DE102004058862A1

DE102004058862A1 - Vorrichtung zum Aussenden und/oder Empfangen von Hochfrequenzsignalen in ein offenes oder ein geschlossenes Raumsystem

Info

Publication number: DE102004058862A1
Application number: DE102004058862A
Authority: DE
Inventors: Roland Müller
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2004-12-06
Filing date: 2004-12-06
Publication date: 2006-06-14
Also published as: US20080272968A1; US7586450B2; EP1820237A1; WO2006061328A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aussenden und/oder Empfangen von Hochfrequenzsignalen in einem offenen oder einem geschlossenen Raumsystem, wobei die Vorrichtung als Gruppenstrahlerantenne ausgestaltet ist, die die Hochfrequenzsignale mit einer vorgegebenen Ausformung der Wellenfront aussendet und empfängt, wobei es sich bei der Gruppenstrahlerantenne um eine Trägerstruktur mit aussendenden und/oder empfangenden Antennenelementen handelt, wobei die Trägerstruktur aus einem dielektrischen Material ausgestaltet ist, wobei eine Sende-/Empfangseinheit vorgesehen ist, wobei zumindest ein Speisenetzwerk für die Übermittlung der Hochfrequenzsignale zwischen der Sende-/Empfangseinheit und den aussendenden und/oder empfangenden Antennenelementen ausgestaltet ist und wobei eine Regel-/Auswerteeinheit vorgesehen ist. DOLLAR A Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige, kompakte und resistente Vorrichtung zum Senden und Empfangen von Hochfrequenzsignalen vorzuschlagen, die sich durch eine optimierte Abstrahlcharakteristik auszeichnet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aussenden und/oder Empfangen von Hochfrequenzsignalen in einem offenen oder einem geschlossenen Raumsystem, wobei die Vorrichtung als Gruppenstrahlerantenne ausgestaltet ist, die die Hochfrequenzsignale mit einer vorgegebenen Ausformung der Wellenfront aussendet und empfängt, wobei es sich bei der Gruppenstrahlerantenne um eine Trägerstruktur mit aussendenden und/oder empfangenden Antennenelementen handelt, wobei die Trägerstruktur aus einem dielektrischen Material ausgestaltet ist, wobei eine Sende-/Empfangseinheit vorgesehen ist, wobei zumindest ein Speisenetzwerk für die Übermittlung der Hochfrequenzsignale zwischen der Sende-/Empfangseinheit und den aussendenden und/oder empfangenden Antennenelementen ausgestaltet ist, und wobei eine Regel-/Auswerteeinheit vorgesehen ist.
Ein Messprinzip aus einer Vielzahl von Messmethoden den Füllstand in einem Behälter zu ermitteln, ist die Laufzeit-Messmethode. Bei der Laufzeit-Messmethode werden beispielsweise Mikrowellen bzw. Radarwellen über eine Antennenvorrichtung ausgesendet und die an der Mediumsoberfläche reflektierten Echowellen werden nach der abstandsabhängigen Laufzeit des Messsignals wieder empfangen. Aus der halben Laufzeit lässt sich demgemäß der Füllstand des Mediums in einem Behälter berechnen. Die Echokurve stellt hierbei die empfangene Signalamplitude als Funktion der Zeit dar, wobei jeder Messwert der Echokurve der Amplitude eines in einem bestimmten Abstand an einer Oberfläche reflektierten Echosignals entspricht. Die Laufzeit-Messmethode wird im wesentlichen in zwei Ermittlungsverfahren aufgeteilt: Welche sind die Zeitdifferenzmessung, die die Zeit, die ein breitbandiger Wellensignalimpuls für eine zurückgelegte Wegstrecke benötigt, ermittelt, und ein weiteres weit verbreitetes Ermittlungsverfahren ist die Bestimmung der Kippfrequenzdifferenz des ausgesendeten, frequenzmodulierten Hochfrequenzsignals zum reflektierten, empfangenen, frequenzmodulierten Hochfrequenzsignal (FMCW – Frequency-Modulated Continuous Wave).
Im Weiteren wird keine Beschränkung auf ein spezielles Ermittlungsverfahren gemacht.
In der Prozessmesstechnik werden Gruppenstrahlerantennen in planarer Ausgestaltung schon seit längerer Zeit eingesetzt, da diese untner anderem auch besondere Moden z.B. den TE 01 abstrahlen. Diese Moden haben für die Füllstandsmessungen in Behältern den Vorteil, dass Sie sich nahezu unbeeinflusst von den Einflüssen der Behälterwände ausbreiten.
Solche Ausgestaltungen von Planarantennen sind bekannt aus der Patentanmeldung DE 101 18 009 A1 und aus der Patentschrift EP 1 083 413 B1 .
Ein Nachteil von Planarantennen ist, dass diese beispielsweise in einem Prozessmessaufbau meist so angebracht sind, dass die Oberfläche der Planarantenne orthogonal zum Gravitationsfeld der Erde bzw. parallel zur Füllgutoberfläche angeordnet ist. Durch eine Temperaturdifferenz zwischen dem Füllgutes und der Planarantenne kondensieren an der Oberfläche der Planarantenne die flüchtigen Bestandteile des zu messenden Füllgutes und es bilden sich Tropfen des Kondensats. Durch Tropfenbildung des kondensierten Füllguts wird die Abstrahlcharakteristik der Antenne verändert und die Messung des Füllstandes eines Füllguts in einem Behälter verfälscht. Da sich die Kondensation des verdampfenden Füllguts bzw. Mediums an der Planarantenne nicht vermeiden lässt, wird versucht über eine strukturelle Maßnahme die Adhäsionskräfte bzw. Oberflächenspannung des kondensierten Mediums an der Materialoberfläche der Planarantenne zu überwinden. Eine solche Ausgestaltung einer angepassten Planarantenne ist in der Patentschrift US 6,684,697 B1 beschrieben, wobei die Planarantenne um einen Winkel α schräg zu einer Horizontalen H angeordnet ist. Durch die Schrägstellung hat die Gravitationskraft auch eine Kraftkomponente parallel zur Oberfläche der Planarantenne, wodurch das Kondensat angetrieben durch diese zusätzliche Kraftkomponente (Normalkraft) zu größeren Tropfen zusammen läuft und an gegebener Stelle abtropft. Die Änderung der Wellenfront bzw. der Abstrahlrichtung der Strahlungskeule durch die Schrägstellung der Planarantenne wird über eine unterschiedliche Phasenansteuerung der Antennenelementreihen kompensiert. Des Weiteren ist in der Patentschrift US 6,629,458 B1 eine Ausgestaltung einer Planarantenne aufgezeigt, in der vor die Planarantenne ein gefüllter Hohlkegel als Antennenschutzstruktur (Radome) mit einem Füllmaterial aus einem dielektrischen, thermisch isolierenden Material gesetzt wird, das den gleichen Effekt wie zuvor beschrieben hat, dass das Kondensat von der Oberfläche der Antenne abtropfen kann.
Es gibt verschiedene Arten von Planarantennen, die sich hinsichtlich ihrer auftretenden Effekte, Ausgestaltung und Herstellung unterscheiden. Beispielsweise besitzen Mikrostreifen-Flächenstrahler-Antennen (Microstrip-Patch-Antennas) eine Reihe bemerkenswerter Vorteile hinsichtlich des geringen Platzbedarfs, einfacher Herstellung sowie dem geringen Gewicht. Eine Flächenstrahler-Antenne besteht im einfachsten Fall aus einer rechteckförmigen Metallfläche (Flächenstrahler), die auf einem dielektrischen Substrat über einer leitenden Grundfläche aufgebracht ist. Es wird noch eine Vielzahl weiterer möglicher Formen für spezielle Anwendungen, wie z.B. kreisförmige, elliptische, dreieckige sowie ringförmige Flächenstrahler verwendet. Die unterschiedlichen Formen dienen beispielsweise zur Erhöhung der Bandbreite des ausgesendeten Hochfrequenzsignals oder zur Anregung verschiedener Moden.
