CN107636900A - 用于线扫描器的波导耦合结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于具有线扫描器形式的填充物位雷达天线的波导耦合结构，其中，位于天线侧的波导开口的彼此之间的距离可小于或等于传输信号的波长的一半，其中，相邻的辐射元件之间的距离可大于传输信号的波长的一半。以此方式，可为印刷电路板上的高频前端提供更多的空间。

Description

用于线扫描器的波导耦合结构
技术领域
本发明涉及三维填充物位测量。特别地，本发明涉及用于填充物位雷达天线(特别地，其可以是线扫描器)的波导耦合结构、包括波导耦合结构的填充物位雷达天线及包括填充物位雷达天线的填充物位测量装置。
背景技术
在使用雷达测量装置的三维填充物位测量的领域中出现了全新的应用目标。之前，在测量散装材料时，仅能够测量实际填充物位的总测量值。然而，三维填充物位测量开启了检测容器内包含的散装材料的体积和质量的可能性。
对表面拓扑结构的检测甚至能够有利于确定移动液体的填充物位或体积。此类移动液体例如可以在使用搅拌器以及由此在液体表面上产生的流动图案(水龙卷)时产生。对表面拓扑的确定还能够允许得出诸如填充材料的粘性或混合度等其它变量有关的结果。
为了检测表面拓扑，使用测量波束对填充材料表面进行采样。例如，由多个辐射元件组成的一维阵列可用于控制测量波束，该阵列允许对填充材料表面进行一维采样(线扫描器)。此外，如果该阵列旋转，则可对该表面进行二维采样。
发明内容
本发明的目的在于提供小型天线设计并有效地聚焦传输信号。
该目的通过独立权利要求中的主题而实现。此外，在从属权利要求中以及下文中描述的实施例中发现本发明的其它实施例。
本发明的第一方面涉及一种用于填充物位雷达天线的波导耦合结构，波导耦合结构包括多个辐射元件的布置和多个波导的布置。每个辐射元件被构造成用于传送和/或接收雷达信号，且每个辐射元件与一个波导相关联。
当天线组件连接到波导耦合结构时，相应的辐射元件传送传输信号以使其耦合到波导中，接着波导将耦合的传输信号提供和/或传送到天线组件的天线元件。
天线组件包括多个天线元件，每个天线元件被设计和/或构造成用于发射和/或接收相应的雷达信号。通过数字波束成形方法，可设定天线的“观看”方向，并因此可(在辐射元件的一维阵列的情况下)沿着线或(在辐射元件的二维阵列的情况下)二维地对填充材料表面进行采样。
每个波导包括布置在天线侧的波导开口，从而将耦合的传输信号发射到天线或其它的与其连接的波导。
布置在天线侧的两个相邻的波导开口之间的最大距离例如小于或等于传输信号的波长的一半。传输信号的中心频率可为79GHz(其对应于大约3.8mm的波长)，因此最大距离为1.9mm。
每个辐射元件可连接到各自的电子单元，电子单元产生要被(天线)发射的雷达信号或进一步处理的(由天线)接收的雷达信号。电子单元例如通过微带线连接到相应的辐射元件，并通常具有大于传输信号的波长的一半的尺寸。
根据本发明的一个实施例，两个相邻的辐射元件之间的距离大于位于天线侧的两个相邻的波导开口之间的距离，并例如大于传输信号的波长的一半(λ/2)。
例如，相邻的辐射元件之间的距离为位于天线侧的相邻的波导开口之间的距离的两倍。
以此方式，即使在相对大的电子单元的情况下，也能够获得面对天线的各个波导开口之间的较小距离。
根据本发明的另一实施例，每两个辐射元件中的一个辐射元件沿着直的第一线布置。另一方面，剩余的辐射元件沿着以与第一线平行的方式延伸的第二线布置。这两条线之间的距离例如处于传输信号的单个波长的范围内。然而，该距离也可以更大或更小。由于这种未对准，可为电子单元(也称为高频前端)提供空间。
还可以仅每三个辐射元件中的一个辐射元件或例如每四个辐射元件中的一个辐射元件沿着直的第一线布置，每三个或每四个辐射元件中的下一个辐射元件沿着第二线布置，并且每三个或每四个辐射元件中的再下一个辐射元件沿着第三线布置。在四组的辐射元件的情况下，每四个辐射元件中的最后一个辐射元件沿着第四线布置，所有的第三线或第四线平行地延伸，但彼此具有明显的距离，使得电子单元具有足够空间。
