CN108871500A - 包括锁相环的雷达料位测量装置及其用途和操作方法 - Google Patents

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Abstract

提出了用于确定介质的料位的雷达料位测量装置，包括：雷达模块，用于产生传输信号；以及天线，用于发送传输信号和接收被反射的接收信号。雷达模块包括锁相环，其包括振荡器、相位检测器和分频器，分频器耦接在振荡器的输出端与相位检测器的输入端之间并产生分频信号。雷达模块还包括双工器，耦接在振荡器与天线之间并与分频器连接至振荡器的相同输出端，该输出端直接接线至双工器的输入端。相位检测器包括：用于接收参考频率信号的参考输入端和连接至振荡器的控制输入端的相位检测器输出端。相位检测器用于检测参考频率信号与分频信号之间的相位差，并将调节信号发送到振荡器，该调节信号与相位差相关并用于调节振荡器的输出信号的输出频率。

Description

包括锁相环的雷达料位测量装置及其用途和操作方法
技术领域
本发明总体上涉及基于雷达的的料位测量领域。特别地，本发明涉及包括用于确定介质的料位的锁相环的雷达料位测量装置、这种类型的雷达料位测量装置的用于确定介质的料位的用途，以及用于操作这种类型的雷达料位测量装置的方法。
相关申请的交叉引用
本发明要求于2017年5月9日提交的欧洲专利申请第17170104.8号的申请日的权益，将其全部内容通过引用并入本文。
背景技术
基于雷达的的料位测量装置和/或雷达料位测量装置通常包括用于生成传输信号，尤其是高频雷达传输信号的雷达模块。
通常，在雷达料位测量装置中，传输信号被发送到介质的表面，其中，部分传输信号从表面反射，并且继而作为接收信号被雷达料位测量装置接收。基于运行时间方法，因此能够检测雷达料位测量装置距介质表面的距离和/或介质的料位。
在这种情况下，传输信号可以在测量周期内作为例如连续波信号被发送到介质的表面。这种类型的料位测量装置通常被称为连续波(CW)雷达料位测量装置或连续波料位测量装置。传输信号的频率也能够在测量周期内以阶梯方式升高，这种类型的雷达料位测量装置通常被称为SFCW(“阶梯式频率连续波”)料位测量装置。此外，传输信号的频率通常在测量周期内连续地线性地升高。这种类型的雷达料位测量装置通常被称为FMCW(“调频连续波”)料位测量装置。
为了生产上述雷达料位测量装置，特别是为了生产这些雷达料位测量装置的相应的雷达模块，有时可能需要复杂的电子电路。
发明内容
本发明能够提供一种改进的雷达料位测量装置，该装置尤其能够以通过简单的设计且同时具有高稳健性和可靠性而作为特征。
这是通过独立权利要求的特征来实现的。本发明的进一步实施例在从属权利要求和以下说明中被定义。
本发明的一个方面涉及用于确定和/或检测介质的料位的雷达料位测量装置和/或用于确定和/或检测介质的料位的基于雷达的物料测量装置。雷达料位测量装置包括用于生成具有至少60GHz的传输频率的传输信号(特别是雷达传输信号)的雷达模块。换句话说，传输信号可以是具有至少60GHz的频率或传输频率的高频率传输信号。此外，雷达料位测量装置包括耦接到雷达模块的至少一个天线(例如，喇叭天线和/或抛物面天线)，用于将传输信号发送到介质的表面并接收从表面反射的接收信号，特别是雷达接收信号。雷达模块包括锁相环。锁相环进而包括：振荡器，其用于在振荡器的输出端发送输出信号；相位检测器，其耦接到振荡器的输出端；以及分频器，其连接在振荡器的输出端与相位检测器的输入端之间，用于根据振荡器的输出信号生成分频信号。此外，雷达模块包括双工器，该双工器耦接在振荡器与天线之间，用于分离传输信号和接收信号。在这种情况下，振荡器的输出端直接地和/或紧接地接线至双工器的输入端，使得传输信号能够基于振荡器的输出信号经由天线被发送。换句话说，振荡器的输出端能够直接地和/或紧接地耦接和/或连接到双工器的输入端，可以将双工器的输出端耦接至天线，使得能够基于振荡器的输出信号经由天线发送传输信号。在这种情况下，分频器和双工器都连接到振荡器的相同输出端，和/或分频器连接到与双工器相同的振荡器输出端。相位检测器进一步包括：用于接收参考频率信号的参考输入端，以及连接到振荡器的控制输入端的相位检测器输出端。在这种情况下，相位检测器被构造用于检测和/或确定参考频率信号与基于振荡器的输出信号而生成并且由分频器提供的分频信号之间的相位差，并在相位检测器输出端将用于调节振荡器的输出信号的输出频率的调节信号发送到振荡器的控制输入端，该调节信号与检测出的相位差相关。通过调节输出信号的输出频率，因此能够调节传输信号的传输频率。