Die einfachste Art der Anregung erfolgt beispielsweise mit Hilfe von Streifenleitungen, die in derselben Substratebene wie das Flächenstrahler-Antennenelement ausgestaltet sind. Diese Art von Anregung hat den Vorteil einer einfachen und schnellen Herstellung. Dem stehen jedoch gravierende Nachteile gegenüber, da das Speisenetzwerk und die strahlenden Antennenelemente sehr unterschiedliche Anforderungen an das Substratmaterial stellen. Aus diesem Grund weisen einschichtige Mikrostreifen-Flächenstrahler-Antennen mit noch akzeptablen Strahlungseigenschaften nur eine geringe Bandbreite auf. Abhilfe schafft die Verwendung von mehrschichtigen Strukturebenen, bei denen Strahler und Speisenetzwerk auf unterschiedlichen Trägerstrukturschichten bzw. Substratlagen angeordnet sind. Die Substrate bzw. Trägerstrukturen für Speisenetzwerk und Flächenstrahler-Antennenelemente lassen sich dann unabhängig voneinander optimal wählen. Durch den mehrschichtigen Aufbau wird jedoch eine elektrische Verbindung zwischen Speisenetzwerks- und Strahlerebene notwendig. Eine Möglichkeit ist die direkte galvanische Verbindung in Form von koaxialen Durchkontaktierungen. Eine weitere, elegantere Möglichkeit bieten über eine Koppelapertur gekoppelte Antennenstrukturen. Die Kopplung zwischen Speisenetzwerk und Antennenelementen entsteht durch schmale Koppelaperturen in der gemeinsamen Massemetallisierung. Aufgrund der Schlitzkopplung ist das Speisenetzwerk vollständig durch die Massefläche abgeschirmt, was zu sehr guten Strahlungseigenschaften bezüglich Nebenkeulen-Niveaus sowie der Kreuzpolarisation führt.
Ausgestaltungen von mehrschichtigen Planarantennen aus einer Glaskeramik sind aus der Patenschrift US 6,145,176 und der Patentanmeldung WO 02/09232 A1 bekannt. Wie auch in diesen Schriften aufgezeigt, ist es vorteilhaft die mehrschichtige Trägerstruktur auf der Basis einer Glaskeramik, die sich bei niedrigen Temperaturen (<1000°C) sintern lässt (LTCC-Low Temperature Cofired Ceramic), aufzubauen. Dieses Verfahren, bei dem mehrere dünne Schichten von Keramikmaterial im ungebrannten Zustand und strukturierten metallischen Strukturen auf der Oberfläche zusammen laminiert werden, ist für einen hoch integrierten Aufbau eines Hochfrequenzbauteils sehr einfach umsetzbar. Der planare laminierte Keramikstapel mit den metallischen Strukturen wird bei niedrigen Temperaturen gebrannt, wodurch dieser seine Endfestigkeit erhält.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige, kompakte und resistente Vorrichtung zum Senden und Empfangen von Hochfrequenzsignalen vorzuschlagen, die sich durch eine optimierte Abstrahlcharakteristik auszeichnet.
Diese Aufgabe wird nach einer ersten Ausgestaltung der Erfindung dadurch gelöst, dass die Formgebung der Trägerstruktur in Abstrahlrichtung der Gruppenstrahlerantenne von einer planaren Formgebung abweicht, und dass die Regel-/Auswerteeinheit die Abweichungen der aktuellen Form der Wellenfront von der vorgegebenen Ausformung der Wellenfront, die aufgrund der Formgebung der Trägerstruktur mit den aussendenden und/oder empfangenden Antennenelementen auftreten, kompensiert. Die Anpassung der Wellenfront auf eine vorgegebene Ausformung wird durch eine gezielte Antennenbelegung bzw. durch eine gezielte Ansteuerung und Auswertung der Phasenlage, der Frequenz und/oder der Amplitude des Messsignals der einzelnen aussendenden und/oder empfangenden Antennenelemente durch die Regel-/Auswerteeinheit erreicht. Diese elektronische Kompensation der Wellenfront des Messsignals bzw. der Abstrahlcharakteristik der geformten Gruppenstrahlerantenne, indem die Messsignalverzögerung der einzelnen Antennenelemente in der Regel-/Auswerteeinheit zurückgerechnet wird, erfordert eine erhöhte Rechenleistung der Regel-/Auswerteeinheit und eine erhöhte Verarbeitungsleistung bzw. Messperformance der Sende-/Empfangseinheit. Bei dieser Art der Kompensation der Verformung der Wellenfront ist es notwendig die aussendenden und empfangenden Antennenelemente einzelnen oder in bestimmten Gruppen mit dem speziellen auszusendenden Messsignal anzusteuern und/oder das reflektierte Messsignal wieder getrennt auszuwerten. Ein großer Vorteil der elektronischen Kompensation der Wellenfront des Messsignals ist, dass eine nahezu beliebige Wellenfront der Gruppenstrahlerantenne eingestellt werden kann und sich diese eingestellte Wellenfront durch eine verhältnismäßig einfache Änderung des Ansteuerungs- und Ermittlungsprofils der einzelnen aussendenden und empfangenden Antennenelementen oder deren Gruppen ändern oder abstimmen lässt. Ein Ausführungsbeispiel einer dreidimensionalen Patch-Antenne dessen Wellenfront über die Ansteuerung der Patches mit Messsignalen unterschiedlicher Phase erreicht wird, ist aus der Patentanmeldung GB 2 248 344 A bekannt. Gruppenstrahlerantennen, die der Form und Kontur der Umgebung eines Gerätes angepasst bzw. in dessen Oberfläche integriert sind, werden in der Literatur als konforme Antennen (conformal antennas) bezeichnet.
