CN109149123A - 用于填充物位测量装置的雷达天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种用于填充物位测量装置(100)的雷达天线(10)，所述雷达天线(10)包括至少一个承载板(14)以及至少两个天线元件(12)，所述天线元件(12)布置在所述承载板(14)上，且用于发射和/或接收雷达信号。每个所述天线元件(12)包括用于引导雷达信号的波导(16)，其中，每个所述波导(16)的内部空间(20)至少部分地填充有电介质(22)。所述天线元件(12)布置成彼此之间的距离(18)小于或等于雷达信号的波长。

Description

用于填充物位测量装置的雷达天线
技术领域
本发明涉及基于雷达的填充物位测量的领域。本发明特别涉及用于填充物位测量装置的雷达天线、具有这种雷达天线的填充物位测量装置及制造这种雷达天线的方法。
背景技术
特别地，为了检测散装材料或流动液体的填充材料表面的表面拓扑，例如，经常使用具有雷达天线的填充物位测量装置，该雷达天线通常具有用于发射和/或接收雷达信号的多个天线元件。
为了确定表面拓扑，例如通过测量波束扫描填充材料的表面。具有由多个天线元件组成的一维阵列的雷达天线能够用于控制测量波束，其中该阵列能够基于主波束方向和/或主接收方向的变化一维地扫描填充材料表面。而且，如果该阵列围绕轴线旋转，则能够二维地扫描表面。
填充物位测量装置也可包括二维地布置有天线元件的雷达天线，其能够利用电子波束偏转测量散装材料的整个表面，而无需机械移动填充物位测量装置。
发明内容
本发明提供一种用于紧凑的、稳健的、可靠的、低磨耗的填充物位测量装置的改进的紧凑式雷达天线。
这可通过独立权利要求的主题得以实现。可在从属权利要求和以下的说明中得到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测量装置的雷达天线。具体地，根据本发明的雷达天线可有利地应用于用来检测拓扑的填充物位测量装置、用来确定拓扑的填充物位测量装置和/或用来检测填充材料表面拓扑的填充物位测量装置，填充材料例如为散装材料(bulk material)和/或液体介质。为此，填充物位测量装置可适于根据调频连续波(frequency modulated continuous wave，FMCW)方法和/或步进频率连续波(steppedfrequency continuous wave，SFCW)方法进行操作。该雷达天线包括至少一个承载板(例如金属承载板)，并且包括至少两个天线元件，这些天线元件布置在承载板上，并用于发射和/或接收雷达信号。每个天线元件包括用于引导和/或传导雷达信号的波导，每个波导的内部空间至少部分地、特别全部地填充有电介质、介电材料和/或介电介质。这些天线元件布置成彼此之间的距离小于或等于雷达信号的波长并且/或者以该距离彼此间隔开。这里，两个天线元件之间的距离是指两个直接相邻的天线元件之间的距离。两个直接相邻的天线元件之间的距离可按照相关波导的中心和/或中心轴线之间的距离测得。
雷达天线可具有任意期望数目的天线元件。通常，天线元件指收发元件，收发元件适于和/或设计为既发射雷达信号还接收雷达信号。可选择地，也可能的是，一部分天线元件作为发射元件适于和/或设计为发射雷达信号，而一部分天线元件作为接收元件适于和/或设计为接收从填充材料表面反射的信号和/或接收信号。
根据本发明的设计，由于雷达天线和天线元件至少部分地填充有电介质，所以能够有利地减小波导的截面、内截面、内圆周和/或内直径，从而可提供整体上紧凑的、稳健的雷达天线。
天线元件可布置成彼此之间的距离特别地小于或等于雷达信号波长的一半。因此可防止产生旁瓣和/或栅瓣。
通常，雷达天线可设计用于V波段填充物位测量装置、E波段填充物位测量装置、W波段填充物位测量装置、F波段填充物位测量装置、D波段填充物位测量装置、G波段填充物位测量装置、Y波段填充物位测量装置和/或J波段填充物位测量装置。相应地，填充物位测量装置可设计为V波段填充物位测量装置、E波段填充物位测量装置、W波段填充物位测量装置、F波段填充物位测量装置、D波段填充物位测量装置、G波段填充物位测量装置、Y波段填充物位测量装置和/或J波段填充物位测量装置。换言之，雷达信号的频率可处于60GHz和75GHz之间(V波段)、60GHz和90GHz之间(E波段)、75GHz和110GHz之间(W波段)、90GHz和140GHz之间(F波段)、110GHz和170GHz之间(D波段)、140GHz和220GHz之间(G波段)、170GHz和260GHz之间(Y波段)和/或220GHz和320GHz之间(J波段)。