因此，锁相环(也称为PLL)可以称为“闭合反馈环”，借助于该“闭合反馈环”能够在测量周期内调节输出信号的输出频率和传输信号的传输频率。为此，输出信号或分频信号与参考频率信号之间的相位变化能够由相位检测器检测和/或确定，该相位检测器通常被称为相位比较器和/或相位比较元件。如果相位检测器检测到相位变化，则所述相位检测器能够将调节信号发送到振荡器的控制输入端，以调节振荡器的输出频率，并因此调节传输信号的传输频率，例如调节到预定的期望值或期望频率。相位检测器也能够用于检测输出信号的输出频率和/或传输信号的传输频率与期望值的偏差，并且能够借助于调节信号来补偿所述偏差。因此，能够以有利的方式可靠地调节输出频率和/或传输频率。
介质通常可以是容器中的液体和/或流体。可替代地或额外地，介质可以是容器中和/或储存设施中的散装材料(bulk material)，例如散装材料堆。此外，介质还可以指流体介质，例如管道，并且根据本发明的雷达料位测量装置也可以用于测量所述管道。
根据本发明，特别地，振荡器的输出端直接地和/或紧接地接线、连接和/或耦接至双工器的输入端。换句话说，振荡器的输出端可以直接地连接到双工器的输入端，而无需在其间连接和/或布置附加的电子部件。例如，在已知的雷达料位测量装置中，用于使振荡器的输出频率倍增的倍频器通常连接在振荡器的输出端与双工器的输入端之间。在根据本发明的雷达料位测量装置中省去了这种类型的倍频器。去除倍频器能够有利地减少雷达模块和/或雷达料位测量装置的功耗或电耗。此外，能够节省安装空间和/或能够减小雷达模块的尺寸。换句话说，能够简化雷达料位测量装置的设计，使得整个雷达料位测量装置能够紧凑而无任何功能损失。如果雷达模块布置在诸如高频芯片和/或微波芯片等集成雷达芯片中，则雷达料位测量装置和/或雷达模块的简化和紧凑设计可能是特别有利的。根据本发明的雷达料位测量装置的另一个优点与振荡器的相位噪声相关，“相位噪声”通常被理解为表示输出信号的相位相对于标称频率的变化。当在振荡器与双工器之间使用倍频器时，所述相位噪声也被倍增；根据本发明的实施例中的雷达料位测量装置的情况并非如此。
根据实施例，振荡器是基波振荡器，该振荡器被构造成在直接接线到双工器的输入端的振荡器输出端发送振荡器的基频。换句话说，振荡器可以被构造为基波振荡器，并且具有振荡器的基频的输出信号可以在直接耦接到双工器的输入端的振荡器输出端去耦，即，输出频率可以对应于基频。例如，振荡器可以具有放大单元和谐振器，特别是高质量的谐振器。此外，能够借助于至少一个变容二极管改变谐振器的频率。这种类型的振荡器也被称为压控振荡器(VCO)。因此，术语“基波振荡器”在本发明的含义内能够指代以振荡器的相关谐振器的谐振频率振荡并且在振荡器的输出端能够拾取具有谐振频率的输出信号的振荡器。振荡器的“基频”也可以指振荡器的相关谐振器的谐振频率。
根据实施例，振荡器是双推振荡器。可替代地或额外地，振荡器的输出是振荡器的高频输出。例如，振荡器可以被构造成在直接接线到双工器的输入端的振荡器输出端发送第一谐波。可替代地或额外地，振荡器可以被构造成在直接接线到双工器的输入端的振荡器输出端发送输出信号，该输出信号的频率是振荡器的基频的两倍。
通常，双推振荡器可以被构造为差分振荡器。此外，双推振荡器可以被构造成使得其频率能够借助于至少一个变容二极管而被控制和/或调节。双推振荡器通常由至少两个子振荡器组成，其各自的输出信号可以是频率梳。子振荡器的输出信号可以经由耦接器组合，例如，可能出现的情况是，子振荡器的输出信号相对于彼此移相大约180°，使得子振荡器的输出信号的奇数倍能够相消地干涉并能够在该过程中被擦除。相反，子振荡器的输出信号的偶数倍能够相长地干涉，并因此能够产生谐波。由于其构造，除了振荡器的基波之外，双推振荡器因此还能够产生偶数倍数多次波和/或谐波，该偶数倍数多次波和/或谐波能够作为双推振荡器的输出信号被拾取。在这种情况下，通常在双推振荡器的高频输出端拾取和/或发送谐波，双推振荡器可能包括用于解耦振荡器的基频的附加输出端。根据本发明，因此，在高频输出端可以拾取双推振荡器的一个谐波，并将其提供给双工器，并因此能够省去振荡器与双工器之间的倍频器。此外，相对于传统的振荡器，可以减小双推振荡器的尺寸，从而通过使用双推振荡器能够进一步减小雷达模块的尺寸。
根据实施例，雷达模块被构造为V波段雷达模块、E波段雷达模块、W波段雷达模块、F波段雷达模块、D波段雷达模块、G波段雷达模块、Y波段雷达模块和/或J波段雷达模块。换句话说，传输信号的传输频率可以在60GHz至75GHz(V波段)之间、在60GHz至90GHz(E波段)之间、在75GHz至110GHz(W波段)之间、在90GHz至140GHz(F波段)之间、在110GHz至170GHz(D波段)之间、在140GHz至220GHz(G波段)之间、在170GHz至260GHz(Y波段)之间和/或在220GHz至320GHz(J波段)之间。