Eine zweite Lösung der gestellten Aufgabe ergibt sich dadurch, dass die Formgebung der Trägerstruktur in Abstrahlrichtung der Gruppenstrahlerantenne von der planaren Formgebung abweicht, und dass die aussendenden und/oder empfangenden Antennenelemente und/oder das Speisenetzwerk für die einzelnen aussendenden oder empfangenden Antennenelemente der Gruppenstrahlerantenne der Art auf und/oder in der Trägerstruktur ausgestaltet und/oder angeordnet sind, dass die Abweichungen der aktuellen Form der Wellenfront von der vorgegebenen Ausformung der Wellenfront, die aufgrund der Formgebung der Trägerstruktur auftreten, zumindest näherungsweise kompensiert sind. Eine andersartige Möglichkeit die Änderungen in der Wellenfront aufgrund der unebenen Flächenform der Trägerstruktur mit den darauf befindlichen aussendenden und empfangenden Antennenelementen zu kompensieren, besteht darin, dass die Ausgestaltung, Abstand und/oder die Größe der aussendenden und empfangenden Antennenelemente sich auf das ausgesendete und reflektierte Messsignal auswirkt und sich die vorgegebene Wellenfront erzeugen lässt. Des Weiteren ist es möglich mittels einer Anpassung des Speisenetzwerks, dass das Messsignal von der Sende-/Empfangseinheit zu den aussendenden und/oder empfangenden Antennenelementen der Gruppenstrahlerantenne und umgekehrt leitet, die Abweichung der Wellenfront von der vorgegebenen Form zu korrigieren. Unter dem Speisenetzwerk kann nicht nur ein Leitungsnetzwerk verstanden werden, in die das Hochfrequenzsignal zentral an einer Stelle eingekoppelt wird, sondern unter dem Begriff ist gleichfalls die direkte Kontaktierung der einzelnen Sende-/Empfangseinheiten mit den Antennenelementen zu verstehen, wie sie bei einer „Phased Shift Array" Antenne zu finden ist. Beispielsweise werden durch die Weglängenunterschiede des Speisenetzwerks und/oder ins Speisenetzwerk integrierte Phasenschieberelemente Unterschiede in der Phasenlage des Messsignals in den einzelnen Antennenelementen erzeugt. Dieser Unterschied in der Phasenlage des Messsignals der einzelnen Antennenelemente kompensiert den Fehler in der Form der Wellenfront und korrigiert die Abstrahlcharakteristik der Gruppenstrahlerantenne, da benachbarte Wellenpunkte des Messsignals mit gleicher Phase eine gemeinsame Wellenfront bilden. Somit kann durch ein zurückgerechnetes HF-Design von den aussendenden und empfangenden Antennenelementen und deren Speisenetzwerk eine wiederum optimierte Abstrahlcharakteristik wie bei einer planaren Gruppenstrahlerantenne erzeugt werden.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der ersten und zweiten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass die Trägerstruktur aus dem dielektrischen Material besteht, welches zumindest in einem der Verarbeitungsschritte eines Herstellungsprozesses der Gruppenstrahlerantenne formbar ausgestaltet ist. Durch die formbare Ausgestaltungsmöglichkeit der Gruppenstrahlerantenne während eines Herstellungsprozessschrittes kann die Trägerstruktur in einem Stück in eine bestimmte Form gebracht werden. Jedoch ist darauf zu achten, dass im Herstellungsprozess im Material der gewölbten Form der Gruppenstrahlerantenne keine Eigenspannungen auftreten, welche sonst zu Rissen im Material der Trägerstruktur und den aufgebrachten Antennenelementstrukturen führen können.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der ersten und zweiten Lösung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Formgebung der Trägerstruktur, die aus dem dielektrischen Material besteht, aus zusammengesetzten Planaren Teilstücken ausgestaltet ist. Eine weitere Möglichkeit, eine bestimmte Formgebung der Gruppenstrahlerantenne zu erzeugen ist es, die Trägerstruktur in Planare Teilstücke mit einem gewissen Anteil der aussendenden und empfangenden Antennenelemente aufzuteilen und diese auf einem Formelement zu fixieren. Auf dem Formelement sind zumindest eine Verbindungsleitung und/oder zumindest ein Speisenetzwerk zu der Sende-/Empfangseinheit vorgesehen, wodurch die fixierten, Planaren Teilstücke der Trägerstruktur elektrisch kontaktiert sind. Die geformte bzw. konforme Gruppenstrahlerantenne weist eine facettierte Oberflächenstruktur auf. Die teilweise Planaren Bereiche der Trägerstruktur der Gruppenstrahlerantenne lassen sich durch eine Angleichung an die vorgegebene Form mit einer dickenvariablen Schutzschicht angleichen, so dass die Oberfläche der Gruppenstrahlerantenne eine gleichmäßig gekrümmte Form einnimmt und das entstandene Kondensat somit besser ablaufen und abtropfen kann.
Eine zweckmäßige Ausgestaltung der ersten und zweiten Lösung der Erfindung ist, dass es sich bei dem dielektrischen Material der Trägerstruktur um eine Keramik, Glaskeramik, organische Materialien, einer Mischung aus Keramik mit organischen Materialien, Low Temperature Cofired Ceramics (LTCC) oder einen Teflon-Verbundwerkstoff handelt. Bei der Auswahl der Materialien für die Trägerstruktur, der aussendenden und empfangenden Antennenelemente, des Speisenetzwerks, der integrierten Sende-/Empfangseinheit und der Regel-/Auswerteeinheit ist es wichtig, dass die Ausdehnungskoeffizienten der unterschiedlichen Materialien der mehrschichtigen Trägerstruktur nahezu gleich sind. Bei der Auswahl des Materials für die Herstellung einer Gruppenstrahlerantenne ist es notwendig, dass das Material im Hochfrequenzbereich einsetzbar ist, dass das Material resistent gegen aggressive Stoffe ist und dass die Herstellung der Gruppenantenne mit dem Material sich einfach ausgestaltet. Ein Ausführungsbeispiel einer Auswahl von Glaskeramiken und Metallen, die einen minimierten Volumenschwund beim Sintern aufweisen und nahezu gleiche Ausdehnungskoeffizienten besitzen, wird in der Patentschrift DE 42 43 040 C2 beschrieben.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der ersten und zweiten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass die Trägerstruktur aus dem dielektrischen Material auf der zur Abstrahlrichtung abgewandten Seite der Gruppenstrahlerantenne einen Hohlraum bildet. In diesem strukturbedingten Hohlraum können Ablagerungen oder Kondensate des Füllguts entstehen, jedoch wirkt sich diese Einbringung von Material auf die Abstrahlcharakteristik der Gruppenstrahlerantenne kaum aus, da die aussendenden und empfangenden Antennenelemente diesem Hohlraum vorgelagert sind und die Abstrahlrichtung in Richtung Füllgut ausgestaltet ist. Ein Vorteil ist, dass in diesen Hohlraum Elektronik und weitere Sensorik untergebracht werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der beiden Varianten der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass ein Füllmaterial vorgesehen ist, das den Hohlraum hermetisch versiegelt. Damit sich kein Kondensat und kein Füllgut in dem entstandenen Hohlraum festsetzt, kann der Hohlraum durch ein Füllmaterial hermetisch versiegelt werden. Durch die hermetische Versiegelung wird die verformte Gruppenstrahlerantenne mechanisch stabilisiert und ferner wird die eingebrachte Elektronik und weitere Sensorik von der aggressiven Prozessumgebung geschützt. Der Effekt der mechanischen Stabilisation der Trägerstruktur der Gruppenstrahlerantenne kann noch durch in den Hohlraum eingebrachte Stabilisierungselemente erhöht werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung beider Varianten der erfindungsgemäßen Lösung schlägt vor, dass die Trägerstruktur als eine mehrschichtige Trägerstruktur mit mehreren Lagen ausgestaltet ist. Die mehrschichtige Ausführung der Trägerstruktur hat den Vorteil, dass komplexere dreidimensionale Strukturen der aussendenden und empfangenden Antennenelemente, des Speisenetzwerks, der Sende-/Empfangseinheit und der Regel-/Auswerteeinheit ausgestaltet werden können. Des Weiteren können durch die mehrschichtige Ausführung der Trägerstruktur die HF-Eigenschaften des Materials jeder Lage auf die HF-Eigenschaften der darauf befindlichen Strukturen angepasst werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung nach der ersten und zweiten Lösung der Erfindung ist darin zu sehen, dass die aussendenden und/oder empfangenden Antennenelemente auf und/oder zwischen zumindest einer Lage der mehrschichtigen Trägerstruktur angeordnet sind. Auf Grund der mehrschichtigen Ausgestaltung der Trägerstruktur können die Antennenelemente auch über mehrere Schichten aufgebaut sein, wodurch die Schichten der Trägerstruktur auf die hochfrequenztechnischen Eigenschaften der jeweiligen aufgebrachten oder eingebrachten Strukturen (z.B. Antennenelemente, Speisenetzwerk, Elektronik) angepasst sind. Durch die mehrschichtige Ausgestaltung der Trägerstruktur sind somit auch komplexere dreidimensionale Strukturen realisierbar.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der ersten und zweiten Variante der erfindungsgemäßen Lösung wird vorgeschlagen, dass eine Schutzschicht vorgesehen ist, die auf die Trägerstruktur oder die mehrschichtige Trägerstruktur aufgebracht wird. Diese Schutzschicht kann aus dem gleichen oder ähnlichen Material wie die Trägerstruktur aufgebracht sein. Beispielsweise wenn die Gruppenstrahlerantenne aus einer mehrschichtigen Glaskeramik aufgebaut ist, wird als Schutzschicht über die aussendenden und empfangenden Antennenelementen im Herstellungsprozess der Gruppenstrahlerantenne eine dünne Glaskeramikschicht aufgebracht, die durch die Materialzusammenstellung in den HF-Eigenschaften, wie z.B. Dämpfung des HF-Signals, temperaturstabiler DK-Wert, und den chemischen Eigenschaften, wie z.B. Gasdichtigkeit, chemische Resistenz, optimiert ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform beider erfindungsgemäßer Lösungen ist, dass es sich bei der Gruppenstrahlerantenne um eine Streifenleiter-, eine Schlitz-, eine Schleifen-, oder eine Flächenstrahler-Antenne mit entsprechenden aussendenden und empfangenden Antennenelementen oder um eine Kombination daraus handelt.