具体地，本发明是基于以下所述的观点。尤其为了防止栅瓣，有利地，将天线元件布置成间隔距离小于或等于雷达信号的波长，特别地小于或等于雷达信号波长的一半。在填充物位测量装置的操作中，作为示例，在76GHz和81GHz的频率范围内，波长的一半为大约1.85mm。该值对应于雷达信号中出现的最高频率81GHz。每个波导对电磁波具有特定的截止频率，从而使得更低频率的电磁波不能在波导中引导。截止频率取决于波导的尺寸，例如，在圆形波导的情况下取决于内直径，在长方形波导的情况下取决于内部边缘长度。换言之，截止频率与波导的尺寸成比例，例如与圆形波导的内直径成比例。这样，由于截止频率确定了波导的最小尺寸，例如最小内直径，所以空气填充的波导不能布置和/或排列成彼此之间的距离小于或等于雷达信号波长的一半。相比之下，如同根据本发明的情形，如果波导填充有电介质，则可以降低波导的截止频率，于是减小了最小尺寸，从而波导有利地布置成彼此之间的距离小于或等于雷达信号波长的一半。
可将雷达天线和/或填充物位测量装置及其工作频率范围有利地设计成使得只有雷达信号的主模能在波导中传播。
根据本发明的一个实施例，天线元件的波导定向在承载板上，使得波导的主模的电场矢量的取向彼此平行或反向平行。可选择地或另外地，天线元件的极化方向相同或反向平行。在此情况下，极化可以是线性极化、圆极化或椭圆极化。例如，波导以相同的取向布置在承载板上。
根据本发明的一个实施例，每个天线元件包括辐射元件，该辐射元件用于将雷达信号耦合到波导中和/或从波导中解耦雷达信号，每个辐射元件至少部分地布置在相关波导的内部空间中和/或布置成邻接相关波导的第一端部，并且辐射元件设计并彼此定向，使得耦合到波导中的雷达信号的电场矢量彼此平行。因此，例如通过利用填充物位测量装置的辐射元件、雷达前端和/或雷达模块以相同方式将雷达信号馈送到波导中和/或在相同方向上将雷达信号馈送到波导中，波导的极化方向相同。为此，辐射元件可彼此相同和/或可以以相同的方式布置和/或定向在承载板上。
通常，波导的主模的电场矢量取决于波导的几何结构和/或辐射元件的馈送方向。例如，在电场矢量定向成平行于长方形波导的长边时，只有长方形波导中的主模在波导中低衰减地传播。在其它情况下，主模的衰减程度很大。然而，在圆形波导的情形下，由于圆形波导关于其中心轴线对称，所以可忽略这种情况。然而，在此情况下，通过利用辐射元件以相同的方式且在相同的馈送方向上馈送雷达信号，能够确保天线元件和/或波导的极化彼此相同。为此，辐射元件可彼此相同和/或可以以相同的方式布置和/或定向在承载板上。天线元件的极化方向可以是彼此相对旋转180°和/或定向成彼此反向平行。特别地，发射元件的极化方向可以定向成与接收元件的极化方向反向平行。如果发射元件的极化方向与接收元件的极化方向成其它角度，则反射信号和/或接收信号例如只能以衰减状态到达填充物位测量装置的接收电路。
根据本发明的一个实施例，电介质的相对介电常数至少为1.5，特别地至少为1.9。可选择地或另外地，电介质包括特氟隆、塑料材料和/或聚醚醚酮(polyether etherketone，PEEK)。特别地，电介质可以是固体形式。由于相对介电常数至少为1.5，所以有利地降低了波导的截止频率，并因而减小了波导的最小尺寸，从而可以彼此更接近地布置波导，使得它们彼此之间的距离小于或等于雷达信号的波长，特别地小于或等于雷达信号波长的一半。
根据本发明的一个实施例，波导均形成为承载板中的凹槽或者布置在承载板的外表面上。这两种可选方式都可以高性价比地制得，并且具有紧凑设计。
根据本发明的一个实施例，每个天线元件包括透镜，透镜布置在相关波导的天线侧端部上。透镜可以与电介质一体地形成。波导的天线侧端部代表处于雷达信号发射方向上的端部和/或用于发射雷达信号的端部。透镜能够有利地改善波导对自由空间的适配和/或耦合。
根据本发明的一个实施例，每个波导在天线侧端部处逐渐变细，由此提高了天线元件的开口率。因此可形成延伸的喇叭形辐射元件，这可提高单个天线元件和/或各个天线元件的天线增益。
根据本发明的一个实施例，每个波导的横截面可以是圆形、卵形、椭圆形、长方形、正方形或多边形。
根据本发明的一个实施例，每个波导具有圆形截面，每个天线元件设计成发射和/或接收频率至少为75GHz的雷达信号，每个波导的内直径小于2.4mm，特别地小于2.34mm。