根据实施例，锁相环进一步包括环路滤波器，该环路滤波器连接在相位检测器的输出端与振荡器的控制输入端之间，用于过滤相位检测器的调节信号。例如，在相位检测器输出端由相位检测器发送的调节信号可以是与检测到的相位差相关的脉冲包，并且能够使用环路滤波器将其转换成经滤波的调节信号，该调节信号能够由振荡器处理以调节振荡器的输出频率。
根据实施例，雷达料位测量装置和/或雷达模块进一步包括混频器，该混频器连接到双工器，用于根据传输信号并根据接收到的信号生成中频信号。中频信号可以指差分信号，即，中频信号可以具有能够基本上对应于传输信号的频率与接收信号的频率之间的差的频率。因此，中频信号可以指能够由雷达料位测量装置的附加部件处理和/或评估以确定料位的低频信号。换句话说，接收到的信号和未延迟的传输信号能够在混频器中向下混合到中频范围中，然后，能够从该中频信号中(特别是基于中频信号的傅里叶变换和/或基于频率确定)检测关于雷达料位测量装置与表面之间的距离的距离信息。
根据实施例，雷达料位测量装置进一步包括数字控制单元，该数字控制单元用于使用数字控制信号来控制锁相环和/或用于控制相位检测器。例如，控制单元可以被构造为数字信号处理器(DSP)和/或被构造为微控制器。通常，控制单元可以指雷达料位测量装置的逻辑装置。根据使用数字控制信号对锁相环的致动，能够借助于雷达模块在测量周期内产生线性的连续频率斜坡(“调频连续波，FMCW”)、阶梯式频率斜坡(“阶梯式频率连续波”)或连续波信号(“CW信号”)。
根据实施例，数字控制单元被构造成用来致动锁相环，使得传输信号在测量周期内通过连续的线性频率斜坡。可替代地或额外地，雷达料位测量装置被构造为调频连续波(FMCW)雷达。在连续的线性频率斜坡的情况下，传输信号的频率在测量周期内从基频连续且线性地升高到最大频率，然后降低回基频，从而能够可靠地检测雷达料位测量装置距介质表面的距离，并因此能够可靠地检测料位。可替代地或额外地，数字控制单元被构造成用来致动锁相环，使得传输信号在测量周期内通过阶梯式频率斜坡。换句话说，雷达料位测量装置可以被构造为SFCW雷达，能够在测量周期内以阶梯方式经过多个阶梯将传输信号的频率从基频提高到最大频率，然后再次降低所述频率。
根据实施例，数字控制单元还被构造成基于从雷达料位测量装置的混频器发送的中频信号来检测距介质的表面的距离和/或介质的料位。例如，控制单元可以被构造成：在傅里叶分析(特别是快速傅里叶变换(FTT))的背景下，将测量信号分解为例如频率分量并且评估所述测量信号，该测量信号与中频信号相关并由模数转换器提供。然后，基于此频率确定，能够检测与雷达料位测量装置距介质表面的距离和/或介质的料位有关的距离信息。
根据实施例，雷达料位测量装置和/或雷达模块进一步包括放大器，该放大器用于放大由雷达料位测量装置的混频器发射的中频信号。可替代地或额外地，雷达模块和/或雷达料位测量装置包括滤波器，该滤波器连接在雷达料位测量装置的数字控制单元与混频器之间。滤波器可以是高通滤波器或低通滤波器。可替代地或额外地，雷达模块和/或雷达料位测量装置包括模数转换器，该模数转换器连接在雷达料位测量装置的数字控制单元与混频器之间，模数转换器被构造成产生与由混频器发射的中频信号相关的数字测量信号。
根据实施例，雷达料位测量装置和/或雷达模块进一步包括参考振荡器，该参考振荡器耦接到相位检测器的参考输入端，并被构造成产生参考频率信号。在这种情况下，参考振荡器可以被构造为晶体振荡器，例如，其可以产生和/或提供频率稳定的参考频率信号。
根据实施例，雷达料位测量装置和/或雷达模块进一步包括放大器，该放大器连接到振荡器的输出端，用于放大振荡器的输出信号。例如，放大器可以集成在双工器中。
如上文和下文所述，本发明的另一方面涉及雷达料位测量装置的用于确定介质的料位的用途。
本发明的另一方面涉及如上文和下文所述的操作雷达料位测量装置的方法。根据本发明的方法也可以指如上文和下文所述的使用雷达料位测量装置检测介质的料位的方法。该方法包括以下步骤：
借助于雷达料位测量装置的雷达模块，产生具有至少60GHz的频率或传输频率的传输信号；
借助于雷达料位测量装置的至少一个天线，向介质的表面发射传输信号；
借助于雷达料位测量装置的至少一个天线，接收从介质的表面反射的接收信号；
借助于雷达料位测量装置的混频器，将传输信号与接收信号混合以生成中频信号；
借助于雷达料位测量装置的数字控制单元，评估与中频信号相关的数字测量信号，以检测雷达料位测量装置距介质表面的距离和/或以检测介质的料位。