Eine Variante der beiden erfindungsgemäßen Lösungen besteht darin, dass die Trägerstruktur mit den aussendenden und/oder empfangenden Antennenelementen zumindest eine Erhebung und/oder zumindest eine Vertiefung in Abstrahlrichtung der Gruppenstrahlerantenne aufweist.
Eine sehr vorteilhafte Variante der beiden erfindungsgemäßen Lösungen ist darin zu sehen, dass es sich bei der Vertiefung und/oder Erhebung um zumindest eine Kegelform, zumindest eine Pyramidenform, zumindest eine Tetraederform, zumindest eine konkave Form, zumindest eine konvexe Form oder zumindest eine Keilform des Profils der Trägerstruktur handelt. Durch die Ausgestaltung der Erhebungen und Vertiefungen mit geometrischen Formen, die einen sich verjüngenden hervorstehenden Bereich aufweisen, werden die sich auf der Oberfläche befindlichen Kondensattropfen durch die Gravitationskraft und der daraus resultierende Normalkraft angetrieben zu größeren Kondensattropfen zusammen zulaufen. Diese hervorstehenden Bereiche können in einer beliebigen Anzahl auf der Oberfläche der Gruppenstrahlerantenne ausgearbeitet sein. Des Weiteren ist eine Kombination aus verschiedenen Profilen bzw. geometrischen Formen auf einer Trägerstruktur denkbar. Das Kräftegleichgewicht zwischen den Adhäsionskräften der Kondensattropfen und der einwirkenden Gravitation wird aufgehoben, wenn die Kondensattropfen zu schwer werden oder die Auflagefläche auf der Oberfläche durch strukturelle oder chemische Veränderung (z.B. Oberfläche mit Lotus-Effekt) vermindert wird, wodurch die Kondensattropfen von der Oberfläche der Gruppenstrahlerantenne abtropfen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform beider erfindungsgemäßer Varianten besteht darin, dass die Trägerstruktur mit der Erhebung und/oder der Vertiefung zumindest eine Abrisskante oder Abrisspunkt aufweist. Durch die Abrisskante oder den Abrisspunkt wird die Adhäsionskraft der ablaufenden Tropfen des Kondensates aufgehoben und das Kondensat tropft als Tropfen ab. Diese Abrisskante ist meist schon durch die geometrische Ausformung der Trägerstruktur gegeben. Beispielsweise bei einer Ausformung der Trägerstruktur als Kegelstrumpf oder ähnlichen geometrischen Gebilden ist keine Abrisskante sondern nur ein eindimensionaler Abrisspunkt ausgebildet.
Eine vorteilhafte Ausführungsform beider erfindungsgemäßen Lösungen ist, dass es sich bei dem geschlossenen Raumsystem um einen Behälter handelt.
Eine sehr vorteilhafte Variante der beiden erfindungsgemäßen Vorrichtungen ist darin zu sehen, dass die aussendenden und/oder empfangenden Antennenelemente und das Speisenetzwerk aus einem leitfähigen Material und/oder einem Metall bestehen. Damit die Hochfrequenzsignale bzw. elektromagnetischen Wellen als Leitungswellen geführt werden können, müssen die Antennenelemente und das Speisenetzwerk aus einem leitfähigen Material bestehen. Hierzu werden meist Strukturen aus einem Metall aufgebracht, jedoch ist es auch möglich beispielsweise leitfähige Bereiche in der Keramik, Glaskeramik herzustellen, indem gewisse leitfähigen Materialien in diese Bereiche eingebracht werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der beiden erfindungsgemäßen Vorrichtungen ist, dass auf der zur Abstrahlrichtung abgewandten Seite der Trägerstruktur der Gruppenstrahlerantenne im Hohlraum die Sende-/Empfangseinheit und/oder die Regel-/Auswerteeinheit ausgestaltet ist. Durch die Ausgestaltung der dünnen Trägerstruktur entsteht auf der dem Füllgut abgewandten Seite ein Hohlraum. Dieser Hohlraum wird dazu benutzt, die HF-Elektronik der Sende-/Empfangseinheit in die Struktur der Gruppenstrahlerantenne zu integrieren. Durch Ausfüllen des Hohlraumes mit einem Füllmaterial wird die Gruppenstrahlerantenne mit integrierter Elektronik druckfest gemacht und versiegelt.
Eine ergänzende Ausführung der beiden erfindungsgemäßen Vorrichtungen ist, dass die Sende-/Empfangseinheit und/oder die Regel-/Auswerteeinheit in einer Lage der mehrschichtigen Trägerstruktur oder auf der Trägerstruktur integriert ist. Wird die LTCC-Technik für den Aufbau der Gruppenstrahlerantenne verwendet, kann in einigen Lagen der mehrschichtigen Trägerstruktur die Sende-/Empfangseinheit und/oder die Regel-/Auswerteeinheit ausgestaltet werden. Dies hat den Vorteil, dass Verbindungsleitungen zwischen den einzelnen Elektroniken eingespart werden können und durch die kürzeren Wege das Hochfrequenzsignal verlustfreier erzeugt und weitergeleitet werden kann.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der beiden erfindungsgemäßen Vorrichtungen ist, dass die Einspeisung des Hochfrequenzsignals aus der Sende-/Empfangseinheit in das Speisenetzwerk und/oder die aussendenden und empfangenden Antennenelemente der Gruppenstrahlerantenne über ein Koaxialleitung oder einen Hohlleiter erfolgt. Die Elektronik ist meist außerhalb des Prozessraums angebracht, so dass zwischen der Elektronik und der Gruppenstrahlerantenne 1 eine elektromagnetische Verbindung notwendig ist. Diese Verbindungsmöglichkeit kann über eine Koaxialleitung 27 erfolgen oder über einen Hohlleiter 29, worin das Hochfrequenzsignal 14 geleitet wird.