根据本发明的一个实施例，雷达天线包括至少一个伪天线元件，伪天线元件布置在承载板上，并用于影响至少一个天线元件的方向特性，伪天线元件包括伪波导，伪波导端接有终端波阻抗、短路或保持开路，使得不能通过伪天线元件发射和/或接收雷达信号。这样，伪天线元件可以以与其余天线元件相似和/或相同的方式进行设计，但是例如并不与雷达模块和/或雷达前端相连和/或并不耦合到辐射元件。
至少一个伪天线元件的几何结构、构造、材料、尺寸和/或形状可与天线元件的几何结构、构造、材料、尺寸和/或形状相对应。伪天线元件的几何结构、构造、材料、尺寸和/或形状可适配于天线元件的几何结构、构造、材料、尺寸和/或形状。特别地，天线元件和伪天线元件的几何结构、构造、材料、尺寸和/或形状可相似和/或基本相同。可选择地或另外地，天线元件和伪天线元件可由相似和/或基本相同的材料制成。因此天线元件的方向特性能有利地彼此适配和/或匹配。伪天线元件可在承载板上布置成靠近和/或紧邻至少一个天线元件。
例如，天线元件可以是介电导体和/或同轴导体的形式，而伪天线元件能够在结构上适配相应类型的天线元件。天线元件例如也可包括用于传导雷达信号的电缆，而伪天线元件例如也可包括电缆和/或塑料管以能够在结构上适配天线元件。
通常，伪天线元件与天线元件的不同之处在于，不通过伪天线元件发出和/或发射雷达信号，也不通过伪天线元件接收从填充材料反射的信号(该信号也被称为接收信号)。为此，伪天线元件例如不能与填充物位测量装置的雷达模块和/或雷达前端相连，且没有相应的设计。
根据本发明的一个实施例，每个天线元件包括用于引导雷达信号的波导。而且，伪天线元件包括伪波导，该伪波导与天线元件的波导基本相同和/或相似。波导的几何结构、构造、材料、尺寸和/或形状与伪波导的几何结构、构造、材料、尺寸和/或形状彼此适配和/或彼此对应。特别地，波导与伪波导的几何结构、尺寸、形状和/或构造相同。波导和伪波导也可由相似和/或相同的材料构成。因此能够有利地影响天线元件的方向特性，使得天线元件的方向特性彼此匹配和/或彼此适配。
天线元件均可包括辐射元件，该辐射元件用于将雷达信号耦合到波导中和/或从波导中解耦雷达信号。为了使伪天线元件不能发射和/或接收雷达信号，伪天线元件可以不具有这种辐射元件和/或伪波导不耦合到辐射元件。
为了在信号处理过程中改善旁瓣衰减，例如通过填充物位测量装置的控制装置，能有利地使各个天线元件的方向特性不会与其它天线元件的方向特性有明显差异。为了能够积极影响各个天线元件的方向特性，设有一个以上的伪天线元件，这些伪天线元件的设计与天线元件的设计相同或相似。然而，与天线元件不同的是，伪天线元件不与接收元件和/或发射元件相连，而是端接有终端波阻抗、短路或保持开路。伪天线元件可以紧邻天线元件布置，使得相邻天线元件的方向特性彼此匹配。在此情况下，雷达天线的天线元件和伪天线元件可以布置成彼此之间的距离小于或等于波长，特别地小于或等于波长的一半。
本发明的第二方面涉及一种用于确定介质的填充物位的填充物位测量装置。特别地，该填充物位测量装置设计为用于检测拓扑的填充物位测量装置和/或用于检测填充材料的表面拓扑的填充物位测量装置，填充材料例如是例如容器中或散装材料料堆上的散装材料和/或液体。该填充物位测量装置包括至少一个如上文及下文所述的雷达天线。
如上文及下文所述的雷达天线的特征和元件可以是如上文及下文所述的填充物位测量装置的特征和元件。同样地，如上文及下文所述的填充物位测量装置的特征和元件也可以是如上文及下文所述的雷达天线的特征和元件。
根据本发明的一个实施例，该雷达天线包括设计为发射元件的多个天线元件，这些天线元件用于发射雷达信号，且布置在承载板上的第一排中。而且，该雷达天线还包括设计为接收元件的多个天线元件，这些天线元件用于接收反射信号，且布置在承载板上的横向于第一排的第二排中。例如，雷达天线的发射元件和接收元件T形地布置在承载板上。换言之，发射元件和/或接收元件可按T形几何结构分布和/或布置在承载板上。例如，T形状的水平分支只包括发射元件，且垂直分支只包括接收元件，或者，T形的水平分支只包括接收元件，且垂直分支只包括发射元件。通常，在承载板上，发射元件布置在第一排中，且接收元件布置在第二排中。在此情况下，第一排可以以横向于第二排的方式伸展和/或以横向于第二排的方式延伸和/或以横向于第二排的方式布置。特别地，第一排可以以基本上正交于第二排的方式延伸，并由此形成T形状。通过发射元件和/或接收元件的适当的多路复用(特别是时分多路复用)，并通过对由每个接收元件接收的反射信号或接收信号进行适当的评估，按照可对应于虚拟阵列的长方形布置的方式确定出一系列的回波曲线。而且，因此能有利地减少发射元件和/或接收元件的数目，并因而降低了填充物位测量装置的制造成本。