如上文和下文所述的雷达料位测量装置的特征和/或元件可以是如上文和下文所述的特征、元件和/或方法的步骤。如上文和下文所述的特征、元件和/或方法的步骤也可以是如上文和下文所述的雷达料位测量装置的特征和/或元件。
以下参考附图说明实施例。在附图中，相似的附图标记表示相似或类似的元件或具有相同效果的元件。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的雷达料位测量装置的框图。
图2是根据本发明的实施例的雷达料位测量装置的框图。
图3是根据实施例的雷达料位测量装置的框图。
图4是根据实施例的雷达料位测量装置的框图。
图5是根据实施例的雷达料位测量装置的框图。
图6是根据实施例的雷达料位测量装置的框图。
图7是用于说明根据实施例的用于操作雷达料位测量装置的方法的步骤的流程图。
附图中的各示图仅是示例性的并且不是按照比例绘制的。
具体实施方式
图1是根据本发明的实施例的雷达料位测量装置10的框图。
雷达料位测量装置10包括用于产生传输信号11的雷达模块12和耦接至雷达模块12的天线14。传输信号11能够经由天线12朝向介质的表面15发射和/或发出，并且从表面15反射的接收信号13能够被天线14接收。天线14可以是任何类型的天线14，例如喇叭天线、透镜天线或抛物线天线。在这种情况下，传输信号11的传输频率至少为60GHz。
雷达模块12包括锁相环16，锁相环16包括振荡器18和耦接至振荡器18的相位检测器20。相位检测器20可以是分数相位检测器20(也被称为frac-N PLL)和/或整数相位检测器20(也被称为int-N PLL)。此外，锁相环16包括分频器26，分频器26连接在振荡器18的输出端19与相位检测器20的输入端23之间。此外，锁相环16包括环路滤波器24，该环路滤波器24连接在相位检测器20的相位检测器输出端25与振荡器18的控制输入端17之间。
振荡器18是频控振荡器18(VCO)，其被构造为基波振荡器18或压控基波振荡器18。振荡器18在输出端19处发送具有振荡器18的基频的输出信号，输出端19直接连接到双工器40的输入端41。换句话说，在振荡器18的输出端19处发送的输出信号的输出频率可以对应于振荡器18的基频。振荡器18还可以包括附加输出端21，例如高频输出端21，其不耦接至雷达模块12的附加组件，因此在附加输出端21处，没有信号被采获。
此外，雷达模块12包括参考振荡器45，其连接到相位检测器20的参考输入端27。此外，雷达模块12包括双工器40，该双工器40连接在振荡器18与天线14之间，并且用于将传输信号11和相对于传输信号11在时间上延迟的接收信号13分开。在这种情况下，振荡器18的输出端19直接地和/或紧接地连接、线接和/或耦接至双工器40的输入端41。换句话说，在振荡器18的输出端19与双工器40的输入端41之间的电连接中没有设置诸如倍频器等附加的组件。这能够有利地减少雷达料位测量装置10的功耗、尺寸和/或电路复杂度。此外，由于省去了诸如倍频器等附加组件，振荡器18的相位噪声有利地不会被倍增。例如，振荡器18可以基于硅-锗技术(SiGe)，因此，即使在毫米波范围内，振荡器18也可以被构造为基波振荡器18。这显著降低了雷达料位测量装置10的传输分支的电路复杂度，并且能够完全省去倍频器。这也显著降低了整个传输分支的能量消耗。此外，分频器26(可以是预分频器26)能够以相对简单的方式构造，并且因此具有比倍频器低的功耗。
雷达料位测量装置10和/或雷达模块12进一步包括混频器42，该混频器42耦接至双工器40，并且基于传输信号11和接收信号13生成中频信号，其中，中频信号的频率对应于传输信号11的传输频率与接收信号13的频率之间的差。
此外，混频器42连接和/或耦接至电子装置44。电子装置44包括用于对中频信号进行滤波的滤波器43和用于对滤波后的中频信号进行放大的放大器47，滤波器43例如高通滤波器43或低通滤波器43。
借助于雷达料位测量装置10的模数转换器46，经滤波和放大的中频信号被转换成数字测量信号，并被提供给雷达料位测量装置10的数字控制单元50用于介质的料位的实际检测。例如，数字控制单元可以被构造为数字信号处理器(DSP)和/或微控制器。例如，数字控制单元50可以基于傅里叶变换(尤其是快速傅里叶变换)将数字测量信号分解为频率分量，并且基于对频率分量的评估，检测雷达料位测量装置10与介质表面15之间的距离和/或介质的料位。为此，控制单元50还耦接至作为时钟发生器的晶体振荡器52。