根据本发明的又一实施例，辐射元件至少部分地布置在不同平面上。例如，第一线位于(第一基板上的)第一平面上，且第二线位于(第二基板上的)第二平面上，第二平面位于第一平面的上方或下方。由此，可为电子单元提供额外空间。
根据本发明的又一实施例，位于天线侧的波导开口沿着附加线布置，该附加线位于另一平面中，并通常中心地位于前面两条线的上方。
根据本发明的又一实施例，至少一个波导(或所有的波导)具有弯曲形状或有角形状，使得与该波导相关的辐射元件没有布置在位于天线侧的波导开口的正下方(或正上方)，而是相对于波导开口横向地偏移。
根据本发明的又一实施例，所有波导具有相同长度，并因此可使用相同的电子单元。
根据本发明的又一实施例，所有波导具有相同形状。
波导用作用于连接喇叭天线、抛物线槽或其它聚焦设备的接口。
因而，通过波导网络，使来自多个相互偏移的辐射元件的传输信号沿着线汇集。矩形波导的使用已被证明在这一方面是有利的。然而，也可以使用圆形波导或具有其它截面的波导。
在使用矩形波导时，波导开口可布置成使得波导的窄边布置在一条线中，从而能够在波导之间提供尽可能小的距离。换句话说，波导开口的长边布置成彼此相邻。
本发明的另一方面涉及包括如上文及下文描述的波导耦合结构的填充物位雷达天线。填充物位雷达天线例如为喇叭雷达阵列天线。根据本发明的又一实施例，所述天线还可以是抛物线槽。
根据本发明的又一实施例，填充物位雷达天线为一维阵列天线(线扫描器)。根据本发明的又一实施例，填充物位雷达天线为二维阵列天线，并因此能够二维地采样填充材料表面，而无需在此过程中旋转天线。
根据本发明的又一方面提供了具有如上文及下文描述的填充物位雷达天线的填充物位测量装置。填充物位测量装置例如被设计为用于确定填充材料表面的拓扑。
在下文中，参照附图详细地说明本发明的实施例。
附图说明
图1示出了根据本发明的一个实施例的填充物位测量装置。
图2示出了根据本发明的一个实施例的抛物线槽。
图3a示出了印刷电路板上的平面辐射元件。
图3b示出了波导耦合结构。
图4示出了沿着直线布置的多个辐射元件。
图5示出了沿着平行延伸的两条直线布置的多个辐射元件。
图6示出了根据本发明的一个实施例的波导耦合结构。
图7示出了根据本发明的又一实施例的波导耦合结构的侧视图。
图8示出了图7中的波导耦合结构的立体图。
图9示出了根据本发明的一个实施例的抛物线槽。
图10示出了根据本发明的一个实施例的喇叭天线阵列组件。
这些附图中的视图为示意性的而不是按照比例尺的。在相同的附图标记用于不同的附图时，这些附图标记表示相同或相似的元件。然而，相同或相似的元件也可以使用不同的附图标记来表示。
具体实施方式
图1示出了例如具有填充物位测量装置的形式的拓扑检测用填充物位测量装置105，测量装置105可包括如上文及下文描述的填充物位雷达天线。测量装置能够检测来自不同角度范围101、102、103的回波信号或回波曲线。针对所检测的每个回波曲线，确定与填充材料或散装材料104的表面上的相关点的距离。通过数字积分这些距离值并通过对散装材料下方的平面106的假定或在容器几何形状是已知的时，能够确定散装材料堆107的体积。此外，当密度是已知的时，可计算散装材料的质量。
填充物位测量装置105包括天线支架108，以用于紧固天线组件(填充物位雷达天线)109。根据填充物位测量装置的设计，天线支架108能够例如通过旋转110或通过倾斜来机械地调整天线的主辐射方向。此外，填充物位测量装置能够被设计成用于执行数字波束成形(digitalen Strahlumformung)。在此方面，填充物位测量装置包括由多个传送元件和/或接收元件组成的天线组件109以及合适的用于执行数字波束成形方法的分析单元111。
图2示出了用于拓扑检测用填充物位测量的天线组件。例如，抛物线槽201与可旋转支架108(参见图1)组合地使用。抛物线槽将由天线元件202发射和/或接收的电磁波聚焦在x方向(横向方向)上。相比而言，仅当在分析单元111(参见图1)中已经检测到所接收的信号之后，通过数字波束成形(DBF)将相应的信号聚焦在y方向(纵向方向)上。由此，还特别地允许在y方向上对天线组件的主接收方向进行针对性的控制。
