CN109417217A - 天线装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于料位测量仪(22)的天线装置(1)。天线装置(1)包括天线(2)、喇叭天线(3)、塑料壳体(4)、电路板以及灌封材料(6)。天线(2)被设计成用于建立电路板与外部设备(7)的通信连接，喇叭天线(3)具有中空的截锥形，且喇叭天线(3)的至少内侧(11)设置有金属材料。此外，天线(2)、喇叭天线(3)、电路板以及灌封材料(6)布置在塑料壳体(4)内，且天线(2)及喇叭天线(3)被灌封材料(6)包围。

Description

天线装置
技术领域
本发明涉及一种具有天线、喇叭天线、塑料壳体及电路板的天线装置。本发明还涉及一种具有天线装置的料位测量仪，特别是例如用于测量水位、容器中的储存量或容器中的散装物料高度的雷达波料位测量仪。
背景技术
已知的是，在料位测量仪的电路板上安装诸如微带天线等天线，其中，天线能够发送并接收信号。特别地，电路板与料位测量仪的喇叭天线彼此相对地布置，使得电路板的微带天线能够通过喇叭天线引导信号，并在反射之后重新接收信号。就此而言，例如本申请的申请人的专利EP2871450B1公开了一种料位测量仪，该料位测量仪特别地包括微波发射器以及与微波发射器连接的天线，天线具有用于定向地发射微波辐射的出射口，其中，天线可以特别是喇叭天线。此外，天线可由包覆有金属的塑料构成。
此外，DE 10248915 A1公开了一种具有朝上开口的槽形壳体的雷达传感器，该雷达传感器在其内侧处具有位于其壳体底部区域内的高频部件。高频部件在其朝向壳体底部的底侧处包括多个高频微带天线。这些天线布置在高频电路板的底侧处，通过壳体底部发送并接收信号，并可以直接与壳体的底部邻接。高频部件和天线共同由保护罩保护。在高频部件上方，在槽形壳体中设置有低频部件，该低频部件特别地包括电路板，在电路板上设置有电子部件。在电路板上方，壳体在很大程度上被填充材料完全填满。有利地以液态填充在壳体中并随后固化的填充材料防止水分渗入壳体，并进而防止对高频部件或低频部件造成不利影响。此外，通过填充材料还实现了对低频部件及高频部件的持久的、位置精确的固定。通过设置保护罩，防止了填充材料对灵敏的高频部件造成不利影响。
此外，在料位测量仪中可设置有其它天线，该其它天线被配置成允许电路板能够与诸如计算机单元等外部设备通信。由此，例如可将保存在电路板上的测量数据传输至外部设备。此外，外部设备可将控制数据发送至电路板，以例如控制料位测量仪的测量。
遗憾的是，该其它天线常常易于遭到破坏。此外，喇叭天线可能妨碍该其它天线的电磁波的传播。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种本文开篇所述类型的天线装置，该天线装置防止天线及金属化障碍物遭到破坏，并且由此具有良好的全向辐射特性。
上述目的通过本发明的独立权利要求的主题来实现。从属权利要求的主题、下文的描述以及附图给出优选实施方式。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于料位测量仪的天线装置。天线装置包括天线、喇叭天线、塑料壳体、电路板以及灌封材料。
天线被设计成用于建立电路板与诸如计算机等外部设备的通信连接。天线特别是可以是采用不同设计的蓝牙天线，例如形式为单极天线、环状偶极天线或折迭式偶极天线的蓝牙天线。在此，“外部”特别是指该设备并非该天线的一部分。在天线装置为料位测量仪的部件的情况下，外部设备特别地同样不是料位测量仪的部件。天线例如可集成在电路板中。特别地，天线的相应接点可焊接至电路板。此外，天线可以布置成在空间上与电路板分离，其中，天线例如通过无线的无线电连接或线路或电缆以已知的方式与电路板连接。可通过天线将测量数据传输至外部设备，特别地以用于进一步分析。此外，可通过天线将命令从外部设备传输至电路板，特别地以用于对料位测量进行初始化或控制。