Eine vorteilhafte Ausführungsform beider erfindungsgemäßen Lösungen ist, dass die Regel-/Auswerteeinheit 23 mittels der Laufzeitmessung der ausgesendeten zu den empfangenen Hochfrequenzsignalen 14, den Füllstand 4 eines Füllguts 5 in dem offenen oder dem geschlossenen Raumsystem 2 ermittelt. Die Vorrichtung aus der Gruppenstrahlerantenne 1, der Sende-/Empfangseinheit 25 und der Regel-/Auswerteeinheit 23 wird zur Bestimmung des Füllstands 4 in einem Behälter 3 verwendet. Die Vorrichtung arbeitet nach den gebräuchlichen Laufzeit-Messmethode, Die Laufzeit-Messmethode wird grundsätzlich in zwei Ermittlungsverfahren aufgeteilt: Welche sind, die Bestimmung der Zeitdifferenz, die ein ausgesandter hochfrequenter Signalimpuls für eine zurückgelegte Wegstrecke benötigt; ein weiteres weit verbreitetes Ermittlungsverfahren ist die Bestimmung der Frequenzdifferenz des ausgesendeten Hochfrequenzsignals 14,S zum reflektierten, empfangenen Hochfrequenzsignal 14,R (FMCW – Frequency Modulated Continuous Wave), wobei die Frequenz des ausgesendeten Hochfrequenzsignals 14,S kontinuierlich verändert wird.
Die Erfindung und ausgewählte Ausführungsbeispiele werden anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Zur Vereinfachung sind in den Zeichnungen identische Teile mit dem gleichen Bezugszeichen versehen worden. Es zeigt:
1 : eine schematische Draufsicht einer ersten Ausführungsform als Patch-Gruppenstrahlerantenne,
2 : eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform gemäß der Kennzeichnung A-B in 1,
3 : eine schematische Draufsicht einer zweiten Ausführungsform als Microstreifen-Gruppenstrahlerantenne,
4 : eine Schnittansicht der zweiten Ausführungsform gemäß der Kennzeichnung C-D in 3,
5 : eine weitere Schnittansicht der zweiten Ausführungsform gemäß der Kennzeichnung C-D in 3,
6 : eine schematische Gesamtdarstellung eines auf einem Behälter montierten Messgerätes mit einer erfindungsgemäßen Gruppenstrahlerantenne, und
7 : LTCC-Prozessfolge zur Herstellung einer ertindungsgemäßen Gruppenstrahlerantenne.
In 1 wird ein Ausführungsbeispiel von der Gruppenstrahlerantenne 1 als eine sog. Patch-Gruppenantenne mit Flächenstrahlerelementen aufgezeigt. Antennen mit einer gerichteten Abstrahlcharakteristik 20 bzw. einer Richtwirkung, können durch eine Zusammenfassung von Einzelstrahlern bzw. einzelnen Antennenelementen 6 zu einem Array oder einer Matrix synthetisiert werden. Die Flächenstrahlerelemente der aussendenden und empfangenden Antennenelemente 6 sind beispielsweise konzentrisch bzw. radialsymmetrisch angeordnet. Aufgrund der Ausgestaltung der aussendenden und empfangenden Antennenelemente 6 lässt sich die Änderung in der Richtwirkung bzw. Abstrahlcharakteristik 20 durch die Formgebung der Gruppenstrahlerantenne 1, die in der Schnittansicht in 2 ersichtlich ist, kompensieren. Die magnetischen Flächenstromdichten in der Koppelaperturschicht 31 und den Antennenelementen 6 ist bekannt, sodass mit Hilfe der Greenschen Funktionen daraus die Abstrahlcharakteristik des Fernfeldes der Gruppenantenne bestimmt werden kann. Die Änderung der Größe der Flächenstrahlerelemente hat eine Auswirkung auf die Abstrahlcharakteristik 20 der einzelnen aussendenden und empfangenden Antennenelemente 6 und hat somit durch die Überlagerung der einzelnen Abstrahlcharakteristiken 19 der einzelnen Antennenelementen 6 auch einen Effekt auf die Richtcharakteristik 20 und die Wellenfront 15 der gesamten Gruppenstrahlerantenne 1 im Fernfeld. Die Flächenstrahlerelemente weisen beispielsweise eine quadratische Fläche auf, die in der 2 durch die Draufsicht auf eine halbkugelförmige Formgebung der Gruppenstrahlerantenne 1 als trapezförmige Flächen dargestellt sind. Auf die Darstellung der Schutzschicht 13 über der Lage 12 mit den aussendenden und empfangenden Antennenelementen 6 wurde aus Gründen der Darstellbarkeit in der 1 verzichtet.
In 2 ist eine Schnittansicht der Gruppenstrahlerantenne 1 aus 1 gemäß der Kennzeichnung A-B gezeigt. In die mehrschichtige Trägerstruktur 11 sind die aussendenden und empfangenden Antennenelemente 6, das Speisenetzwerk 24 und die Sende-/Empfangseinheit 25 in den spezifischen Lagen 12 der mehrschichtigen Trägerstruktur 11 integriert. Die einzelnen Strukturen und Antennenelemente, die auf die Lagen 12 der mehrschichtigen Trägerstruktur 11 aufgebracht sind, werden über Durchkontaktierungen (Vias), die im Herstellungsprozess in die Lagen 12 eingebracht wurden, untereinander über die Lage 12 hinweg elektrisch kontaktiert. Die Materialien jeder Lage 12 in der mehrschichtigen Trägerstruktur 11 sind auf die hochfrequenztechnischen und mechanischen Eigenschaften der eingebrachten Strukturen und Antennenelemente 6 angepasst. Eine weitere Möglichkeit, die nicht in 2 gezeigt ist, wird durch aperturgekoppelte Strukturen realisiert. Die Kopplung beispielsweise zwischen Speisenetzwerk 24 und aussendenden und empfangenden Antennenelementen 6 erfolgt durch schmale Koppelaperturen, die aus einer mit Masse belegten, metallisierten Koppelaperturschicht 31 heraus gearbeitet sind. Aufgrund der Schlitzkopplung ist das Speisenetzwerk 24 vollständig durch die Massefläche abgeschirmt, was zu sehr guten Strahlungseigenschaften bezüglich Nebenkeulen Niveaus sowie der Kreuzpolarisation des Messsignals 14 führt.
Die mehrschichtige Trägerstruktur 11 hat eine Formgebung als Kugelabschnitt mit einem großen Radius wodurch das Kondensat 33 angetrieben durch die Gravitationskraft G abläuft. Zum Schutz und zur Verminderung der Adhäsionskräfte des Kondensats 33 ist auf die Lage 12 mit den aussendenden und empfangenden Antennenelementen 6 eine Schutzschicht 13 aufgebracht. Diese Schutzschicht 13 kann in der Art und Weise modifiziert werden, beispielsweise mit einer hydrophobe Oberfläche, so dass der Kontaktwinkel der Kondensattropfen möglichst groß ist und die Auflagefläche des Kondensattropfens 33 verringert wird. Durch die Verringerung der Auflagefläche des Kondensattropfens 33 wird auch die Adhäsionskraft, die den Kondensattropfen 33 auf der Oberfläche festhält, kleiner. An dem räumlich gesehen tiefsten Punkt der Schutzschicht 13 ist eine Abrisskante oder Abrisspunkt 18 für Kondensattropfen 33 ausgearbeitet, wovon die auf der Schutzschicht 13 ablaufenden Tropfen abtropfen. Es sind auch weitere Formgebungen der Trägerstruktur 10 umsetzbar, wie z.B. Kegelform, Keilform, Wellenform, und es ist auch angedacht, diese auch mehrfach in der Trägerstruktur 10 auszubilden. Durch die Formgebung der dünnen Trägerstruktur 10 oder mehrschichtigen Trägerstruktur 11 entsteht auf der zur Abstrahlrichtung 19 abgewandten Seite der Gruppenstrahlerantenne 1 ein Hohlraum 21, der wegen der Bildung von Kondensattropfen 33 hermetisch mit einem Füllmaterial 22 versiegelt ist.