如下所述，锁相环16和/或雷达模块12的附加组件能够在测量周期内对传输信号11的传输频率进行调节。振荡器18产生输出信号并在输出端19发送所述信号。例如，输出信号可以具有至少为60GHz的输出频率。输出信号被提供给分频器26，其中，分频器产生分频信号，即，该信号具有相对于输出信号减小的频率。这可能是必要的，因为在一些情况下相位检测器20不能处理过高的频率。然后，分频信号经由相位检测器20的输入端23被提供给相位检测器。此外，相位检测器20在参考输入端27接收来自参考振荡器45的参考频率信号。控制单元50将数字控制信号提供给相位检测器20，借助于该信号控制和/或调节相位检测器20。然后，相位检测器20检测参考频率信号与分频信号之间的相位差和/或相位变化。根据由控制单元的数字控制信号对相位检测器20的致动以及根据检测到的相位差，相位检测器20产生与检测到的相位差相关的调节信号，并且在相位检测器输出端25发送所述信号。例如，调节信号可以是脉冲包。然后，调节信号被提供给环路滤波器24，环路滤波器24产生经滤波的调节信号，并将所述信号发送到振荡器18的控制输入端17。根据调节信号，能够例如借助于振荡器18的变容二极管来改变振荡器18的基本模式的频率，并且相应地，能够改变振荡器18的输出信号的输出频率和传输信号11的传输频率。根据由控制单元50的数字控制信号对锁相环20的致动，在测量周期内借助于雷达模块12能够产生线性的连续频率斜坡(“调频连续波，FMCW”)、阶梯式频率斜坡(“阶梯式频率连续波”)或连续波信号(“CW信号”)。
然后，由振荡器18在其输出端19发送的输出信号被提供给双工器40。此外，用于放大振荡器18的输出信号的放大器51可以集成在双工器中。可选地放大的输出信号被耦接至天线14中并且作为传输信号11被发射。
如上所述，传输信号11和从介质的表面15反射的接收信号13被提供到产生中频信号的混频器42。中频信号由滤波器43进行滤波，由放大器47进行放大，并由模数转换器46转换成数字测量信号，控制单元50对该测量信号进行评估以检测料位。如果雷达料位测量装置10被构造为SFCW测量装置，则滤波器43可以是低通滤波器43。如果雷达料位测量装置10被构造为FMCW测量装置，则滤波器43可以是高通滤波器43。
图2是根据本发明的实施例的雷达料位测量装置10的框图。除非另有说明，图2中的雷达料位测量装置10包括与图1中的雷达料位测量装置10相同的元件、组件和/或功能。
特别地，图2中的雷达料位测量装置10与图1中的雷达料位测量装置10的不同之处仅在于振荡器18。除了振荡器18之外，关于图1中的雷达料位测量装置10的所有公开因此也适用于图2中的雷达料位测量装置10。为了避免重复，图1中的这些公开因此被包括在此作为参考。
与图1中的振荡器18对照，图2中的振荡器18是双推振荡器(push-pushoscillator)18。在这种情况下，双推振荡器18的输出端21直接地耦接、连接和/或线接到双工器40的输入端41。该输出端21是高频输出端21，并且双推振荡器18的附加的输出端19(例如，可以是低频输出端19)没有连接到雷达料位测量装置10的附加组件。
双推振荡器18在与双工器40的输入端41直接相连的双推振荡器18的输出端21处发送第一谐波作为输出信号。因此，输出信号的输出频率能够大约对应于振荡器18的基频频率的两倍。类似于图1中的图示，例如通过相应地致动振荡器18的变容二极管，能够借助于经滤波的调节信号改变振荡器18的基频频率以及谐波频率和/或输出频率，所述经滤波的调节信号借助于分频器26、相位检测器20、数字控制单元50和/或环路滤波器24而产生。因此，传输信号11的传输频率也类似于图1中的图示变化。
如上所述，如果双推振荡器18的输出端21处的第一谐波以有针对性的方式解耦，则双推振荡器18的基频f0例如可以是40GHz，并且雷达料位测量装置10的传输频率例如可以是80GHz。
与其它振荡器18(例如基波振荡器)相比，使用双推振荡器18能够具有其他优点。如果使用双推振荡器18，则例如与在80GHz下使用基波振荡器相比，能够实现输出信号的更大的调谐宽带(大约是基频f0情况下的带宽的两倍)。在40GHz下操作双推振荡器18的情况下的相位噪声也可以显著优于在80GHz基波振荡器的情况下的相位噪声。
还应该注意的是，在图2的实施例中，分频器26也能够连接到振荡器18的低频输出端19，因此能够以更简单的方式构造。然而，由于将分频器26连接到高频输出端21，因此，在锁相环16中考虑了振荡器18中的相位噪声的所有影响，并因此与将分频器26连接到低频输出端19相比，能够实现更好一些的测量结果。
图3是根据实施例的雷达料位测量装置10的框图。除非另有说明，图3中的雷达料位测量装置10包括与图1和图2中的雷达料位测量装置10相同的元件、组件和/或功能。