喇叭天线具有中空的截锥形。这种形状尤其适用于料位测量仪。优选地，在截锥形喇叭天线的顶面的区域内设置有接地面或电路板(其包括接地面，或可以是接地面的一部分)，其中，顶面通过位于截锥形喇叭天线内的空腔与截锥形喇叭天线的底面连接。通过这种布置，可设置在电路板上的微带天线例如能够将微波或雷达波辐射至喇叭天线，并从喇叭天线接收微波或雷达波。
喇叭天线的至少内侧设置有金属材料(例如银导电漆)，或被至少部分地电镀。喇叭天线也可以完全由金属材料构成。金属材料允许位于喇叭天线的空腔内的电磁波无法经由喇叭天线的侧壁(其构成截锥形喇叭天线的侧面)离开。仅在内部涂布有金属材料的喇叭天线特别廉价，并且具有特别轻的重量。
天线、喇叭天线、电路板以及灌封材料设置在塑料壳体内。壳体特别地可以一体地或多体地制造为中空圆柱形、具有或不具盖部的槽形、开放的或封闭的。在壳体内，天线装置的组件已被部分地保护，以使其免受外部影响及破坏。电路板例如可以是具有闭合的侧面的FR4电路板。
此外，至少天线及喇叭天线被灌封材料至少部分地包围或包封。天线也可被调整成使得在壳体仅被部分灌封的情况下天线仍能正常操作。但在此情形下，天线仍被灌封材料包围。填充水平应覆盖天线的至少一部分，否则无法利用介电导体的特性。有意义的是，例如出于重量原因或成本原因，需要减少灌封材料的使用，且待填充的容积的一部分例如被聚苯乙烯成型件填充。电路板也可被灌封材料包围或包封。换言之，至少天线以及天线装置的金属化障碍物的一部分嵌入在灌封材料中。由此，天线及金属化障碍物都变得从外部不可见，从而免受破坏。作为介电导体，灌封材料还有助于或适于围绕形式为喇叭天线的金属障碍物引导天线的电磁辐射，并且使其在原本被金属障碍物遮蔽的一侧处辐射。由此，天线便可具有极佳的全向辐射特性。此外，通过灌封材料，天线及喇叭天线在壳体内且相对天线装置的位于壳体内的其他组件的位置是固定的。灌封材料可以是塑料灌封材料，例如介电灌封材料。
此外，在天线相对壳体内的其余组件采用适当定位的情况下，从塑料壳体至包围塑料壳体的空气的过渡部分能够充当反射器，其中，金属化障碍物能够充当引向器。天线的位置特别地取决于金属化障碍物的形状及尺寸，并可被选择成使得反射在天线的基频下相干地重迭。
根据第一实施方式，天线布置在塑料壳体与喇叭天线之间，并且天线通过灌封材料与塑料壳体、喇叭天线分离。其中，截锥形喇叭天线的底面优选地布置在壳体的底部区域内。天线优选地布置在壳体的侧壁与截锥形喇叭天线的侧面之间。灌封材料位于天线与截锥形喇叭天线之间。优选地，灌封材料完全或至少部分地包围截锥形喇叭天线的侧面。同样优选地，灌封材料完全包围天线。根据此实施方式，灌封材料特别有助于围绕截锥形喇叭天线引导天线所发射的电磁辐射，并且使其在原本被遮蔽的一侧处辐射。
就前述第一实施方式而言，特别有利地，天线为单极天线，天线布置在接地面上，天线的杆状部分布置成侧向地相邻于截锥形喇叭天线，并且优选地以平行于截锥形喇叭天线的中心高度的方式延伸。此外，接地面可抵靠在截锥形喇叭天线的顶面上。发明人发现，前述附加特征特别地确保天线具有完全的宽带特性并且具有围绕截锥形喇叭天线的极佳的全向辐射特性。在此情形下，截锥形喇叭天线的中心高度为截锥形喇叭天线的顶面与底面之间的垂直连接，其中，中心高度将顶面的中心与底面的中心相连接。
