CN115135997A - 用于对反射的微波进行传输测量的设备和方法 - Google Patents

Abstract

用于通过测量和分析反射的微波对测量对象进行传输测量的设备，所述设备具有如下内容：微波生成器；发送和接收单元，其与微波生成器连接并且将微波射束发送到测量对象上并且接收由所述测量对象反射的射束；在测量对象的背向所述发送和接收单元的侧上的反射器，其具有偏振器，所述偏振器使反射的射束的偏振相对于入射的射束旋转；以及用于发送和接收单元的调制器，所述调制器确定在发出与反射的射束之间的幅度和/或相位。

Description

用于对反射的微波进行传输测量的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种用于以反射的微波进行传输测量的设备和方法。

背景技术

测量方法基于：借助于传送的微波射束确定对象的物理参数。微波进入测量对象中并且在该测量对象上或者在测量对象的后侧上的反射器上被反射。

例如在EP 1 407 254 B1中描述已知的测量方法。测量方法用于一系列的测量对象、如木材、烟草和食品，以便确定含水量。精确得知含水量对于生产工艺的过程通常是重要的且允许对产品的输出质量的可靠控制。

测量相关的物理原理基于测量对象的复数相对介电常数。通过克拉莫-克若尼关系(Kramers-Kronig-Relation)例如可以表示在复杂的介电常数与光学特性参量、如折射率和吸收系数之间的关系。粗略地说，如下得出材料的介电特性：复数介电常数的实部表示材料存储电能的能力，而虚部描述在介质中电介质能量的损失。通过测量这两个参量能够非常精确地确定材料的含水量和密度。

原则上也可以分析在测量对象中不同于水的其他物质。

一般地对于测量已经证实的是，设有用于所传送的射束的反射器。该射束在穿过介质之后由反射器回射至接收天线。为此规定，使用λ1/4偏振器或者更准确地说

λ偏振器，利用所述偏振器使反射的射束的偏振相对于入射的射束旋转。按照这种方式能够区分在测量对象的表面上反射的射束与在穿过测量对象之后反射的射束，因为这些射束具有不同的偏振。

由已经提及的文献EP 1 407 254 B1已知如下设备和测量方法，其中引入两个天线。发送天线将发出的微波射束朝测量对象定向，而独立于此的第二接收天线接收反射的射束并且将其转发用于分析。需要这样的具有两个天线的结构，因为在使用仅一个天线的情况下发生在天线输入端与输出端之间的串扰，由于所述串扰使反射的射束失真。在天线的输入端与输出端之间的该串扰使得具有两个分离的天线的高成本的结构是必要的。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种需要尽可能简单的结构的设备和测量方法。

按照本发明，所述目的通过具有权利要求1的特征的用于传输测量的设备以及具有权利要求13的特征的用于传输测量的方法实现。有利的设计方案形成从属权利要求的技术方案。

按照本发明的设备规定和确定为用于测量对象的传输测量。所述设备测量由测量对象反射的微波，应是在表面上或者在穿过测量对象之后反射的微波。对所反射的微波进行测量和分析。

按照本发明的设备具有微波生成器，所述微波生成器提供具有调整的频率和在预定频率带中的微波。所述微波生成器可以以固定或随着时间可变的频率运行。按照本发明的设备还具有发送和接收单元，所述发送和接收单元与微波生成器连接并且将微波射束发送到测量对象上并且接收由所述测量对象反射的射束。所述发送和接收单元优选具有朝测量对象定向的方向特性，该方向特性允许将存在的微波的大部分指向测量对象。按照本发明的设备还具有在测量对象的背向所述发送和接收单元的侧上的反射器，所述反射器具有偏振器，利用所述偏振器使反射的射束的偏振相对于入射的射束旋转。偏振器通过旋转或通过改变偏振用于对在偏振器或反射器上回射的微波射束与其他射束、特别是在测量物的表面上反射的射束进行区分。此外，所述设备还具有用于发送和接收单元的调制器，所述调制器确定在发出与反射的射束之间的幅度和相位。所述调制器允许在穿过测量对象的射束与所发出的射束之间的比较。按照这种方式和方法不仅可以检测射束的衰减、而且可以检测射束的位移，并且由此按照本身已知的方式反算复数相对介电常数和因此反算测量对象中的参量、例如含水量和密度。

调制器的按照本发明的应用允许足够精确地分离信号。在此，相比于在现有技术中使用的解决方案的大的优点可视为，在现有技术中使用的解决方案中设有具有衰减元件和移相器的信号路径，以便将该通道的特性精确适配于测量通道的特性(参见文献EP 1407 254 B1、例如[0030])。