特别地，图3中的雷达料位测量装置10与图1中的雷达料位测量装置10的不同之处仅在于振荡器18。除了振荡器18之外，关于图1中的雷达料位测量装置10的所有公开因此也适用于图3中的雷达料位测量装置10。为了避免重复，图1中的这些公开因此被包括在此作为参考。
此外，在图3所示的实施例中，只有振荡器18的接线与图2中的振荡器18的接线不同，即，图3中的振荡器18也是双推振荡器18，如图2所示。特别地，在图3所示的实施例中，振荡器18的高频输出端21如图2所示直接连接到双工器40的输入端41，因此，具有两倍基频f0的第一谐波被发送到双工器40的输入端41。然而，与图2相对照，双推振荡器18的输出端19(即，低频输出端19)连接到分频器26，并且因此，具有振荡器18的基频f0的输出信号被提供到分频器26。因此，与图2中的分频器26相比，分频器26能以简化的方式构造。然而，除了将振荡器18接线到输出端19、21，图2中关于其中所示的振荡器18的所有公开内容也适用于图3，并且在此通过引用被包括在内。
图4是根据实施例的雷达料位测量装置10的框图。除非另有说明，图4中的雷达料位测量装置10包括与图1至图3中的雷达料位测量装置10相同的元件、组件和/或功能。
特别地，图4中的雷达料位测量装置10与图1至3中的雷达物料测量装置的不同之处仅在于：锁相环16的位于振荡器18与相位检测器20之间的反馈支路。图1至图3的所有其他公开内容因此在此作为参考被包括在内。
图4中的锁相环16的反馈支路中安装有附加的混频器30，而不是图1至图3中的分频器26。该附加的混频器30连接到振荡器18的低频输出端19。此外，振荡器18的高频输出端21直接连接到双工器40的输入端41。此外，图4中的振荡器18是如图2和图3所示的双推振荡器18，图4中的振荡器18如图3所示接线。
与图1至3中的雷达物料测量装置不同的是，锁相环16的反馈支路进一步包括附加的相位检测器32和附加的振荡器34。附加的相位检测器32例如可以是整数相位检测器32(int-N PLL)，并且附加的振荡器34可以是VCO、基波振荡器或双推振荡器。然而，相位检测器20可以是分数相位检测器(frac-N PLL)和/或整数相位检测器(int-N PLL)。
为了调节振荡器18在高频输出端21处发送的输出信号的基频、输出频率，和/或为了调节传输信号11的传输频率，参考振荡器45的参考频率信号被提供给相位检测器20的参考输入端27和附加相位检测器32的输入端。然后，附加相位检测器32将控制信号发送到附加振荡器34，从而控制或调节从附加振荡器34发送的附加输出信号的输出频率。该附加输出信号被提供给附加混频器30。在振荡器18的低频输出端19发送的输出信号也被提供到附加混频器30，该输出信号具有振荡器18的基频f0。然后，附加混频器30例如通过计算差值基于附加振荡器34的附加输出信号对输出端19发送的输出信号进行缩混，并将附加中频信号发送到相位检测器20的输入端23。然后，类似于图1中的实施例，相位检测器20检测附加中频信号与参考振荡器45的参考频率信号之间的相位差，并将与相位差相关的调节信号发送到环路滤波器24和/或振荡器18，从而调节传输信号11的传输频率。使用图4中的雷达料位测量装置10的实施例能够获得相对较好的相位噪声。
图5是根据实施例的雷达料位测量装置10的框图。除非另有说明，图5中的雷达料位测量装置10包括与图1至图4中的雷达料位测量装置10相同的元件、组件和/或功能。
特别地，图5中的雷达料位测量装置10与图1至图4中的雷达物料测量装置10的不同之处仅在于锁相环16的位于振荡器18与相位检测器20的之间的反馈支路。图1至图4的所有其他公开内容因此在此作为参考被包括在内。
图5中的雷达料位测量装置10包括锁相环16的反馈支路中的直接数字合成器(DDS)36，而不是上述图中的相位检测器20。此外，相位检测器32(例如，整数相位检测器32(int-N PLL))布置在反馈支路中。
图5中的振荡器18是双推振荡器18，第一谐波在高频输出端21被提供到双工器40的输入端41。相对地，振荡器18的低频输出端19连接到分频器26。因此，图5中的振荡器18与图3和图4中的振荡器18类似地接线。
振荡器18的低频输出信号(该信号具有振荡器18的基频)由分频器26分频，并被提供给相位检测器32。此外，数字控制单元50的数字控制信号和参考振荡器45的参考频率信号被提供给DDS 36。然后，DDS 36将相应的信号发送到相位检测器32，并且相位检测器32检测分频信号与DDS 36的信号之间的相位差。相位检测器32依次将与相位差相关的调节信号发送到环路滤波器24和/或振荡器18的控制输入端17，从而调节传输信号11的传输频率。