作为接地平面，接地面形成单极天线所需的平衡体，并可包括电路板。接地面还可以是电路板的一部分，例如电路板的接地或位于电路板上的层。然而，接地面也可以是与电路板分离的组件，并用于屏蔽电路板。接地面或电路板还可以包括至少两个部分，这些部分可相互分离，其中，所述至少两个部分中的仅一者作为接地面形成单极天线所需的平衡体。天线可连接至接地面，其中，接头侧向地相邻于截锥形喇叭天线的高度轴线，并进而以相对截锥形喇叭天线不对称的方式布置。在此情形下，天线的杆状部分从接地面的底侧伸出。就此而言，接地面的底侧特别是指接地面的朝向截锥形喇叭天线的侧面的表面。
根据另一实施方式，天线为环状偶极天线，且环状偶极天线的开放环以一定距离围绕截锥形喇叭天线的侧面延伸。截锥形喇叭天线以及电路板特别地可如结合第一实施方式所描述的那样进行配置。环状偶极天线特别地可在底侧处连接至电路板。对应的连接部分特别地可以以相对截锥形喇叭天线的高度轴线对称的方式延伸。在第二实施方式中采用的环状偶极天线的特征特别地在于非常窄，但非常低的谐振。此方案的优点在于，通过天线的高选择性，可以省去用于电路板上的滤波器的离散部件。非常低的谐振实现了天线的极佳调整，进而减小非期望的、由天线反射回电路板的反射分量。此外，环状偶极天线的围绕截锥形喇叭天线的侧面的环实现了极佳的全向辐射特性。
根据另一实施方式，天线为偶极天线，其中，偶极天线的杆状部分布置成侧向地相邻于截锥形喇叭天线，并且优选地以平行于截锥形喇叭天线的中心高度的方式延伸。电路板布置在截锥形喇叭天线与偶极天线的杆状部分之间，且偶极天线通过灌封材料与塑料壳体、截锥形喇叭天线分离。偶极天线可包封在陶瓷中，并装配在电路板上。
根据另一实施方式，天线为偶极天线，其中，电路板布置在截锥形喇叭天线的顶面的上方，且偶极天线布置在电路板的上方。偶极天线的杆状部分优选地以平行于截锥形喇叭天线的顶面的方式延伸，且电路板通过灌封材料与偶极天线、截锥形喇叭天线分离。天线也可作为构件装配在电路板或较小的附加电路板上。在此情形下，在天线与电路板之间不存在灌封材料。
特别地，灌封材料可具有2.5以上的介电常数(DK值)。DK值对天线的设计尺寸有影响。在DK值较高的情况下，天线(特别是,λ/4杆状天线)可具有较小的(即，特别是较短的)尺寸，且在DK值较低的情况下，天线(特别是λ/4杆状天线)必须具有较大的(即，特别是较长的)尺寸。在DK值为2.5以上的情况下，天线可具有特别小的尺寸，这特别是在在空间条件有限的情况下安装天线时实现机械方面的优点。
根据本发明的第二方面，提供一种料位测量仪，该料位测量仪包括根据本发明的第一方面的天线装置。就作用、优点及实施方式而言，为避免重复，请参考前文结合本发明的第一方面所作的说明。
附图说明
下面将参考示意性附图对本发明的实施例进行详细说明，其中，在各个附图中，相同或相似的组件使用同一附图标记表示。在这些附图中：
图1示出本发明的在料位测量仪的外壳体内具有单极天线的天线装置的第一实施方式的纵剖面图，
图2示出根据图1的天线装置的立体图，
图3示出本发明的在料位测量仪的外壳体内具有单极天线的天线装置的另一实施方式的立体图，
图4示出本发明的在料位测量仪的外壳体内具有环状偶极天线的天线装置的另一实施方式的纵剖面立体图，
图5示出根据图4的天线装置的立体图，
图6示出本发明的在料位测量仪的外壳体内具有偶极天线的天线装置的另一实施方式的纵剖面图，
图7示出本发明的在料位测量仪的外壳体内具有偶极天线的天线装置的另一实施方式的纵剖面图，以及
图8示出本发明的在部分地利用灌封材料灌封的壳体内具有单极天线的天线装置的另一实施方式的纵剖面图。
具体实施方式
图1示出本发明的天线装置1的第一实施方式的示例，该天线装置包括天线(例如，蓝牙天线)2、喇叭天线3、塑料壳体4、电路板、接地面5以及灌封材料6。
