于彼此改变方向。

为了执行场变化P提供了三种方法(参见图5a)。切换是数字式发生的的或者实质上是数字式发生的，即没有中间的停顿。在这种情况下，第一线圈构造a的流向保持恒定，而第二线圈构造b的流向急剧反向。对于电路来说，其实施相对简单，并且可以采用成本高效的数字技术，例如采用微处理器的两个CMOS兼容输出通道。以这种方式，高频电子装置可基本上被植入微处理器中，其可例如采用石英晶体电路来保证频率的精度。

图5b示出了电流的使用，其作为图5a过程的补充，该电流流过第一线圈构造a的第一线圈铁芯B，并且在第二线圈构造b的第二线圈铁芯D的极性反向之后被切断。为此目的，施加正弦或正弦状的电流(例如，升余弦或两个基本正弦，数字电路、PWM、模拟滤波器、平滑电容器等的数字输出)。以这种方式，所实施的天线装置k对比图5a具有更好的性能。

另一变型示于图5c，其中施加直流电压至线圈构造a、b中的一个，或采用永久磁铁。在这种情况下，通过第一线圈铁芯B的电流保持恒定，并且通过第二线圈铁芯D的电流被交替地反向和/或关断。

也可以采用混合形式，例如，采用线圈构造a、b中的一个的直流电压(图5c)或数字驱动(图5a)以及另一个线圈构造a、b的正弦驱动(图5b)来一起正弦(图5b)或数字(图5a)驱动线圈构造a、b。

图6中示出了磁场的分布以及其从天线装置k的释放，并且将参考附图进行详细地描述。

首先，考虑了对应于图3的两个线圈构造a、b的磁场的分布。类似于图3，图7a示出了第一线圈构造a的第三磁场S和第二线圈构造b的第四磁场T。磁场S、T分别具有第一向外的方向I和第二向外的方向L。各磁场S、T由多个磁力线示出。磁力线的数量正比于各磁场S、T的相应场密度。结果是，第一磁场S具有一个比第二磁场T小的场密度。此外，向外的方向I、L反向。

图7a中示出了假设线圈构造a、b的线圈铁芯C、E被顺序供给电流的情况下的磁场S、T。为了获得磁场S、T的相互作用，必须同时向线圈铁芯C、E供给电流。如果场彼此相互作用，则会导致对应于图7b的磁场分布，其中在第一区域V和第二区域W向内拉入磁场S、T。作为这种拉入的结果，产生第三区域U，其中(视为二维封闭的)磁场T在与天线装置k相反的方向上以较小的扩展变宽。

在天线装置k的磁场S、T的磁力线另外的释放过程中，磁场S、T的磁力线在线圈构造a、b的外部闭合(参见图8a)。这些在线圈构造a、b的外部闭合的磁力线被称为多数(majority)X，并且与第四区域Y相分隔。而且，引起另外的磁力线Z，其穿过线圈构造a、b并且从第一线圈构造a的主出口区域A发出并进入第二线圈构造b的端部区域A，反之亦然。由此，这些磁力线Z穿过两个线圈构造a、b。由于第四区域Y相对较小，多数X相对接近天线装置k。随着时间的推移(图8b)，多数X进一步远离，将在线圈构造a、b外侧出现其它闭合磁力线，其具有比多数X小的直径，因此它们被称为少数(minority)O。

如上所述，随着更多时间的过去(图9a)，则产生类似于图2a的具有同向的方向I、K的磁场G、H。与此同时，将进一步释放导致天线方向图的旁瓣的多个少数O，以及进一步释放导致天线方向图的主瓣的多数X。主瓣具有非常宽的角度。随着额外的时间，旁瓣引起的少数O(图9b)将被进一步推到侧边。这导致了少数O的加宽。宽主瓣意味着电磁波的非常均匀的辐射，其近似于半球形。

图10示出了对比于前图的具有三个线圈构造a、b、c的天线装置k。其可相对于彼此被扭曲，其中直线e被用作旋转轴。

变化时的精确时间点可有利于三维传播；对于彼此以例如90°、60°或45°的固定角设置的多个线圈构造a、b、c也是如此，并且其可并行操作或简单的在时间上偏移。通过适当的参数选择，例如，可实现圆形极化或椭圆形主瓣。