按照本发明的设备优选构成为，使得所述发送和接收单元具有一个共同的天线。一个共同的天线阐明在硬件技术上和还在分析技术上对于设备所需要的耗费。调制器和特别是Q/I调制器的应用允许：在使用一个共同的天线的情况下抑制在输入与输出信号之间的串扰。Q/I调制器、也表示为Q/I解调器允许：由I/Q信号计算相位φ和幅度A。I/Q信号是两个相互正交的混频器的输出信号。这导致：Q/I调制器的I/Q输出具有90°的相移，从而可以由I/Q信号优选地在宽的范围上、与工作点无关地确定相位和/或幅度。串扰导致I/Q信号的直流偏移，该直流偏移可以在系统的第一校准中被测量和消除。

在优选的进一步扩展方案中，在调制器上存在参考信号，该参考信号恰好如发送和接收单元的信号那样来自微波生成器。

更优选地，所述微波生成器具有振荡器，所述振荡器的信号施加在分离器上，所述分离器的输出信号用作参考信号和用作用于所述发送和接收单元的输入信号。此外优选地，为参考信号和/或用于所述发送和接收单元的输入信号设置相位调节回路(PLL)，所述相位调节回路提供稳定的频率。优选地，将一个振荡器用于两个相位调节回路，由此所述两个相位调节回路的信号相位同步地运行。优选地，也可以存在用于参考信号和/或用于所述发送和接收单元的输入信号的信号调理部。利用所述信号调理部可以在每个通道中或者仅在一个通道中在幅度、频率和相位方面对信号进行调理。信号调理部为此具有如下组件中的一个或多个：放大器、低通滤波器和衰减器。优选地是设有两个信号调理部的情况。

附加地，可以设有用于参考信号和/或所述发送和接收单元的输入信号的移相器。所述移相器可以设置为单独的构件，或者按照数字方式和方法在相位调节回路中调整所期望的相移。所述移相器例如可以在设备的首次校准中这样调整，由此减小/降低和/或维持I和Q信号的偏移，所述I和Q信号来自在微波天线的输入与输出之间的串扰。由此能够更简单地去除串扰。

在相位旋转的情况下对所入射的微波射束进行反射的反射器优选构成为1/4(2n+1)λ波片。这样的波片通常也简称为λ1/4反射器。通过所述反射器使相位相对于入射的相位旋转了90°，这引起相位的最大分离精度

在一个优选设计方案中，所述Q/I调制器具有两个相互正交的混频器。这些混频器分别通过输入信号馈电，其中，在所述混频器中的一个混频器上存在相位位移了90°的信号。按照这种方式，所述混频器产生两个相互间旋转了90°的信号，所述信号施加在通过输入信号馈电的混频器上。

在一个优选的进一步扩展方案中，所述Q/I调制器独立于工作点地可靠地产生I和Q信号的值，该值被换算成相位和幅度。

按照本发明的目的同样通过用于测量对象的传输测量的方法实现。所述方法测量和分析所反射的微波。为此，将微波射束发送到测量对象上，并且利用天线接收由所述测量对象反射的射束。将反射的射束的偏振在经过测量对象之后相对于入射的射束旋转，并且接收反射的射束，其中，确定在发出与反射的射束之间的幅度和/或相位。特别的点在于，由发送和接收单元发送微波射束和接收所反射的微波射束。在Q/I调制器中确定反射的射束的幅度和/或相位，优选地，为此存在用于Q/I调制器的参考信号。所述参考信号和所反射的射束的信号允许Q/I调制器精确地确定在反射的射束的幅度和/或相位方面的变化。

附图说明

以下借助一些附图更详细地描述本发明。图中：

图1示出朝测量对象定向的发送和接收单元，

图2以强烈简化的示意图示出整个测量设备，

图3示出图2中的测量设备的更详细的视图，

图4a、b示出I/Q解调器的工作原理，

图5示出在现有技术中利用两个天线测量时的信号路径，

图6示出穿过测量对象和反射器的射束的走向，

图7a、b示出对于在发送和接收单元、测量物与反射器之间的射束走向的不同路径。

具体实施方式

图1示出发送和接收单元10，所述发送和接收单元将微波射束12朝测量对象14定向。入射的微波射束12在反射器16上被反射并且作为反射的射束18由所述发送和接收单元接收。输入信号20和输出信号22与发送和接收单元10的天线(未示出)连接。在输入20与输出22之间如通过箭头24示出的那样发生信号串扰。这表示：输入信号直接影响所测量的输出信号。发送和接收单元10中所使用的天线涉及具有非常良好的方向特性的天线，从而大量信号朝测量物的方向发射并且串扰24相对小。而如果串扰24较大，那么在数字化中存在问题。在这样的情况下大的偏移将填充AD转换器的位并且由此影响所述位的用于测量信号的可用性并且因此降低整体能实现的精度。