壳体4例如由聚偏氟乙烯(PVDF)或聚苯硫醚(PPS)(例如，PPS)构成。壳体4具有圆柱形侧壁8，且在两个端侧处均前方开口。壳体4在侧壁8之间形成空腔，在该空腔内布置有天线2、喇叭天线3、电路板、接地面5以及灌封材料6。
壳体4还一体地形成喇叭天线3，喇叭天线3呈中空的截锥形。就此种中空截锥而言，喇叭天线3具有平坦的圆形底面9、平坦的圆形顶面10、内侧面11以及外侧面12。内侧面11以及外侧面12由喇叭天线3的锥壁13形成。在内侧面11、底面9与顶面10之间，喇叭天线3形成截锥形空腔14。底面9表现为开口，该开口可以被料位测量仪22的未图示的外壳体21封闭。此外，外壳体21还封闭在顶部开口的壳体4。截锥形喇叭天线3的顶面10被封闭。在顶面10的区域中可设置有用于喇叭天线3的未图示的供电装置。喇叭天线3的内侧面11设置有诸如银导电漆等金属材料。
接地面5可包括电路板。接地面5还可以是电路板的一部分，例如是电路板的接地或位于电路板上的层。但接地面5也可以是与电路板分离的部件，并用于屏蔽电路板。接地面5具有顶侧15及底侧16。接地面5的顶侧15背离喇叭天线3，且接地面5的底侧16朝向喇叭天线3。接地面5利用其底侧16抵靠在喇叭天线3的顶面10上。接地面5的底侧16的面积值大于喇叭天线3的顶面10的面积值。因此，接地面5的底侧16的仅一部分抵靠在喇叭天线3的顶面10上。底侧16的没有抵靠在顶面10上的其余部分大体上沿顶面10的虚拟延长部分延伸至壳体4的侧壁8。接地面5例如可以是薄板，其顶侧15及底侧16呈圆形(图2)。顶侧15及底侧16的直径可等于或略小于壳体4的侧壁8的内直径。
在图1所示的实施方式中，天线2是形式为λ/4杆状天线的单极天线，该单极天线能够以2.4GHz的频率操作。天线2具有杆状部分17，杆状部分17以平行于喇叭天线3的中心高度轴线H的方式延伸。天线2的杆状部分17穿过接地面5，并且在接地面5的顶侧15处固定在接地面5上的连接区域18中。由此，在接地平面的意义上，接地面能够形成单极天线2所需的平衡体(Gegengewicht)。此外，天线2可从电路板接收数据，并将数据以无线方式传输至诸如计算机等外部设备7。天线2还可从外部设备7接收数据并将数据传输至电路板。由此，天线2被设计成用于建立电路板与外部设备7的通信连接。
例如可通过与电路板连接的同轴电缆(未图示)对天线4进行供电，如上文所述，电路板可为接地面5的一部分，或可作为与接地面分离的部件布置在壳体4内的任意其他位置。接地面5能够将天线2相对于电路板遮蔽，这在EMC范围内特别有利。接地面5大体上以垂直于喇叭天线3的高度轴线H的方式延伸。因此，天线2的杆状部分17与接地面5布置成大体上相互垂直。天线2布置在喇叭天线3与壳体4之间。由此，天线2的杆状部分17以侧向地相邻于截锥形喇叭天线3且平行于截锥形喇叭天线3的中心高度或高度轴线H的方式延伸。在此情形下，截锥形喇叭天线3的中心高度H为截锥形喇叭天线3的顶面10与底面9之间的垂直连接，其中，中心高度H将顶面10的中心与底面9的中心相连接。该高度轴线形成高度H的两侧的延长线。
在图1及图2所示的实施例中，天线2的杆状部分17与喇叭天线3的高度轴线H之间的距离x1约为天线2的杆状部分17与壳体4的侧壁8之间的距离x2的五倍(x1和x2互换！)。然而，这些距离仅作为示例，并非强制要求。天线2的距离由发明人通过模拟及试验加以确定，且在喇叭天线3的形状及尺寸方面是最佳的，使得反射在天线2的基频操作中相干地叠加。天线2的杆状部分17的长度由天线2的2.4GHz的期望频率范围以及灌封材料6的DK值确定。