本发明的第三方面涉及一种用于制造雷达天线的方法。该方法包括以下步骤：
将至少两个用于发射和/或接收雷达信号的天线元件布置在雷达天线的承载板上，每个天线元件包括用于引导雷达信号的波导；以及
利用电介质至少部分地填充每个波导的内部空间，天线元件布置成彼此之间的距离小于或等于雷达信号的波长，特别地小于或等于雷达信号的波长的一半。
如上文及下文所述的雷达天线和/或填充物位测量装置的特征和元件可以是如上文及下文所述的该方法的特征、元件和/或步骤。同样地，如上文及下文所述的该方法的特征、元件和/或步骤可以是如上文及下文所述的雷达天线和/或填充物位测量装置的特征和元件。
在下文中，参照附图详细说明本发明的实施例。
附图说明
图1示出了根据一个实施例的检测拓扑的填充物位测量装置。
图2A示出了根据本发明的一个实施例的用于检测拓扑的填充物位测量装置。
图2B示出了图2A的填充物位测量装置的雷达天线。
图3示出了根据一个实施例的雷达天线。
图4示出了根据本发明的一个实施例的雷达天线。
图5A示出了根据本发明的一个实施例的用于雷达天线的天线元件。
图5B是图5A的天线元件的纵向剖面图。
图6示出了根据本发明的一个实施例的雷达天线。
图7示出了根据本发明的一个实施例的雷达天线。
图8A示出了根据本发明的一个实施例的雷达天线。
图8B是未使用伪天线元件的天线图。
图8C是根据图8A的实施例使用了伪天线元件的天线图。
图9示出了根据本发明的一个实施例的用于雷达天线的天线元件。
图10是根据本发明的一个实施例的制造雷达天线的方法步骤流程图。
附图所示为示意性的，而非限制性的。如果在不同的附图中使用相同的附图标记，则它们表示相同的、功能相同的或相似的元件。
具体实施方式
图1示出了根据一个实施例的用于检测拓扑的填充物位测量装置100(其也被称为用于确定拓扑的填充物位测量装置100)。填充物位测量装置100包括控制单元101和雷达天线10，控制单元101具有电子控制电路102。图1的填充物位测量装置是被称为旋转式线性扫描器100的装置的形式，雷达天线10通过天线支架106连接并/或结合到控制单元101。这种类型的填充物位测量装置100特别用于测量容器105中的散装材料或者开放料堆的散装材料，其能够确定散装材料108的表面107的进展和/或填充材料108的填充材料表面107的拓扑。
雷达天线10可安装有一个以上的发射元件和/或接收元件，由此能够使主波束方向和/或主接收方向110、112、114改变预定角度116。因此，能够从不同的主波束方向和/或主接收方向110、112、114检测出回波信号和/或回波曲线。通过天线支架106(也可以说，天线支架限定了轴线106)的额外旋转118，能够测量填充材料108的填充材料表面107上的每个点。这种以电子方式且以机械方式使波束偏转的组合装置的优点在于，在电子束偏转的情况下，在容器105填满之前，通常只需要将角度116的最大值设为+-45°，就可以测量到整个容器105。
然而，由于使用了诸如可旋转天线支架106等机械元件，所以图1所示的填充物位测量装置100易于磨损并且昂贵。
图2A示出了根据本发明的一个实施例的用于检测拓扑的填充物位测量装置100。图2B示出了图2A的填充物位测量装置100的雷达天线10。除非另有说明，图2A的填充物位测量装置100和/或图2B的雷达天线10与图1的填充物位测量装置100具有相同的特征和元件。
与图1的填充物位测量装置100不同的是，图2A和图2B的填充物位测量装置100的雷达天线10通过紧固件106和/或天线支架106以机械方式牢固地连接到控制单元101。这样的结构能够有效减少填充物位测量装置100的元件的磨损。
雷达天线10包括两个以上的天线元件12，这些天线元件12用于发射雷达信号和/或接收从表面107反射的信号或接收信号。天线元件12也可被称为发射元件12a和/或接收元件12b。通常，一部分天线元件12设计为只发射雷达信号，即设计为发射元件12a，一部分天线元件12设计为只接收反射信号或接收信号，即设计为接收元件12b。可选择地，也可以将所有天线元件12都设计成既能发射又能接收，即设计成既作为发射元件12a又作为接收元件12b。
天线元件12布置在雷达天线10的承载板14上，承载板14例如是金属承载板14。原则上，天线元件12可在承载板14上布置成任意布置，特别地，可例如在一个以上的行和/或列中布置成二维布置。