图2示出发送和接收单元10连同反射器16。图2示出振荡器26，所述振荡器的输出信号28施加在分离器30上。所述分离器30将存在的输出信号28分开并且将参考信号32施加到Q/I调制器或Q/I解调器34上。分离器30的第二输出信号作为输入信号36施加在发送和接收单元10上。发送和接收单元10的天线发出存在的输入信号36作为微波射束12并且也接收反射的微波射束18。输入信号40通过输出连接施加在Q/I解调器34上。解调器产生Q信号42和I信号44，在下文中还阐明所述解调器的工作原理。

图3进一步详细地示出图2中的发送和接收单元10的结构。振荡器26以及分离器30可以详细地由参考振荡器46构造，所述参考振荡器给两个PLL(相位调节回路)48a、48b馈电。相位调节回路48a、48b也称为“锁相环”并且基于参考振荡器46产生两个同步的振动，这相应于在图2中的分离器的两个输出信号。图3附加地在导向至发送和接收单元的路径中示出移相器50，所述移相器例如可以被一同安装到相位调节回路中。移相器50可以一同集成到一个或两个相位调节回路48a、48b中。移相器50的目的在于，在调整或校准设备时降低在Q信号与I信号之间的偏移，由此也降低来自串扰的信号部分。

图3还示出信号调理部52a和52b，所述信号调理部分别包括放大器54、低通滤波器56和衰减环节58。信号调理部52a和52b原则上可以不同地构成。经调理的信号作为参考信号32和作为输入信号40施加在Q/I解调器34上，以便产生Q信号42和I信号44。

参照图4a、b更详细地阐明Q/I解调器34。图4a示出输入信号60，所述输入信号在分离器62中分为两个信号，这两个信号施加在混频器64和66上。用于混频器64的信号在分离器62中利用移相器74位移了90°，这样的分离器也称为正交混合分离器。在所述两个混频器64、66的第二输入端上存在参考信号RF，所述参考信号在分离器69中分为参考信号68和70。混频器64和66输出I信号和Q信号。图4b示出两个相互位移90°的I信号和Q信号，这两个信号可用于进一步分析。

图5示出由按照EP 1 407 254 B1的现有技术的优选设计方案。据此设有开关115，利用所述开关接通微波源100。

开关115定义随着时间线性变化的微波源100的平均频率。耦合器102将信号分为各自50％。参考信号108a通过参考分支运行至衰减和移相装置103，所述衰减和移相装置的输出作为参考信号108b施加在接收器101上。移相装置103不仅在空测量的情况下、而且在测量测量物的情况下对相对于所测量的信号110b的差别进行补偿。优选地，将补偿值相互比较，以便求取通过测量物的信号变化。测量信号110a前进到发送天线104上，由那里出来到达试样或测量对象114。在此随后到达偏振器116，以便作为反射的微波信号到达接收天线106，由所述接收天线出来施加在接收器108上。能明显看出的是，不仅应设有发送天线104而且应设有接收天线106。

图6详细示出微波射束的进程。发送和接收单元10发出微波射束，所述微波射束在穿过测量物14之前首先经过空气中的路段。测量物14施加在反射器16上，所述反射器又由至少三层构造。例如由并联导电的金属条/线组成的偏振器76、间隔保持器78和金属板80，在所述金属板上对穿过的微波射束进行反射。在此随着穿过偏振器76进行相位旋转。

反射器上的信号特性例如表现为λ-1/4旋转。入射的微波射束的所表现的偏振可以随时被分解为横向和纵向于偏振器的光栅方向的分量。平行于条纹的分量以反射系数-1、亦即旋转180°地被回射。而垂直于偏振器的分量未看出这些。射束的这部分随后在金属板上以常规的180°反相的方式被反射。由这种关系得出总体上偏振变化90°。

图7示出考虑用于分析的微波射束的可能的信号路径。应用II在此示出入射的射束82和回射的射束84的信号路径。在示例II中在空间上彼此间隔开地示出入射的微波射束82和反射的微波射束84。由此应示出，视图II是多个传输路径的叠加，其中微波射束在其总体回射至发送和接收单元10之前也可以在测量物内又前进和返回。

IVA和IVB示出微波射束在发送和接收单元10上反射的情况。入射的微波射束在其从测量物出来在发送和接收单元10上反射之前首先在测量物之内进行一次反射，以便最后作为测量射束被接收和分析。变型方案4b示出备选方案，其中反射的微波射束首先在发送和接收单元10上被反射和回射，以便紧接着在测量物之内往复运动并且最后被发送和接收单元接收。如总是在这样的考虑下常见的那样，所测量的信号的实际信号曲线不言而喻地是所有可能的曲线的叠加。