Über eine Verbindungsleitung 28 kommuniziert die in die mehrschichtige Trägerstruktur 11 integrierte Sende-/Empfangseinheit 25 mit der Regel-/Auswerteeinheit 23. Diese Verbindungsleitung 28 wird beispielsweise in einem eingegossenen Rohr, das auch zur Befestigung der Gruppenstrahlerantenne 1 und als Leitung der elektrischen Masse 32 dient, geführt. Die Regel-/Auswerteeinheit 23 ist über einen Feldbus 26 mit einer entfernten Leitstelle oder weiteren Messgeräten 7 verbunden. Über diesen Feldbus 26 wird das Messgerät 7 nach der Zweileitertechnik auch mit Energie versorgt. Es kann natürlich auch eine zusätzliche Energieversorgungsleitung vorgesehen werden, was aber in 2 nicht explizit gezeigt ist.
In 3 wird ein Ausführungsbeispiel einer Gruppenstrahlerantenne 1 als eine Microstrip-Antenne bzw. Mikrostreifenleiterantenne aufgezeigt. Die aussendenden und empfangenden Antennenelemente 6 sind symmetrisch angeordnet und verändern von innen nach außen die Größe. Aufgrund der Größenänderung der aussendenden und empfangenden Antennenelemente 6 lässt sich die Formgebung der Gruppenstrahlerantenne 1 und die damit zusammenhängende veränderte Abstrahlcharakteristik 20 und die veränderte Wellenfront 15 des Hochfrequenzsignalimpulses 14 der Gruppenstrahlerantenne 1, kompensieren. Die Hochfrequenzsignale werden beispielsweise über eine Einkopplungsstruktur 30 und ein Speisenetzwerk 24 an die aussendenden und empfangenden Antennenelementen 6 weiter geleitet. Das Hochfrequenzsignal 14 wird von den aussendenden Antennenelementen 6 in den Freiraum abgestrahlt. Über der Lage 12 mit den aussendenden und empfangenden Antennenelementen 6 ist andeutungsweise eine weitere Lage 12 als Koppelaperturschicht bzw. Koppelaperturblende 31 angebracht. Diese Koppelaperturblende 31 ist in den meisten Fällen aus einem leitfähigen Material ausgestaltet oder mit einem leitfähigen Material beschichtet und hat an den Stellen, wo sich in der unteren Lage 12 die aussendenden und empfangenden Antennenelemente 6 befinden, Ausnehmungen vorgesehen. Auf die Darstellung der Schutzschicht 13 über der Lage 12 mit den aussendenden und empfangenden Antennenelementen 6 wurde aus Gründen der Darstellbarkeit in der 3 verzichtet.
In 4 ist eine mögliche Schnittansicht der Gruppenstrahlerantenne 1 aus 3 gemäß der Kennzeichnung C-D gezeigt. Das Profil 8 der Gruppenstrahlerantenne 1 ist als eine Kegelform ausgebildet. Die aussendenden und empfangenden Antennenelemente 6 sind auf der dem Füllgut 5 zugewandten Seite der Trägerstruktur 10 aufgebracht und werden über ein Speisenetzwerk 24 mit dem Hochfrequenzsignal 14 gespeist. Auf der dem Füllgut 5 abgewandten Seite der Trägerstruktur 10 ist einen elektrische Masseschicht 32 aufgebracht, die einen elektrischen Kontakt mit dem Rohr hat, in dem die Verbindungsleitung 28 geführt wird. Über die aussendenden und empfangenden Antennenelemente 6 ist eine Schutzschicht 13 angebracht, die die leitenden Strukturen vor Korrosion und Ansatz durch die aggressiven Medien bzw. Füllgut 5 schützt. In der Sende-/Empfangseinheit 25 wird der auszusendende Hochfrequenzsignalimpuls 14 erzeugt und das reflektierte Hochfrequenzsignal 14 wieder empfangen und vorverarbeitet. Diese Sende-/Empfangseinheit 25 ist in dieser Ausführungsform räumlich von der Regel-Auswerteeinheit 23 getrennt auf einer separaten Platine aufgebracht, die in den Hohlraum 21 eingebracht und zum Schutze mit dem Füllmaterial 22 hermetisch versiegelt ist. Über eine Verbindungsleitung 28 ist die Sende-/Empfangseinheit 25 mit der Regel-/Auswerteeinheit 23 verbunden und gleichzeitig über eine Koaxialleitung 27 über eine Einkopplungsstruktur 30 mit dem Speisenetzwerk 24 verbunden. Die Verbindungsleitung ist bei einer analogen Messsignalübermittlung beispielsweise als Koaxialleitung 27 ausgeführt, wird jedoch das Messsignal 14 schon in der Sende-/Empfangseinheit 25 vorverarbeitet und digitalisiert, ist eine einfache Datenleitung ausreichend. Bei der Einkopplungsstruktur 30 handelt es sich in dieser Ausführung beispielsweise um eine Koaxialsteckverbindung. Die Regel- /Auswerteeinheit 23 kommuniziert über den Feldbus 26 mit einer entfernten Leitstelle oder weiteren Messgeräten 7.
In 5 ist eine weitere mögliche Schnittansicht der Gruppenstrahlerantenne 1 aus 3 gemäß der Kennzeichnung C-D gezeigt. Das Profil 8 der Gruppenstrahlerantenne 1 ist wiederum als eine Kegelform ausgebildet. Der Aufbau der Gruppenstrahlerantenne 1 hat jedoch zumindest zwei grundlegende Unterschiede zu der Schnittansicht der Gruppenstrahlerantenne 1 in 4. Der erste Unterschied ist, dass die Sende-/Empfangseinheit 25 direkt an die Regel-/Auswerteeinheit 23 gekoppelt ist und dass das Hochfrequenzsignal 14 durch elektromagnetische Wellen über einen Hohlleiter 29 an eine Einkopplungsstruktur übertragen wird. Und der zweite Unterschied ist, dass die aussendenden und empfangenden Antennenelemente 6 als Leiterstrukturen in einer Lage 12 der Trägerstruktur 10 ausgestaltet sind und über dieser Lage 12 eine Koppelaperturschicht 31 aus einem leitfähigen Material oder leitfähigen Materialbeschichtung mit Ausnehmungen an der Stelle der aussendenden und empfangenden Antennenelemente 6 angebracht ist. Diese Ausnehmungen sind so ausgestaltet, dass ein Hochfrequenzsignal 14 bzw. eine elektromagnetische Welle mit einer bestimmten Mode und/oder Frequenz abgestrahlt wird, wodurch sich die Abstrahlcharakteristik 20 der Gruppenstrahlerantenne 1 auch über die Größe der Ausnehmungen dieser Koppelaperturschicht 31 verändern und einstellen lässt. Eine Gruppenstrahlerantenne 1 mit einer solchen Koppelaperturschicht 31 ist aus der EP 1 083 423 A1 und der DE 101 08 993 A1 bekannt.
Die Übertragung des Messsignals 14 von der Sende-/Empfangseinheit 25 bzw. der HF-Elektronik und dem Speisenetzwerk 24 und den aussendenden und empfangenden Antennenelementen 6 wird, wie schon oben erwähnt, über elektromagnetische Wellen, die in einen Wellenleiter bzw. Hohlleiter 29 geführt werden, ermöglicht. In der Sende-/Empfangseinheit 25 wird hierbei der Hochfrequenzsignalimpuls 14 erzeugt und über eine Erregerstifteinkopplung in den Hohlleiter 29 als Sendeimpuls S ausgestrahlt. Der Hohlleiter 29 leitet den Hochfrequenzsignalimpuls 14 bis zu einer bidirektionalen Einkopplungsstruktur 30, die die freistrahlenden elektromagnetischen Wellen im Freiraum in leitungsgebundene elektromagnetische Welle umwandelt und diese an das Speisenetzwerk 24 weitergibt. Auf die gleiche Art und Weise wird das Reflexionssignal R bzw. das reflektierte Hochfrequenzsignal 14 in die andere Richtung übertragen.