然而，包括在x方向和y方向这两个方向上分布的多个传送元件和/或接收元件的二维天线组件与静态支架108组合地使用。分析单元根据二维数字波束成形方法来组合由传送元件/接收元件接收的信号，并且由此能够使主接收方向沿着x轴和y轴针对性地偏转。
为了在数字波束成形期间避免光栅波瓣(Gitterkeulen)，两个相邻的天线元件202之间的物理距离应当小于或等于所使用的雷达信号的波长的一半。这种限制通常导致大量的天线元件，并因此导致电路的高复杂度以及雷达装置的相应的高生产成本。
图3a和3b示出了波导302与布置在印刷电路板301上的辐射元件303之间的波导过渡结构(Hohlleiterübergangs)305的示意性构造。通过波导302，雷达信号电磁波306被引导至天线组件(未图示)，其中，电磁波306由辐射元件303传送，并再现了由高频前端产生并经由微带线被传导至传送元件303的雷达信号。由天线组件接收的信号还可通过波导被提供给电子单元。此类的波导过渡结构305可用于常规的基于雷达的填充物位测量，其中雷达装置仅包括一个天线。
通过平面贴片天线303或更一般性地通过辐射元件303将交变电磁场耦合到波导的位于电路板侧的开口中，该开口垂直于电路板的法线。在此情况下，波导的内截面304可以为圆形或矩形，或者可具有任何其它的几何形状。可使用诸如短截线(Leitungsstumpf)等其它几何形状来代替贴片天线。用于提高与波导的耦合的其它设计也是可能的，例如垂直针脚(senkrecht stehender Stift)或电路板的下表面上的附加谐振器(Resonatoren)。
图4示出了多个辐射元件303沿着直线的布置。相邻的辐射元件之间的距离为d0，例如λ/2。
如果在此为了设置能够用于通过数字波束成形沿着直线对填充材料表面进行采样的天线阵列，如图6所示，波导耦合结构可沿着直线布置。以此方式，非平面阵列天线201(参见图2)可连接到高频前端。根据图6的实施例，辐射元件303具有贴片天线的形式。诸如短截线或垂直针脚等其它辐射元件也是可能的。同样地，为了增加耦合，可在印刷电路板的下表面上使用谐振器，或可以从印刷电路板的下表面对波导进行供应。
由于上述的印刷电路板波导过渡结构305通常具有与波长λ相关地大的空间拓展，因此能够通过使用针对此目的而特别形成的波导来提供用于容纳电子单元的更多空间。以此方式，即使在相对大的电子单元的情况下，也能够以小于或等于λ/2的距离布置波导开口。
在此情况下，根据图5，在一个以上的基板材料301上，辐射元件303(例如，具有微带天线形式)可以不再沿着一条直线布置(如图4所示)，而是可以相互偏移，并因此沿着两条以上的直线布置。安装后的波导701(参见图7和8)沿着一条线组合由偏移的辐射元件传送或接收的雷达信号，其中，这些波导为弯曲波导或有角(winklig)波导。获得的波导阵列能够用作用于各种类型的天线(例如喇叭天线阵列或抛物线槽201)的耦合结构。
通过此结构，各个微带线波导过渡结构305之间的距离增加，并且存在更多的空间以用于有源和无源的高频电子部件(参见图4和5)，其中，d0(“新”距离)<d1(“旧”距离)。
各个过渡结构305还可以占用更多的空间；尽管如此，天线供应组件可由具有小于或等于λ/2的距离的波导开口802构成。
此外，偏移的供应元件303可按任何方式分布在电路板301上，且能通过波导开口汇集在线801中。过渡结构305还可布置在多个电路板平面中，以便由于电路板的层叠结构而获得更多数量的可用电路板表面。
波导的截面304可以具有任何几何形状。对于紧凑设计，如图8所示，已被证明有利的是，波导开口802具有矩形截面且窄边布置在线801中。截面区域的几何形状也可变化成使得例如圆形波导过渡为矩形波导。
同样有利的是，对于设计和可能的信号失真，对波导的尺寸进行设定，使得传播频率仅激发波导的基模。
在另一有利设计中，对波导的弯曲使得尽可能不干扰电场。