为了改进按照本发明规定的设备，可以在发送和接收单元10上设有相应的衰减器，所述衰减器来回衰减微波射束的从所述发送和接收单元至测量物的反射。按照这种方式改进测量信号的质量。

可以直接单独地在幅度A和相位φ方面进行对Q信号42和I信号44的分析。适用如下：

如果考虑：在功率下降的情况下，所探测的信号的幅度下降并且因此信号I和Q的幅度降低，那么能够更容易地定性地查看Q/I信号与工作点的独立性。通过这些以相同幅度下降，那么商和因此相位角φ保持不变。

通过使用发送和接收单元10连同使用一个单独的双偏振天线实现重要的改进。按照本发明在此设有偏振旋转器，以便接收所反射的信号。因为施加在信号的输入与输出之间的串扰信号形成直流偏移，所以这可以在系统的初始校准时进行调整。

附图标记列表

10 发送和接收单元

12 微波射束

14 测量对象

16 反射器

18 反射的微波射束

20 输入信号

22 输出信号

24 箭头/串扰/串扰信号

26 振荡器

28 输出信号

30 分离器

32 参考信号

34 Q/I解调器

36 输入信号

40 输入信号

42 Q信号

44 I信号

46 参考振荡器

48a、48b 相位调节回路

50 移相器

52a、52b 信号调理部

54 放大环节

56 低通滤波器

58 衰减环节

60 输入信号

62 分离器

64 混频器

66 混频器

68 参考信号

69 分离器

70 输入信号

72 参考振荡器

74 移相器

76 偏振器

78 间隔保持器

80 金属板

82 入射的微波射束

84 回射的微波射束

100 微波源

102 耦合器

103 衰减和移相装置

104 发送天线

106 接收天线

108 接收器

108a 参考信号

110a 测量信号

110b 测量信号

114 测量对象

115 开关

116 偏振器

Claims (15)

1.用于通过测量和分析反射的微波(18)对测量对象(14)进行传输测量的设备，所述设备具有如下内容：

-微波生成器；

-发送和接收单元(10)，所述发送和接收单元与微波生成器连接并且将微波射束发送到测量对象(14)上并且接收由所述测量对象反射的射束(18)；

-在测量对象(14)的背向所述发送和接收单元(10)的侧上的反射器(16)，所述反射器具有偏振器(76)，所述偏振器使反射的射束(18)的偏振相对于入射的射束旋转；以及

-用于所述发送和接收单元(10)的调制器，所述调制器确定在发出与反射的射束之间的幅度和/或相位。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述发送和接收单元(10)具有一个共同的天线。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述调制器构成为Q/I调制器(34)。

4.根据权利要求1至3之一所述的设备，其特征在于，在所述调制器上存在参考信号(32)，所述参考信号如发送和接收单元(10)的信号那样来自微波生成器。

5.根据权利要求1至4之一所述的设备，其特征在于，所述微波生成器具有振荡器(26)，所述振荡器的信号施加在分离器(30)上，所述分离器的输出信号(22)用作参考信号(32)和用作用于发送和接收单元(10)的输入信号(20)。

6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，设有用于参考信号(32)和/或所述发送和接收单元(10)的输入信号的相位调节回路(PLL)(48a、48b)。

7.根据权利要求1至6之一所述的设备，其特征在于，存在用于参考信号(32)和/或所述发送和接收单元(10)的输入信号的信号调理部。

8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述信号调理部具有如下组件中的一个或多个：放大器(54)、低通滤波器(56)和衰减器(58)。

9.根据权利要求1至8之一所述的设备，其特征在于，设有用于参考信号和/或所述发送和接收单元(10)的输入信号(20)的移相器(50)。

10.根据权利要求1至9之一所述的设备，其特征在于，所述反射器(16)具有1/4(2n+1)λ波片。

11.根据权利要求1至10之一所述的设备，其特征在于，所述Q/I调制器(34)具有两个彼此正交的混频器(64、66)。

12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述Q/I调制器独立于工作点地确定所述信号的相位和/或幅度。

13.用于通过测量和分析反射的微波(18)对测量对象(14)进行传输测量的方法，所述方法具有如下内容：

-由发送和接收单元(10)将微波射束发送到测量对象(14)上，并且利用天线(106)接收由所述测量对象反射的射束；

-将反射的射束的偏振在经过测量对象(14)之后相对于入射的射束旋转；以及

-接收反射的射束并且确定在发出与反射的射束之间的幅度和/或相位。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在Q/I调制器(34)中确定反射的射束的幅度和/或相位。

15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，产生用于所述Q/I调制器(34)的参考信号，所述参考信号与反射的射束一起施加在所述Q/I调制器上。

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