In der 6 ist ein Messgerät 7, das nach der Impulslaufzeit-Messmethode den Füllstand 4 eines Füllguts 5 in einem Behälter 3 ermittelt, aufgezeigt. Das Messgerät 7 ist auf den Behälter 3 angebracht, und die Gruppenstrahlerantenne 1 mit den aussendenden und empfangenden Antennenelementen 6 ist durch eine Öffnung in den Messraum des Behälters 5 eingeführt.
Die Impulslaufzeit-Messmethode arbeitet nach folgendem Messprinzip: Über die aussendenden und empfangenden Antennenelemente 6 der Gruppenstrahlerantenne 1 werden Hochfrequenzsignalimpulse 14 bzw. ein Sendeimpuls S ausgesandt, die sich im freien Raum des Behälters 3 in der Luft oder dem Schutzgas näherungsweise mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Diese Hochfrequenzsignalimpulse 14 werden an im Abstrahlungskegel der Gruppenstrahlerantenne 1 befindlichen Materialien mit einem höheren DK-Wert als dem der Luft oder des Schutzgases teilweise oder vollständig zurückreflektiert. Über die gemessene Laufzeit des ausgesendeten Hochfrequenzsignals 14 bzw. ein Sendeimpuls S zum reflektierten Hochfrequenzsignal 14 bzw. Reflexionssignal R wird durch eine Umrechnung über die Formel der Wellengeschwindigkeit die zurückgelegte Strecke ermittelt. Diese Differenzstrecke entspricht der Höhe des Behälters 3 minus den Füllstand 4 des Füllguts 5 im Behälter 3. Da die Höhe des Behälters 3 bzw. die Position der Einkopplung des Hochfrequenzsignals 14 bekannt ist, lässt sich somit der Füllstand 4 im Behälter 3 bestimmen.
In der Sende-/Empfangseinheit 25 des Messgerätes 7 werden die Hochfrequenzsignalimpulse 14 erzeugt und über das Speisenetzwerk 24 und die Koaxialleitung 27 an die entsprechenden aussendenden Antennenelemente 6 in der Trägerstruktur 10 der Gruppenstrahlerantenne 1 weitergeleitet. Ausgesendete Hochfrequenzsignale 14, die beispielsweise wieder an der Oberfläche des Füllguts 5 reflektiert worden sind, werden von empfangenden Antennenelementen 6 der Gruppenstrahlerantenne 1 über die Speisestruktur 24 und der Koaxialleitung an die Sende-/Empfangseinheit 25 geleitet, in der die empfangenen Hochfrequenzsignale 14 elektronisch vorverarbeitet werden. Die empfangenen Hochfrequenzsignale 14 werden in der Sende-/Empfangseinheit 25 über ein Abtastverfahren bzw. sequentiellen Abtastung mit zwei in der Frequenz leicht versetzten Hochfrequenzimpulsfolgen in ein zeitgedehntes niederfrequenteres Zwischenfrequenzsignalumgewandelt. Das auf diese Weise herunter gemischte reflektierte Messsignal 14 kann anschließend im niederfrequenten Bereich von der Regel-/Auswerteeinheit 23 ausgewertet werden und Laufzeit bzw. Laufweg des ausgesandten Hochfrequenzsignals 14 ermittelt werden. Die Regel-/Auswerteeinheit 23 hat ebenso die Aufgabe die Kommunikation mit einer beispielsweise entfernten Leitstelle oder einem anderen Messgerät 7 über den Feldbus 26 zu regeln. Die durch die besondere Formgebung der Gruppenstrahlerantenne 1 hervorgerufene Veränderung der Wellenfront 15 und der Abstrahlcharakteristik 20 kann mittels der Anpassung der Phasenlage des Hochfrequenzsignals 14 der aussendenden Antennenelemente 6 elektronisch kompensiert werden. Diese elektronische Kompensation kann einerseits durch die Sende-/Empfangseinheit 25 erfolgen, in die beispielsweise eine elektronische Phasen-Verzögerungsschaltung integriert ist. Diese elektronische Phasen-Verzögerungsschaltung, die von der Regel-/Auswerteeinheit 23 gesteuert wird, erzeugt Phasenunterschiede in den Hochfrequenzsignalen 14, die über das Speisenetzwerk 24 und eine Koaxialleitung 27 an die entsprechenden aussendenden Antennenelemente 6 weitergeleitet werden. Da für jede Phasenlage des Hochfrequenzsignals 14 ein eigenes Speisenetzwerk 24 und Koaxialleitung 27 notwendig ist, ist es vorteilhaft, wie z.B. in 2 und 4 gezeigt, die Sende-/Empfangseinheit in der Trägerstruktur 10 oder im Hohlraum 21 der Gruppenstrahlerantenne 1 zu integrieren, um Verdrahtungsaufwand bzw. Koaxialleitungen 27 einzusparen. Diese elektronische Phasen-Verzögerungsschaltung lässt sich beispielsweise in einem Messaufbau über den Feldbus 26 durch die Regel-/Auswerteeinheit 23 einstellen, in dem die Abstrahlcharakteristik 20 bzw. Richtwirkung der Gruppenstrahlerantenne 1 ermittelt wird, ein Strukturprofil der Phasenverzögerung errechnet wird und das Strukturprofil in einer Speichereinheit der Regel-/Auswerteeinheit 23 abgelegt wird. In dem Messaufbau wird beispielsweise der Fehler von der vorgegebenen Abstrahlcharakteristik 19 oder der vorgegebenen Wellenfront 15 der geformten Gruppenstrahlerantenne 1 ermittelt und somit die Phasenkorrekturwerte der unterschiedlichen aussendenden und empfangenden Antennenelemente 6 bestimmt und abgespeichert. Es ist auch möglich nicht die Sende-/Empfangseinheit 25 selbst in der Trägerstruktur 10 oder dem Hohlraum 21 zu integrieren, sondern nur die elektronische Phasen-Verzögerungsschaltung, die über eine Koaxialleitung 27 von der Sende-/Empfangseinheit 25 das phasengleiche Hochfrequenzsignal 14 erhält. Die elektronische Kompensation der Phasenlage kann andererseits auch durch eine Zurückrechnung der einzelnen Messsignale 14 der Antennenelemente 6 in der Regel-Auswerteeinheit 23 erfolgen. Hierzu werden die Messsignale 14 der einzelnen Antennenelemente 6 miteinander verglichen und danach in der Phasenlage zueinander korrigiert. Diese Technik der elektronischen Kompensation der Wellenfront oder Abstrahlcharakteristik erfordert eine hohe Rechenleistung und benötigt dadurch auch mehr Zeit als die übrigen Kompensationsmethoden.
Durch die spezielle Formgebung der Gruppenstrahlerantenne 1 entstehen Vertiefungen und/oder Erhebungen 16 in der geometrischen Form der Gruppenstrahlerantenne 1, wodurch zumindest ein zum Füllgut gerichteter hervorstehender Bereich 17 entsteht. Durch die Gravitation G, die auf die Kondensattropfen 33 einwirkt, laufen diese an den hervorstehenden Bereichen zusammen und können dort an einer Abrisskante oder einem Abrisspunkt 18 sie festhaltende Adhäsionskräfte überwinden und wieder von der Oberfläche abtropfen.