喇叭天线3的外侧面12、壳体4的侧壁8的内表面以及壳体4的上部开口端部之间的内腔19(未图示)完全被灌封材料6灌封。因而，灌封材料6完全包围天线2、电路板、接地面5以及喇叭天线3的外侧面12。通过灌封材料6，天线2与壳体4、喇叭天线3分离。根据图1所示的实施例，灌封材料6为介电灌封材料，该材料的DK值为2.5。特别地，通过灌封材料6，使天线2从外部不可见，以免受到破坏。灌封材料6有助于围绕喇叭天线3(其为金属障碍物)引导天线2所发出的电磁辐射，并使其从原本被喇叭天线3遮蔽的、在图1中由附图标记20表示的区域辐射。因而，灌封材料6实现了介电导体的功能。此外，基于如图1所示的天线2在壳体4内的位置，在塑料壳体4或外壳体21至外部的包围塑料壳体4或外壳体21的空气的过渡中，天线2可充当反射器，而喇叭天线3充当引向器。
图3示出本发明的天线装置1的另一实施方式，该天线装置的设计与图1及图2所示的天线装置1相似。为避免重复，下文仅对区别进行说明。如图3所示，接地面5或电路板可划分成第一部分5.1与第二部分5.2，其中，第一部分5.1与第二部分5.2可相互分离。天线4与接地面5或电路板的第一部分5.1连接，使得仅第一部分5.1用作用于天线的接地平面，而接地面5或电路板的第二部分5.2则无此作用。
图4及图5示出本发明的天线装置1的第二实施方式的示例，该天线装置的设计与图1至图3所示的天线装置1相似，且其特征在于天线2的类型及布置。天线2是形式为环状偶极天线(Ringdipol-Antenne)的蓝牙天线。环状偶极天线2的开放环23以一定距离围绕截锥形喇叭天线3的外侧面12延伸。环状偶极天线2具有两个平行的且相互间隔开的杆状部分24。杆状部分24中的一者接地，而杆状部分24中的另一者用于以类似于图1、图2或图3所示的单极天线2的杆状部分17的方式连接信号。环状偶极天线4不需要接地面5，但此接地面有助于屏蔽电路板，以免其受到辐射影响。杆状部分24以平行于截锥形喇叭天线3的高度轴线H的方式延伸。在图4所示的示例中，中空的截锥体3的高度H与杆状部分24的长度的比例约为10比3，但此并非强制要求。
天线2的连接是对称的，因而在电路板5上设置有巴伦结构(平衡组件，未图示)。为进行调整，可设置有例如0.9pF的电容器。开放环23包围锥壁13的外侧面12，其中，开放环23与锥壁13的外侧面12的距离是恒定的。开放环23具有彼此相对的第一开放端25与第二开放端26。开放端25、26分别与杆状部分24中的一者连接，或分别过渡至杆状部分24。
图6示出本发明的天线装置1的另一实施方式的示例，该天线装置的设计与图1所示的天线装置1相似，且其特征在于天线2的类型与布置以及电路板5的布置。天线2是形式为杆状偶极天线(Stabdipol-Antenne)的蓝牙天线。为尽可能减小杆状偶极天线2的结构尺寸，如图6所示，杆状偶极天线2可封装在陶瓷壳28中。不同于图1、图2或图3所示的杆状单极天线2，该杆状偶极天线2由两个长度均为λ/4的臂构成。因而，原则上，图6所示的杆状偶极天线2的长度为图1、图2或图3所示的杆状单极天线2的两倍。通过使用DK值相对较高的灌封材料6，能够实现相对较高的缩短系数，从而能够将杆状偶极天线2的长度缩短至可行的程度。杆状偶极天线2以侧向地相邻截锥形喇叭天线3并且平行于截锥形喇叭天线3的中心高度H的方式延伸。根据图6所示的实施方式，杆状偶极天线2以平行于电路板5并与其间隔开一定距离的方式布置。电路板5与杆状偶极天线2相互建立通信连接，其中，杆状偶极天线2可通过蓝牙连接在电路板5与外部设备7之间传输数据。
电路板5以平行于杆状偶极天线2的方式延伸，并且没有抵靠在喇叭天线3的顶面10上。取而代之地，电路板5布置在杆状偶极天线2与喇叭天线3的锥壁13的外侧面12之间。通过灌封材料6，杆状偶极天线2在图6中在右侧与壳体4的侧壁8的内侧分离，并且在图6中在左侧与电路板5分离。此外，通过灌封材料6。电路板5与截锥形喇叭天线3的外侧面12分离。
