CN109428142A - 用于填充物位雷达的波导耦合结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于填充物位雷达的波导耦合结构，波导耦合结构具有波导和高频芯片，高频芯片至少部分地突出到波导中并且具有用于将传输信号耦合到波导中的耦合元件。

Description

用于填充物位雷达的波导耦合结构
技术领域
本发明涉及利用填充物位测量装置的填充物物位测量，其中，填充物位测量装置根据传播时间法进行操作。特别地，本发明涉及用于填充物位雷达的波导耦合结构、用于填充物位雷达的高频雷达模块和具有这种高频雷达模块的填充物位雷达。
背景技术
为了测量容器中的介质的填充物位，可以朝向表面发射微波信号并通过测量装置接收在此处反射的信号。能够通过信号的发射和反射信号的接收之间的时间(传播时间)来确定测量装置和介质的上表面之间的距离，并由此能够通过测量架构的已知尺寸来确定填充物位。因此，也将该测量方法称为传播时间法或雷达法。微波信号能够连续地或者以脉冲的方式产生并发射。
通常，这种填充物位测量装置具有用于产生和处理微波信号的高频芯片和用于发射微波信号的天线元件。
发射的微波信号(在下文中也将其称为高频传输信号)经由HF信号线被传导至天线元件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种有利的根据传播时间法进行操作的填充物位雷达。
本目的通过独立权利要求的主题来实现。通过从属权利要求和如下的对实施例的说明得到本发明的进一步构造。
本发明的第一方面涉及一种用于填充物位雷达的波导耦合结构，波导耦合结构具有波导和高频芯片，高频芯片至少部分地布置在波导中并且用于产生高频传输信号。高频芯片具有用于将传输信号耦合到波导中的耦合元件。
例如，耦合元件可以是(由金属化结构(例如，线路部分)实现的)金属引脚形式的耦合引脚。耦合元件也能够被设计成鳍形天线或贴片天线的形式。具有耦合元件的芯片至少部分地位于波导中。
不需要用于将高频芯片连接至耦合元件的接合连接。特别地，不必要的是，微波芯片产生的高频信号传输到印刷电路板并接着被传输到天线元件。不需要芯片和天线元件之间的直接的接合连接。
此外，通过将耦合元件集成到高频芯片中，可以缩短信号路径，使得从高频芯片到耦合元件的供应长度具有尽可能低的插入损耗，从而能够使对雷达系统的灵敏度的负面影响最小化。
因为微波信号直接从HF芯片耦合到波导中(耦合元件是高频芯片的组件)，所以能够省略不利的信号连接。
根据本发明的一个实施例，耦合元件布置在高频芯片的上侧。根据本发明的另一实施例，耦合元件布置在高频元件的下侧。
两种实施方式具有部分不同的优点。例如，在后一种情况下，耦合元件被更好地机械保护。
如果耦合元件位于芯片的上侧，则微波信号能够不受阻碍地发射到位于芯片上方的介质中。不存在由例如芯片材料引起的衰减。此外，在这种情况下，耦合元件与芯片的高频电路部件位于相同的芯片侧。由此，能够在芯片内实现简单的连接。
根据本发明的另一实施例，波导耦合具有基板，在基板上形成有高频芯片。此外，基板安装至波导，从而得到非常稳定的结构。
根据本发明的另一实施例，波导具有由基板的凹槽形成的谐振腔室或谐振腔。通常，谐振腔的壁是金属化的，并且谐振腔能够至少部分地填充有电介质。特别地，电介质可以仅位于耦合元件下方。耦合元件也能够嵌入到电介质中。
根据本发明的另一实施例，波导耦合结构具有天线喇叭(Antennenhorn)，天线喇叭安装至波导的端部。例如，高频芯片粘合在基板上。
本发明的另一方面涉及一种用于填充物位雷达的高频雷达模块，高频雷达模块具有上述和下述的波导耦合结构。
本发明的另一方面涉及一种具有上述和下述的高频雷达模块的填充物位雷达。
在下文中，将参考附图来说明本发明的实施例。如果在如下的附图说明中使用了相同的附图标记，则这些相同的附图标记表示相同或者类似的元件。附图中的视图是示意性的并且不是按比例的。
附图说明
图1示出了根据本发明的实施例的波导耦合结构。
图2示出了根据本发明的另一实施例的波导耦合结构。
图3示出了根据本发明的实施例填充物位测量系统。
图4示出了根据本发明的实施例的具有耦合元件的高频芯片。
具体实施方式
图1示出了用于填充物位雷达200(参见图3)的波导耦合结构100。高频芯片101布置在基板103(例如，印刷电路板103、陶瓷支撑件103或者金属板103)上，并且经由接合线102连接到电源。也能够经由这些接合线来传输控制信号。然而，接合线不用于传输高频微波信号。
高频芯片101至少部分地突出到波导107的谐振腔室或谐振腔104中。波导107在其下侧是封闭的，以便形成谐振腔104。谐振腔104形成在位于基板103的上侧或下侧处的耦合元件和波导107的封闭的下端部之间。在波导的另一端部处连接有喇叭天线105，经由喇叭天线105朝向填充材料表面发射HF传输信号。还能够设置用于信号聚焦的透镜。
在图1的实施例中，波导107的谐振腔104紧邻基板103，在基板103上布置有高频芯片101。高频芯片101延伸超出基板103的端部边缘108，并且突出到波导107中。在高频芯片的上侧或下侧处布置有耦合元件401(参照图4)，经由耦合元件401来发射HF传输信号。也能够经由该耦合元件接收在填充材料表面上反射的传输信号。
经由耦合元件401将来自芯片的高频传输信号(微波信号)直接耦合到波导中。通过消除从微波芯片到另一介质(例如，印刷电路板(PCB)、远离的鳍、远离的引脚)的HF信号传输，改善了信号传输性能。通过直接的和简化的耦合结构显著地减小了在天线附近区域中出现的“振铃(Klingeln)”效应，其中，“振铃”效应可以导致天线附近区域中的不准确的测量距离。通过减小插入损耗来提高系统的灵敏度。因为高要求的HF信号传输不需要连接技术，所以也简化了设计工艺。
与片上天线方案相比，这种布置具有如下优点：天线能够布置在波导107上方，即，与基板间隔开。由此，在高温应用中，能够将电子器件布置成更远离天线。
换句话说，将来自芯片的微波信号直接耦合到波导中，其中，耦合元件自身是高频芯片的部件并且至少部分地突出到波导中。如图4所示，耦合引脚401形成在芯片表面上。波导布置在它的周围和上方。芯片至少部分地(但也可能完全地)位于波导内。也可以使用小型贴片(即，平面发射元件)，以代替耦合引脚。
如图1所示，芯片下方的谐振腔104可以是未填充的，或者如图2所示，谐振腔104可以填充有电介质106。耦合引脚通常位于其布局的芯片部件的上侧。耦合引脚也可以位于芯片的下侧。在这种情况下，相应地设计芯片的布局和其它结构。
如图2所示，谐振腔自身能够集成在基板103中，其中，基板103是印刷电路板等。在这种情况下，基板103形成有凹槽(cavity)，波导107能够嵌入到凹槽中。
HF芯片自身能够粘合在基板上并通过接合技术与电源电接触，并且接收控制信号。例如，通过将芯片嵌入到支撑材料中并且通过经由结构化的金属化层实现的电连接，可以提供替代的接触。在这种情况下，芯片完全嵌入到材料(例如，塑料)中。表面设置有金属化层，连接线位于金属化层中。也能够在整个装置上安装用于信号聚焦的透镜。
上述类型的供电也能够用于激励其它类型的天线。
所示的接合线102仅用于向芯片提供电力和其它信号。接合线102不承载微波信号。
图3示出了具有容器301的测量架构，填充材料302位于容器301中。填充物位测量装置300安装在容器上方，并具有高频雷达模块200，高频雷达模块200具有上述的波导耦合结构。在喇叭天线105的端部处可安装有介电透镜108。对于透镜108来说，附加地或替代地，在波导内可设置有气密的过程密封件109，以将芯片与容器大气隔离。
图4示出了具有与耦合元件401连接的高频信号产生单元402的高频芯片101的平面图。
示出的高频信号产生单元具有引脚(线路部分)形式的耦合元件。替代地，可以设置单个的贴片或贴片阵列。
另外，应注意，“包括”和“具有”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或者“一个”不排除多个。另外，应理解，参照上述实施例说明的特征或步骤也能够与上述实施例的其他特征或步骤组合使用。权利要求中的附图标记不视为限制。