参考标记列表

A.线圈构造的端部区域

B.第一线圈芯

C.第一线圈

D.第二线圈芯

E.第二线圈

F.平面

G.第二磁场

H.第一磁场

I.第一向外的方向

J.第一向内的方向

K.第二向外的方向

L.第二向内的方向

M.第一场配置

N.第二场配置

O.少数

P.场配置M和N之间的变化

Q.具有两个场线的第一磁场

R.具有三个场线的第二磁场

S.具有两个场线的第三磁场

T.具有三个场线的第四磁场

U.第三区域

V.第一区域

W.第二区域

X.多数

Y.第四区域

Z.另外的磁力线

a.第一线圈构造i＝1

b.第二线圈构造i＝2

c.线圈构造i＝3

d.线圈直径

e.直线

f.因子

g.相交角

h.角

j.线e上的点

k.天线装置

l.线圈长度(各线圈构造具有索引i)

Claims

1.用于发射料位测量设备的数据的天线装置，包括n个线圈构造，即线圈构造1至线圈构造n，n是大于1的整数，其中线圈构造i具有线圈长度l_i和线圈直径d_i，并且d_i小于l_i，i＝1,2,..n，

其中，线圈构造i与直线e相交，使得该直线e和该线圈构造i的纵向轴线在交点形成的相交角g至少为60°，i＝1,2,..n，

其中，线圈构造i的交点布置在和之间的位置，i＝1,2,..n，

其中，所述n个线圈构造沿着所述直线e顺序地排列，在这种情况下，所述n个线圈构造的线圈长度单调减小，即l₁＞l₂＞…l_n，

其中，在每种情况下，所述n个线圈构造沿着该直线e在线圈构造i和线圈构造i+1之间具有间隔s_i，其中，该间隔s_i的长度最多是线圈长度l_i，i＝1,2,..n-1，以及

其中，直流电压被施加到所述n个线圈构造的至少一个。

2.如权利要求1所述的装置，其中，从位于与其他线圈构造1至线圈构造n-1相对一侧的具有最小线圈长度的线圈构造n来看，所述n个线圈构造在所述直线e上的点(j)的方向上具有曲率。

3.如权利要求1或2所述的装置，其中，施加周期性电压U_i至所述线圈构造i，i＝1,2,..n，并且线圈构造i的电压U_i相对于两个相邻的线圈构造具有相位差

4.如权利要求3所述的装置，其中所述相位差随时间可变，i＝1,2,..n。

5.如权利要求3所述的装置，其中奇数号的线圈构造的电压具有相同的相位差，即和/或偶数号的线圈构造的电压具有相同的相位差，即

6.如权利要求3所述的装置，其中所述电压U_i包括数字信号，i＝1,2,..n。

7.如权利要求3所述的装置，其中所述电压U_i是正弦的和/或余弦的，i＝1,2,..n。

8.如权利要求3所述的装置，其中，所述电压U_i是正弦的和/或余弦的，并且由数字信号触发，i＝1,2,..n。

9.如权利要求1所述的装置，其中所述n个线圈构造的每个具有一个或多个线圈芯。

10.如权利要求8所述的装置，其中所述线圈芯是永久磁铁。

11.如权利要求1所述的装置，其中l_i+1＝l_i-Δl_i，其中该长度Δl_i在至之间，i＝1,2,..n-1。

12.如权利要求1所述的装置，其中n等于3。

13.如权利要求1所述的装置，其中所述相交角g至少为75°。

14.如权利要求13所述的装置，其中所述相交角g至少为85°的锐角或90°角。

15.如权利要求1所述的装置，其中，每个线圈构造i的交点布置在和之间的位置，i＝1,2,..n。

16.如权利要求15所述的装置，其中，每个线圈构造i的交点布置在和之间的位置，i＝1,2,..n。

17.如权利要求1所述的装置，其中，所述间隔s_i的长度最多是线圈长度l_i的一半，i＝1,2,..n-1。

18.如权利要求17所述的装置，其中，所述间隔s_i的长度最多是线圈长度l_i的四分之一，i＝1,2,..n-1。

19.如权利要求11所述的装置，其中该长度Δl_i在至之间，i＝1,2,..n-1。

20.如权利要求19所述的装置，其中该长度Δl_i在至之间，i＝1,2,..n-1。

21.如权利要求4所述的装置，其中所述相位差为半周期，i＝1,2,..n。