图6是根据实施例的雷达料位测量装置10的框图。除非另有说明，图6中的雷达料位测量装置10包括与图1至图5中的雷达料位测量装置10相同的元件、组件和/或功能。
图6中的实施例基本上对应图3中的实施例，其中的区别在于振荡器18(其是双推振荡器18)在低频范围内操作。例如，振荡器18可以在大约5GHz的基频f0下操作。在这种情况下，振荡器18的低频输出端19直接地和/或紧接地连接、耦接和/或接线到相位检测器20的输入端23。通过在低频范围内操作振荡器18，能够有利地省去例如图3所示的分频器26的使用，并且能够将振荡器18的低频输出信号直接提供给相位检测器20。相位检测器20进而检测振荡器18的低频输出信号与参考振荡器45的参考频率信号之间的相位差，并在相位检测器输出端25将与相位差相关的调节信号发送到环路滤波器24和/或振荡器18的控制输入端17，从而能够调节传输信号11的传输频率。由于雷达模块12的这种设计，能够有利地省去例如图3所示的分频器26。总体而言，这能够降低雷达模块12的电路复杂度和大小。
振荡器18的高频输出端21还耦接至倍频器38，在振荡器18的高频输出端21，发送具有两倍基频f0的第一谐波作为输出信号(例如，如图3所示)。特别地，倍频器38可以将在高频输出端21发送的振荡器18的输出信号增加至少四倍，例如至少六倍，并且特别是至少八倍。如果使用5GHz的基频操作振荡器18，则能够产生具有大约80GHz的传输频率的传输信号11。
应该强调的是，除了上述区别外，图1至5所述的雷达料位测量装置10的所有公开内容也适用于图6中的雷达料位测量装置10，并且因此在此引用作为参考。
图7是根据实施例的用于操作雷达料位测量装置10的方法的步骤的流程图。在这种情况下，雷达料位测量装置10可以是图1至6中的雷达料位测量装置10中的一者。
在第一步S1中，借助于雷达料位测量装置10的雷达模块12产生传输信号11，其中，传输信号具有至少60GHz的频率或传输频率。在进一步的步骤S2中，借助于雷达料位测量装置10的至少一个天线14朝向介质的表面15发射传输信号11。在进一步的步骤S3中，从介质的表面15反射的接收信号13被雷达料位测量装置10的至少一个天线14接收。在进一步的步骤S4中，雷达料位测量装置10的混频器42将传输信号11与接收信号13混合以便产生中频信号。在进一步的步骤S5中，雷达料位测量装置10的数字控制单元50评估与中频信号相关的数字测量信号。在这种情况下，测量信号能够被评估以便检测雷达料位测量装置10距介质的表面15的距离和/或以便检测介质的料位。
此外，应该指出的是，“包括”和“具有”不排除任何其他元件或步骤，并且“一”或“一个”不排除多个。此外，应该指出的是，已经参照上述实施例之一描述的特征或步骤也能够与上述其他实施例的其他特征或步骤结合使用。权利要求中的附图标记不应被认为是限制性的。

Claims (15)

1.用于确定介质的料位的雷达料位测量装置(10)，所述雷达料位测量装置(10)包括：
雷达模块(12)，其用于产生具有至少60GHz的传输频率的传输信号(11)；以及
至少一个天线(14)，其耦接至所述雷达模块(12)，用于将所述传输信号(11)发送至所述介质的表面(15)，并用于接收从所述表面(15)反射的接收信号(13)；
其中，所述雷达模块(12)包括：
锁相环(16)，其包括振荡器(18)、相位检测器(20)和分频器(26)，所述振荡器用于在所述振荡器(18)的输出端(19,21)发送输出信号，所述分频器(26)耦接在所述振荡器(18)的所述输出端(19,21)与所述相位检测器(20)的输入端(23)之间，用于根据所述振荡器(18)的所述输出信号产生分频信号；以及
双工器(40)，其耦接在所述振荡器(18)与所述天线(14)之间，用于分离所述传输信号(11)和所述接收信号(13)，
其中，所述振荡器(18)的所述输出端(19,21)直接接线至所述双工器(40)的输入端(41)，从而能够基于所述振荡器(18)的所述输出信号经由所述天线(14)发射所述传输信号(11)；
其中，所述分频器(26)和所述双工器(40)耦接至所述振荡器(18)的同一输出端(19,21)；
其中，所述相位检测器(20)包括用于接收参考频率信号的参考输入端(27)和耦接至所述振荡器(18)的控制输入端(17)的相位检测器输出端(25)；以及
其中，所述相位检测器(20)被构造成检测所述参考频率信号与所述分频信号之间的相位差，并在所述相位检测器输出端(25)处将调节信号发送到所述振荡器(18)的所述控制输入端(17)，所述调节信号与检测到的所述相位差相关并用于调节所述振荡器(18)的所述输出信号的所述输出频率。