每个天线元件12包括波导16，波导16用于传导和/或引导雷达信号，即用于引导发射信号和/或接收信号。可在承载板14中形成凹槽和/或开口作为天线元件12的波导16。可选择地或者另外地，波导16也可以附接到和/或紧固到承载板14的外表面。
波导16的横截面可以是圆形、卵形、椭圆形、长方形、正方形或多边形。每个波导16的横截面形状可以相同。
在各情形下，直接相邻的天线元件12和/或波导16以彼此相隔一定距离18的形式布置于承载板14上，该距离18小于或等于雷达信号的波长。这样，在垂直方向上直接相邻的天线元件12和/或波导16以及在水平方向上直接相邻的天线元件12和/或波导16都布置成彼此相隔距离18。换言之，各个天线元件12和/或波导16与周围的、直接相邻的天线元件12和/或波导16之间的距离18小于或等于波长。在各情形下，可测量直接相邻的波导16的中心和/或中心轴线之间的距离18。特别地，可以使距离18小于或等于雷达信号波长的一半，以防止产生栅格和/或旁瓣。
为了使天线元件12和/或波导16能够以小于或等于雷达信号波长(特别是小于或等于雷达信号波长的一半)的距离18布置于承载板14上，每个波导16的内部空间20至少为部分地、特别全部地被电介质22和/或介电材料22填充。因此，能够有利地降低天线元件12的截止频率，从而减小波导16的最小尺寸，于是如后续附图详细示出的，能够使得天线元件12和/或波导以彼此间隔距离18的形式布置。
填充物位测量装置100可设计成和/或适配成基于利用模拟和/或数字波束偏转方法的波束偏转系统测量填充材料表面107。如此，能够以电子方式改变主波束方向和/或主接收方向110、112、114，即不需要以机械方式移动填充物位测量装置100的元件。
图3示出了根据一个实施例的雷达天线10。除非另有说明，图3的雷达天线10与图1至图2B的雷达天线10具有相同的特征和元件。
图3所示的雷达天线10包括两个天线元件12，每个天线元件12具有圆形波导16。每个圆形波导16被空气填充，即没有填充电介质22。
如果雷达天线10被配置成用于W波段填充物位测量装置100，且在W波段填充物位测量装置100中雷达信号的发射频率例如在76GHz～81GHz的范围内，则81GHz信号分量的波长的一半大约为1.85mm。而且，大约75GHz的截止频率处的最小直径24大约为2.34mm。因此，如图所示，这种空气填充式天线元件12不能以小于或等于大约1.84mm波长的一半的距离18布置在承载板14上，这是因为波导16以这样的方式布置将会重叠且会伸入到相邻波导的内部空间中。因此，天线元件12彼此的间隔距离18必须大于波长的一半，于是几乎不能防止栅格和旁瓣，因此对测量精度产生不利影响。
图4示出了根据本发明的一个实施例的雷达天线10。除非另有说明，图4的雷达天线10与图1至图3的雷达天线10具有相同的特征和元件。
为了克服参照图3说明的问题，根据本发明，每个天线元件12和/或每个波导16至少为部分地、特别地全部被电介质22填充。换言之，每个波导16的内部空间20填充有电介质22。用电介质填充波导16能够降低截止频率，并因此可将每个波导16设计成更小的最小尺寸24和/或更小的最小直径24更小。因此，能够使各个天线元件12和/或波导16之间的距离18减小为小于或等于波长的一半。
作为示例，电介质22的相对介电常数可以至少为1.5，特别地至少为1.9。特别地，电介质22包括特氟隆、塑料材料和/或PEEK。PEEK的相对介电常数在3.1和3.8之间。如果雷达天线10用于W波段填充物位测量装置100，且在W波段填充物位测量装置100中雷达信号的发射频率例如在76GHz～81GHz的范围内，则81GHz信号分量的波长的一半大约为1.85mm。而且，根据相对介电常数值，填充有电介质22的波导16在大约75GHz截止频率处的最小直径24小于1.8mm，特别地小于1.6mm，优选地大约为1.4mm。由于最小直径24减小，所以波导16可布置成彼此的间隔距离小于或等于波长的一半。
图5A示出了根据本发明的一个实施例的用于雷达天线10的天线元件12。图5B是图5A的天线元件12的纵向剖面图。除非另有说明，图5A和图5B的天线元件12与前述附图的天线元件12具有相同的元件和特征。
图5A和图5B的天线元件12包括圆形波导16，波导16的内部空间20至少部分地、特别全部地被电介质22填充。原则上，波导16的横截面可以是任何其它形状，横截面例如可以是卵形、椭圆形、长方形、正方形或多边形。