在此结构中，需要使各波导701具有完全相同的长度。通过在后续数字信号处理期间进行校准，可去除路径长度之间的差异，因为这些路径长度是已知的。
还可以在二维天线阵列中使用此类结构，其中，在二维天线结构中，主传送方向可以在x方向和y方向这两个方向上偏转。
因此可能获得天线元件与其高频前端的紧凑设计。对于数字波束成形，天线元件必须具有精确限定的空间距离。该空间与所使用的雷达装置的频率范围成反比，因此该空间仅在高频率处受限。本发明能够开发出可容纳电子部件的更大区域。
图9示出了包括上述波导耦合结构的抛物线槽。图10示出了包括安装在天线侧波导开口上的喇叭天线1002的一维喇叭阵列天线1001。通过图9中的天线的抛物线槽或图10中的喇叭天线，可将传送波束聚焦在横向方向(x方向)上。
为了完整性的原因，应注意的是，“包括”和“具有”并不排除其它元件或步骤的可能性，且“一个”或“一”并不排除多个的可能性。还应指出，参照上述实施例之一描述的特征和步骤也可与其它上述实施例中的其它特征或步骤组合地使用。权利要求书中的附图标记不应当被理解具有限制。

Claims (15)

1.一种用于填充物位雷达天线的波导耦合结构，其包括：
多个辐射元件(303)的布置，每个所述辐射元件被构造成用于传送和/或接收雷达信号(306)；
多个波导(701)的布置，针对每个所述辐射元件设置一个所述波导，其中，每个所述波导被构造成用于将所述雷达信号从相应的所述辐射元件传送到天线组件(109，201)的天线元件(202)或者将所述雷达信号从所述天线组件的所述天线元件传送到相应的所述辐射元件，所述天线组件包括多个所述天线元件(202)，每个所述天线元件被构造成用于向填充材料发射一个所述雷达信号并且/或者从所述填充材料接收一个所述雷达信号。
2.根据权利要求1所述的波导耦合结构，
其中，所述波导均包括位于天线侧的波导开口(802)，所述开口之间的距离(803)小于或等于所述雷达信号的波长的一半。
3.根据权利要求1或2所述的波导耦合结构，
其中，相邻的所述辐射元件(303)之间的距离(804)大于所述传输信号的波长的一半。
4.根据前述权利要求中任一项所述的波导耦合结构，
其中，相邻的所述辐射元件(303)之间的距离(804)是位于天线侧的相邻的波导开口(802)之间的距离的两倍。
5.根据前述权利要求中任一项所述的波导耦合结构，
其中，每两个所述辐射元件(303)中的一个辐射元件沿着直的第一线(805)布置，
其中，剩余的所述辐射元件沿着第二线(806)布置，所述第二线以与所述第一线(805)平行的方式延伸。
6.根据前述权利要求中任一项所述的波导耦合结构，
其中，所述辐射元件(303)至少部分地布置在不同的平面上。
7.根据前述权利要求中任一项所述的波导耦合结构，
其中，位于天线侧的波导开口(802)沿着第三线(807)布置。
8.根据前述权利要求中任一项所述的波导耦合结构，
其中，至少一个所述波导(701)是弯曲波导或者有角波导，使得与所述波导相关联的所述辐射元件(303)没有布置在位于天线侧的波导开口的正下方，而是相对于所述波导开口横向地偏移。
9.一种填充物位雷达天线(109)，其包括根据权利要求1-8中任一项所述的波导耦合结构。
10.根据权利要求9所述的填充物位雷达天线(109)，其被设计为喇叭辐射阵列天线。
11.根据权利要求9所述的填充物位雷达天线(109)，其被设计为抛物线槽(201)。
12.根据权利要求9-11中任一项所述的填充物位雷达天线(109)，其被设计为一维天线阵列。
13.根据权利要求9-11中任一项所述的填充物位雷达天线(109)，其被设计为二维天线阵列。
14.一种填充物位测量装置(105)，其包括根据权利要求9-13中任一项所述的填充物位雷达天线(109)。
15.根据权利要求14所述的填充物位测量装置(105)，其被设计成用于确定填充材料表面(104)的拓扑。
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