Claims (11)

1.一种用于填充物位雷达(300)的波导耦合结构(100)，其包括：
波导(107)；
用于产生高频传输信号的高频芯片(101)，其至少部分地布置在所述波导中；
其中，所述高频芯片具有用于将所述传输信号耦合到所述波导中的耦合元件(401)。
2.根据权利要求1所述的波导耦合结构，
其中，所述耦合元件(401)被设计成耦合引脚。
3.根据权利要求1或2所述的波导耦合结构，
其中，所述耦合元件(401)布置在所述高频芯片(101)的上侧。
4.根据权利要求1或2所述的波导耦合结构，
其中，所述耦合元件(401)布置在所述高频芯片(101)的下侧。
5.根据前述权利要求中任一项所述的波导耦合结构，其还包括：
基板(103)，所述高频芯片(101)安装在所述基板上，
其中，所述基板安装至所述波导(107)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的波导耦合结构，
其中，所述波导(107)具有谐振腔(104)，所述谐振腔集成在所述基板(103)的凹槽中。
7.根据权利要求6所述的波导耦合结构，
其中，所述高频芯片(101)下方的所述谐振腔(104)填充有电介质(106)，所述电介质至少被填充至所述高频芯片的下侧所处的平面。
8.根据前述权利要求中任一项所述的波导耦合结构，其还包括：
天线喇叭(105)，其安装至所述波导(107)的端部。
9.根据前述权利要求中任一项所述的波导耦合结构，
其中，所述高频芯片(101)粘合至所述基板(103)。
10.一种用于填充物位雷达的高频雷达模块(200)，其包括：
根据前述权利要求中任一项所述的波导耦合结构(100)。
11.一种具有根据权利要求10所述的高频雷达模块(200)的填充物位雷达。
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