而且，天线元件12和/或圆形波导16包括第一端部13a，第一端部13a用于将天线元件12布置和/或紧固到雷达天线10的承载板14上。并且，天线元件12和/或圆形波导16还包括第二端部13b，第二端部13b在圆形波导16的纵向延伸方向上与第一端部13a相对。第二端部13b也被称为天线元件12的天线侧端部13b，该端部13b定向和/或排列在天线元件12的发射方向上。因而第二端部13b设计成发射雷达信号和/或接收接收信号。如果波导16是承载板14中的凹槽和/或开口的形式，则第二端部13b表示承载板14的面对填充材料108的天线侧外表面中的波导开口13b。
在天线元件12的第二端部13b上，天线元件12包括透镜26，透镜26至少部分地从天线元件12的第二端部13b伸出。于是，透镜26为半球形，但透镜26也可为其它几何结构。特别地，透镜26的几何结构和/或形状能够适配于波导16的截面形状。透镜26能够使波导16更好地适配于自由空间。
透镜26也可由电介质和/或介电材料形成。特别地，透镜26可以由与填充波导16的内部空间20所用的相同电介质22形成。透镜26或透镜26的材料的相对介电常数可以至少为1.5，特别地至少为1.9。例如，透镜26可以由塑料材料、特氟隆和/或PEEK形成。
透镜26和波导16的内部空间20中的电介质22可以两体式或一体式地形成。
图6示出了根据本发明的一个实施例的雷达天线10。除非另有说明，图6的雷达天线10与前述附图的雷达天线10具有相同的元件和特征。
图6的雷达天线10包括多个天线元件12，每个天线元件12包括圆形波导16。每个波导16的内部空间20填充有电介质22。可选地，每个天线元件12包括透镜26，透镜26布置在天线侧端部13b上。
雷达天线10的所有天线元件12的极化方向28相同。极化方向28表明波导16中主模的电场矢量28的取向和/或方向。
由于图6所示的波导16设计为圆形，所以原则上电场矢量28可定向在横向和/或正交于波导16的中心轴线和/或对称轴线的所有方向上。
每个天线元件12包括辐射元件30，辐射元件30用于将雷达信号耦合到波导16和/或将雷达信号从波导16中解耦。辐射元件30例如可设计为导电片(也被称为贴片和/或贴片天线元件30)，每个贴片天线元件30被与填充物位测量装置100的雷达模块和/或雷达前端结合的微带线馈送。每个辐射元件30至少部分地布置在相关波导16的内部空间20中。特别地，辐射元件30可布置在波导16的第一端部13a上。
为了使各个波导16的极化方向28定向成彼此平行，所有辐射元件30的几何结构和/或形状相同。而且，所有辐射元件30以彼此相同的取向和/或排列布置在承载板14上，因此辐射元件30的馈送方向彼此相同，且耦合到波导16的雷达信号的电场矢量28彼此平行。换言之，例如，雷达前端处的波导16被以相同的方式且以相同的取向馈送。可选择地，各个天线元件12的极化方向28可以是反向平行的，即彼此间相对旋转180°。通常，极化可以是线性极化、圆极化或椭圆极化。
如果波导16不设计成圆形波导16，而是具有不同的横截面，则波导16的主模的电场矢量具有特定的方向和/或取向。
长方形波导16例如具有窄边和比窄边宽的宽边。在长方形波导16的情形下，主模的电场矢量的方向总是定向成平行于宽边。此时，为了使各个波导16的极化方向28彼此平行，波导16以彼此相同的取向和/或排列布置在承载板14上。
图7示出了根据本发明的一个实施例的雷达天线10。除非另有说明，图7的雷达天线10与前述附图的雷达天线10具有相同的元件和特征。
一些天线元件12在第一排17中和/或在第一方向17上前后地和/或先后地布置在承载板14上，并且一些天线元件12在第二排19中和/或在第二方向19上前后地和/或先后地布置在承载板14上。在该图中，第一排17和/或第一方向17横向延伸，特别地，与第二排19和/或第二方向19正交。在图7所示的实施例中，天线元件12在承载板14上布置呈T形布置。
第一排17的天线元件12(其可被称为T形状的第一分支17)例如设计作为发射元件12a，且第二排19的天线元件12(其可被称为T形状的第二分支19)设计作为接收元件12b。可选择地，将第一排17的天线元件12设计作为接收元件12b，而将第二排19的天线元件12设计作为发射元件12a。或者，也可以将所有天线元件12都设计作为发射元件12a和接收元件12b。通常，由于这种T形布置方式，可以是雷达天线10和/或填充物位测量装置100变得不那么复杂，也不会降低测量精度。