2.根据权利要求1所述的雷达料位测量装置(10)，
其中，所述振荡器(18)是基波振荡器；以及
其中，所述振荡器(18)被构造成在所述振荡器(18)的所述输出端(19)发送所述振荡器(18)的基频，所述输出端(19)直接接线到所述双工器(40)的所述输入端(41)。
3.根据权利要求1所述的雷达料位测量装置(10)，
其中，所述振荡器(18)是双推振荡器；和/或
其中，所述振荡器(18)的所述输出端(21)是所述振荡器(18)的高频输出端(21)。
4.根据权利要求3所述的雷达料位测量装置(10)，
其中，所述振荡器(18)被构造成在所述振荡器的所述输出端(21)发送第一谐波，所述输出端(21)直接接线至所述双工器(40)的所述输入端(41)；和/或
其中，所述振荡器(18)被构造成在所述振荡器(18)的所述输出端(21)发送输出信号，所述输出信号的频率是所述振荡器(18)的所述基频的两倍。
5.根据上述权利要求中的任一项所述的雷达料位测量装置(10)，
其中，所述雷达模块(12)被构造为V波段雷达模块、E波段雷达模块、W波段雷达模块、F波段雷达模块、D波段雷达模块、G波段雷达模块、Y波段雷达模块和/或J波段雷达模块。
6.根据上述权利要求中的任一项所述的雷达料位测量装置(10)，
其中，所述锁相环(16)进一步包括环路滤波器(24)，所述环路滤波器(24)耦接在所述相位检测器(20)的所述相位检测器输出端(25)与所述振荡器(18)的所述控制输入端(17)之间，用于对所述相位检测器(20)的所述调节信号进行滤波。
7.根据上述权利要求中的任一项所述的雷达料位测量装置(10)，进一步包括：
混频器(42)，其耦接至所述双工器(40)，用于基于所述传输信号(11)和所述接收信号(13)产生中频信号。
8.根据上述权利要求中的任一项所述的雷达料位测量装置(10)，进一步包括：
数字控制单元(50)，其用于使用数字控制信号控制所述锁相环(16)和/或用于控制所述相位检测器(20)。
9.根据权利要求8所述的雷达料位测量装置(10)，
其中，所述雷达料位测量装置(10)被构造为调频连续波(FMCW)雷达；和/或
其中，所述雷达料位测量装置被构造为步进频率连续波(SFCW)雷达。
10.根据权利要求8或9所述的雷达料位测量装置(10)，
其中，所述数字控制单元(50)进一步被构造成：基于由所述雷达料位测量装置的混频器(42)发送的中频信号，检测距所述介质表面的所述距离和/或所述介质的料位。
11.根据上述权利要求中的任一项所述的雷达料位测量装置(10)，进一步包括：
放大器(47)，其用于放大所述雷达料位测量装置的混频器(42)发送的中频信号；和/或
滤波器(43)，其耦接在所述雷达料位测量装置的数字控制单元(50)与所述混频器(42)之间；和/或
模数转换器(46)，其耦接在所述雷达料位测量装置的所述数字控制单元(50)与所述混频器(42)之间，其中，所述模数转换器(46)被构造成产生与由所述混频器(42)发送的中频信号相关的数字测量信号。
12.根据上述权利要求中的任一项所述的雷达料位测量装置(10)，进一步包括：
参考振荡器(45)，其耦接至所述相位检测器(20)的所述参考输入端(27)，并且被构造成产生参考频率信号。
13.根据上述权利要求中的任一项所述的雷达料位测量装置(10)，进一步包括：
放大器(51)，其耦接至所述振荡器(18)的所述输出端(19,21)，用于放大所述振荡器(18)的所述输出信号。
14.根据上述权利要求中任一项所述的雷达料位测量装置(10)的用于确定介质的料位的用途。
15.根据权利要求1至13中任一项所述的雷达料位测量装置(10)的操作方法，所述方法包括以下步骤：
借助于所述雷达料位测量装置(10)的所述雷达模块(12)，产生具有至少60GHz的频率的传输信号(11)；
借助于所述雷达料位测量装置(10)的所述至少一个天线(14)，朝向介质的所述表面(15)发射所述传输信号(11)；
借助于所述雷达料位测量装置(10)的所述至少一个天线(14)，接收从所述介质的所述表面(15)反射的接收信号(13)；
借助于所述雷达料位测量装置(10)的混频器(42)，对所述传输信号(11)和所述接收信号(13)进行混合以产生中频信号；
借助于所述雷达料位测量装置(10)的数字控制单元(50)，对与所述中频信号相关的数字测量信号进行评估，以检测所述雷达料位测量装置(10)距所述介质的所述表面的距离和/或检测所述介质的料位。
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