图7示出本发明的天线装置1的第三实施方式的示例，该天线装置的设计与图2所示的天线装置1相似，且其特征在于天线2的类型与布置以及电路板5的布置。天线2是形式为杆状偶极天线的蓝牙天线。为尽可能减小杆状偶极天线2的结构尺寸，如图7所示，杆状偶极蓝牙天线2可封装在陶瓷壳中。电路板5与杆状偶极天线2相互建立通信连接，其中，杆状偶极天线2可通过蓝牙连接在电路板5与外部设备7之间传输数据。
电路板5以间隔开一定距离的方式布置在截锥形喇叭天线3的顶面10的上方。杆状偶极天线2以间隔开一定距离的方式布置在电路板5的上方。电路板5以平行于顶面10的方式延伸。杆状偶极天线2同样以平行于顶面10的方式延伸，并进而以平行于电路板5的方式延伸。此外，通过灌封材料6，电路板5与杆状偶极天线2、截锥形喇叭天线3的顶面10分离。
图8示出天线装置1的另一实施例，该天线装置与图1所示天线装置1相似，区别在于，杆状天线2完全被灌封材料6包围，而喇叭天线3则仅在其上部区域中被灌封材料6包围。此外未图示出料位测量仪22的外壳体21。因此，壳体4的圆柱形壁8与喇叭天线3之间的内腔19仅部分被灌封。内腔19的未被灌封材料6灌封的下部容积区例如可填充有聚苯乙烯成型件，成型件的形状对应于该下部容积区。由此，能够节省灌封材料6并减轻重量。

Claims (8)

1.一种用于料位测量仪(22)的天线装置(1)，所述天线装置(1)包括：
天线(2)；
喇叭天线(3)；
塑料壳体(4)；
电路板；以及
灌封材料(6)，
其中，
所述天线(2)被设计成用于建立所述电路板与外部设备(7)的通信连接，
所述喇叭天线(3)具有中空的截锥形，
所述喇叭天线(3)的至少内侧(11)设置有金属材料，
所述天线(2)、所述喇叭天线(3)、所述电路板和所述灌封材料(6)布置在所述塑料壳体(4)内，并且
所述天线(2)和所述喇叭天线(3)至少部分地被所述灌封材料(6)包围。
2.如权利要求1所述的天线装置(1)，其中，
所述天线(2)布置在所述塑料壳体(4)与所述喇叭天线(3)之间，并且
所述天线(2)通过所述灌封材料(6)与所述塑料壳体(4)、所述喇叭天线(3)分离。
3.如权利要求2所述的天线装置(1)，其中，
所述天线(2)为单极天线，
所述天线(2)布置在接地面(5)上，
所述天线(2)的杆状部分(17)布置成侧向地相邻于所述截锥形喇叭天线(3)，并且
所述接地面(5)抵靠在所述截锥形喇叭天线(3)的顶面(10)上。
4.如权利要求2所述的天线装置(1)，其中，
所述天线(2)为环状偶极天线，并且
所述环状偶极天线(2)的开放环(23)以一定距离围绕所述截锥形喇叭天线(3)的侧面(12)延伸。
5.如权利要求2所述的天线装置(1)，其中，
所述天线(2)为偶极天线，
所述偶极天线的杆状部分(17)布置成侧向地相邻于所述截锥形的喇叭天线(3)，
所述电路板(5)布置在所述截锥形喇叭天线(3)与所述偶极天线(2)之间，
所述偶极天线(2)通过所述灌封材料(6)与所述塑料壳体(4)、所述截锥形喇叭天线(3)分离。
6.如权利要求1所述的天线装置(1)，其中，
所述天线(2)为偶极天线，
所述电路板(5)布置在所述截锥形的喇叭天线(3)的顶面(10)的上方，
所述偶极天线(2)布置在所述电路板(5)的上方，并且
所述电路板(5)通过所述灌封材料(6)与所述偶极天线(2)、所述截锥形喇叭天线(3)分离。
7.如前述权利要求中任一项所述的天线装置(1)，其中，所述灌封材料(6)具有2.5以上的介电常数。
8.一种料位测量仪(22)，其包括如前述权利要求中任一项所述的天线装置(1)。
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