例如，可以通过填充物位测量装置100的控制单元101以时分多路复用的方式来连续激活、驱动和/或操作第一排17的例如设计作为发射元件12a的天线元件12。可以通过例如第二排19的设计作为接收元件12b的天线元件12接收从散装材料表面107反射的信号。通过雷达天线10和/或填充物位测量装置100的控制单元101和/或电子系统适当地评估得到的回波信号，可以确定出一系列回波曲线，这些回波曲线完全对应于由具有虚拟长方形布置的天线元件12获得的一系列回波曲线。换言之，基于时分多路复用和/或适当的评估，使用T形地布置的天线元件12获得的测量结果与利用天线元件12的长方形虚拟阵列获得的测量结果相同。由于虚拟阵列的天线元件12彼此间隔距离小于或等于所用雷达信号波长的一半，所以可基于这些数据进行独特的数字和/或模拟波束成形，而不会因产生栅瓣而降低测量精度。
图8A示出了根据本发明的一个实施例的雷达天线10。除非另有说明，图8A的雷达天线10与前述附图的雷达天线10具有相同的元件和特征。
图8A的雷达天线10对应于图7的雷达天线10，另外，伪天线元件32围绕着T形布置的天线元件12。换言之，图8A的雷达天线10包括多个伪天线元件32，这些伪天线元件32也以与天线元件12相似和/或相同的方式布置在承载板14上。因此，伪天线元件32也包括波导16(例如伪波导16)，伪波导16的内部空间20填充有电介质22。天线元件12与伪天线元件32彼此间的距离18也小于或等于雷达信号的波长，特别地小于或等于雷达信号的波长的一半。在图8A中，天线元件12(例如发射元件12a和/或接收元件12b)被示意地示出为空心的和/或白色的圆圈，而伪天线元件32被示出为实心的和/或黑色的圆圈。
然而，与天线元件12不同的是，伪天线元件32没有设计成用于发射和/或接收雷达信号，而是伪天线元件32的伪波导16端接有终端波阻抗(terminating wave impedance)(例如50ohm的终端波阻抗)、短路或保持开路，使得不能通过伪天线元件32发射雷达信号。
伪天线元件32用于影响天线元件12的方向特性，这有利于在后续信号处理步骤中改善旁瓣衰减。通过伪天线元件32，各个天线元件12的方向特性能彼此适配，使得它们彼此几乎相同和/或无明显区别。
图8B和图8C示出了上述的伪天线元件32对方向特性的作用。
图8B是未使用伪天线元件32时的天线图50，其中，雷达天线10的一个天线元件12由实线表示，另一个天线元件12由虚线表示，虚线和实线分别表示相应天线元件12的方向特性。明显可见，两个天线元件12的方向特性在特定的角度范围内彼此区别明显。
对比图8B，图8C是使用伪天线元件32时的天线图50，其中，图8A的雷达天线10的一个天线元件12由实线表示，图8A的雷达天线10的另一个天线元件12由虚线表示，虚线和实线分别表示相应天线元件12的方向特性。图8B和图8C的比较结果明显表明，由于布置了伪天线元件32，两个天线元件12的方向特性彼此更加一致和/或彼此匹配，于是，有利地，两个天线元件12的方向特性在大部分的角度范围内都几乎相同。
图9示出了根据本发明的一个实施例的用于雷达天线10的天线元件12。除非另有说明，图9的天线元件12与前述附图的天线元件12具有相同的元件和特征。
从图9可看出，天线元件12在天线侧第二端部13b处逐渐变细，由此有利地提高了开口率。由于这样的锥形设计，于是可形成喇叭形辐射元件，因而提高了天线增益。
图10是示出根据本发明的一个实施例制造雷达天线10的方法步骤的流程图。
在第一步骤S1中，将至少两个用于发射和/或接收雷达信号的天线元件12布置在雷达天线10的承载板14上，每个天线元件12包括用于引导雷达信号的波导16。天线元件12布置成彼此间的距离小于或等于雷达信号的波长，特别地小于或等于波长的一半。
在接下来的步骤S2中，利用电介质22至少部分地、特别全部地填充每个波导16的内部空间20。
鉴于完整性，应当指出，“包括”和“具有”并不排除其它元件或步骤的可能性，并且，“一个”也并不排除多个的可能。还应当指出，参照上述实施例中的一个实施例说明的特征或步骤也可以与上述其它实施例的特征或步骤相结合地使用。权利要求中的附图标记并非限制性的。
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年6月27日提交的欧洲专利申请17178080.2的优先权，该申请的全部内容通过引用并入本文，该申请17178080.2要求2016年10月12日提交的欧洲专利申请16193550.7的优先权，此申请的全部内容也通过引用并入本文。

Claims (15)

1.一种用于填充物位测量装置(100)的雷达天线(10)，其包括：
至少一个承载板(14)；以及
至少两个天线元件(12)，所述天线元件布置在所述承载板(14)上，且用于发射和/或接收雷达信号，
其中，每个所述天线元件(12)包括用于引导雷达信号的波导(16)，
其中，每个所述波导(16)的内部空间(20)至少部分地填充有电介质(22)，并且
其中，所述天线元件(12)布置成彼此之间的距离(18)小于或等于雷达信号的波长。
2.根据权利要求1所述的雷达天线(10)，
其中，所述天线元件(12)的所述波导(16)定向在所述承载板(14)上，使得所述波导(16)的主模的电场矢量(28)定向成彼此平行或反向平行，并且/或者
其中，所述天线元件(12)的极化方向(28)相同或反向平行。
3.根据权利要求1或2所述的雷达天线(10)，
其中，每个所述天线元件(12)包括辐射元件(30)，所述辐射元件用于将雷达信号耦合到所述波导(16)中并且/或者从所述波导(16)中解耦雷达信号，
其中，每个所述辐射元件(30)至少部分地布置在相关的所述波导(16)的所述内部空间(20)中，并且/或者布置成邻接相关的所述波导的第一端部(13a)，并且
其中，所述辐射元件(30)设计并彼此定向成使得耦合到所述波导(16)中的雷达信号的电场矢量(28)彼此平行。
4.根据前述权利要求中任一项所述的雷达天线(10)，
其中，所述电介质(22)的相对介电常数至少为1.5，特别地至少为1.9，并且/或者
其中，所述电介质(22)包括特氟隆、塑料材料和/或聚醚醚酮。
5.根据前述权利要求中任一项所述的雷达天线(10)，
其中，所述波导(16)均形成为所述承载板(14)中的凹槽和/或开口(16)，或者
其中，所述波导(16)布置在所述承载板(14)的外表面上。
6.根据前述权利要求中任一项所述的雷达天线(10)，
其中，每个所述天线元件(12)包括透镜(26)，所述透镜布置在相关的所述波导(16)的天线侧端部(13b)上。
7.根据权利要求6所述的雷达天线(10)，
其中，所述透镜(26)均与所述电介质(22)一体地形成。
8.根据前述权利要求中任一项所述的雷达天线(10)，
其中，每个所述波导(16)在天线侧端部(13b)处逐渐变细，从而提高了所述天线元件(12)的开口率。
9.根据前述权利要求中任一项所述的雷达天线(10)，
其中，所述天线元件(12)布置成彼此之间的距离(18)小于或等于雷达信号的波长的一半。
10.根据前述权利要求中任一项所述的雷达天线(10)，
其中，每个所述波导(16)的横截面是圆形、卵形、椭圆形、长方形、正方形或多边形。
11.根据前述权利要求中任一项所述的雷达天线(10)，
其中，每个所述波导(16)的横截面是圆形，
其中，每个所述天线元件(12)设计成用于发射和/或接收频率至少为75GHz的雷达信号，并且
其中，每个所述波导(16)的内直径(24)小于2.4mm。
12.根据前述权利要求中任一项所述的雷达天线(10)，其还包括：
至少一个伪天线元件(32)，所述伪天线元件布置在所述承载板(14)上，且用于影响至少一个所述天线元件(12)的方向特性，
其中，所述伪天线元件(32)包括伪波导(16)，所述伪波导端接有终端波阻抗、短路或保持开路，使得不能通过所述伪天线元件(32)发射雷达信号。
13.一种用于确定介质(108)的填充物位的填充物位测量装置(100)，其包括：
至少一个根据前述权利要求中任一项所述的雷达天线(10)。
14.根据权利要求13所述的填充物位测量装置(100)，
其中，所述雷达天线(10)包括多个设计为发射元件(12a)的所述天线元件(12)，所述发射元件用于发射雷达信号，且在所述承载板(14)上布置在第一排(17)中，
其中，所述雷达天线(10)包括多个设计为接收元件(12b)的所述天线元件(12)，所述接收元件用于接收反射信号，且在所述承载板(14)上布置在横向于所述第一排(17)的第二排(19)中。
15.一种用于制造雷达天线(10)的方法，所述方法包括：
将至少两个用于发射和/或接收雷达信号的天线元件(12)布置在所述雷达天线(10)的承载板(14)上，其中，每个所述天线元件(12)包括用于引导雷达信号的波导(16)；以及
利用电介质(22)至少部分地填充每个所述波导(16)的内部空间(20)，
其中，所述天线元件(12)布置成彼此之间的距离(18)小于或等于雷达信号的波长。
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