In 7 wird die Prozessfolge der Herstellung einer Gruppenstrahlerantenne (1) mit einer unplanaren Trägerstruktur in der LTCC-Technik (Low Temperature Cofired Ceramics) aufgezeigt. Die Prozessfolge der Herstellung lässt sich grob in folgende Stationen untergliedern:

– A. Vorbereitung: Die im Schlickerguss auf Trägerfolie hergestellte Folie (Tape) wird als Ausgangsmaterial bezogen. Für die Weiterverarbeitung wird sie abgerollt und auf die Abschnittgröße (Coupon) zugeschnitten („Blanking"). Um Schrumpfung bei den im Folgenden notwendigen Trocknungsprozessen zu vermeiden, werden die Abschnitte der Folie getempert.
– B. Stanzen: Für Durchkontaktierungen (Vias), Kavitäten, Koppelaperturen und Positionslöcher werden die Abschnitte (Coupons) der Folie mit einem Werkzeug ausgestanzt oder mit dem Laser (z.B. YAG-Laser) heraus gearbeitet. Für die Justage der verschiedenen Prozessschritte zueinander werden Registrierbohrungen eingebracht. Schließlich wird die Trägerfolie entfernt.
– C. Füllen: Die so entstandenen Bohrungen für Durchkontaktierungen (Vias) werden im Schablonendruck bzw. Siebdruckverfahren und spezieller Vakuumtechnik mit Leiterbahnpaste verfüllt, um nach dem Sintern leitfähige Verbindungen zwischen den einzelnen Lagen der Folie zu bilden. Vor dem nächsten Verarbeitungsschritt muss die Paste im Ofen getrocknet werden.
– D. Siebdruck: Leiterbahnen, Widerstände und Kondensatoren werden durch ein Siebdruckverfahren mit den entsprechenden Leiterbahnpasten auf der Oberfläche erzeugt. Für Strukturen mit geringer Auflösung kann eine photostrukturierbare Paste aufgebracht werden, die sich photolithographisch strukturieren lässt. Auch hier muss nach jedem Druckvorgang oder Herstellungsvorgang das aufgebrachte Material getrocknet werden.
– E. Stapeln, Heften: Die so entstandenen Einzellagen müssen in der richtigen Orientierung zueinander gestapelt werden. Dies geschieht durch das Einbringen von Passstiften in die vorkonfektionierten Positionslöcher bzw. Registrierbohrungen. Die Lagen werden durch punktförmige Erhitzung oder mit Lösungsmitteltropfen aneinander geheftet, um die Registrierung bis zum Laminieren zu erhalten.
– F. Laminieren: In einer Laminierpresse (uniaxial oder isostatisch) werden die Lagen durch Druck (ca. 3000 psi) und Temperatur (ca. 80°C) innig miteinander verbunden. Die organischen Binder in der Folie spielen dabei die Hauptrolle.
– G. Thermisches isostatisches Pressen: In einer isostatischen Presse werden die miteinander verbundenen Lagen durch Druck und Temperatur in die gewünschte Form gepresst. Spezielle Hilfsmittel und Pressformwerkzeuge ermöglichen, dass der Lagenstapel seine gewünschte Form einnimmt und die Kavitäten, Leiterbahnen und sonstigen heraus gearbeiteten Strukturen nicht deformiert werden. Dieser Verfahrensschritt kann auch mit dem vorhergehenden Verfahrensschritts des Laminierens F gemeinsam ausgeführt werden, jedoch muss darauf geachtet werden, dass sich die einzelnen Lagen nicht durch die Formgebung zueinander verschieben.
– H. Ausbrennen und Sintern: Unter Einhaltung eines auf die verwendeten Materialien angepassten Temperatur-Zeit-Profils werden zuerst im Sinterofen bei ca. 400 – 500 °C die organischen Anteile von der Folie und den Pasten ausgebrannt. Danach erfolgt der Verglasungsprozess bzw. das Sintern des Verbundes zur Glaskeramik bei ca. 880-900°C. Unter Verwendung von Glaskeramik-Komposite, die nur eine geringe Volumenschrumpfung aufweisen, kann die geformte Trägerstruktur in dem Pressformwerkzeug gesintert werden, wodurch eine höhere Formtreue der geformten Gruppenstrahlerantenne zu gewährleisten ist.

Zur Verbesserung der Stabilität des geformten Materials und zur Verminderung von Eigenspannungen im Material durch die Formgebung können einzelne Lagen 12 in die Stapelfolge der mehrschichtigen Trägerstruktur 11 integriert sein, die eine bestimmte Strukturierung aufweisen. Durch die Strukturierung des Materials, z.B. als Wabenstrukturen, Kreisstrukturen, Dreieckstrukturen und Vieleckstrukturen, entstehen Versteifungen in der Stapelfolge der mehrschichtigen Trägerstruktur 11, die die mehrschichtige Trägerstruktur 11 stabilisieren. Außerdem werden Spannungen, die im Material durch die Formgebung entstehen können, durch die strukturierten Lagen 12 kompensiert und neutralisiert.

1: Gruppenstrahlerantenne
2: offenes oder geschlossenes Raumsystem
3: Behälter
4: Füllstand
5: Füllgut
6: Antennenelemente
7: Messgerät
8: Profil
9: dielektrisches Material
10: Trägerstruktur
11: mehrschichtige Trägerstruktur
12: Lage
13: Schutzschicht
14: Hochfrequenzsignale, Hochfrequenzsignalimpuls, Messsignal
15: Wellenfront
16: Vertiefung und/oder Erhebung
17: hervorstehender Bereich
18: Abrisskante, Abrisspunkt
19: Abstrahlrichtung
20: Abstrahlcharakteristik, Richtcharakteristik, Richtwirkung
21: Hohlraum
22: Füllmaterial
23: Regel-/Auswerteeinheit
24: Speisenetzwerk
25: Sende-/Empfangseinheit
26: Feldbus
27: Koaxialleitung
28: Verbindungsleitung
29: Hohlleiter
30: Einkopplungsstruktur
31: Koppelaperturschicht, Koppelaperturblende, Koppelapertur
32: Masse, Masseschicht
33: Kondensat, Kondensattropfen
S: Sendeimpuls
R: Reflexionssignal
G: Gravitation, Gravitationskraft

Claims

Vorrichtung zum Aussenden und/oder Empfangen von Hochfrequenzsignalen (14) in einem offenen oder einem geschlossenen Raumsystem (2), wobei die Vorrichtung als Gruppenstrahlerantenne (1) ausgestaltet ist, die die Hochfrequenzsignale (14) mit einer vorgegebenen Ausformung der Wellenfront (15) aussendet und empfängt, wobei es sich bei der Gruppenstrahlerantenne (1) um eine Trägerstruktur (10) mit aussendenden und/oder empfangenden Antennenelementen (6) handelt, wobei die Trägerstruktur (10) aus einem dielektrischen Material (9) ausgestaltet ist, wobei eine Sende-/Empfangseinheit (25) vorgesehen ist, wobei zumindest ein Speisenetzwerk (24) für die Übermittlung der Hochfrequenzsignale (14) zwischen der Sende-/Empfangseinheit (25) und den aussendenden und/oder empfangenden Antennenelementen (6) ausgestaltet ist, und wobei zumindest eine Regel-/Auswerteeinheit (23) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, – dass die Formgebung der Trägerstruktur (10) in Abstrahlrichtung (19) der Gruppenstrahlerantenne (1) von einer planaren Formgebung abweicht, und – dass die Regel-/Auswerteeinheit (23) die Abweichungen der aktuellen Form der Wellenfront (15) von der vorgegebenen Ausformung der Wellenfront (15), die aufgrund der Formgebung der Trägerstruktur (10) mit den aussendenden und/oder empfangenden Antennenelementen (6) auftreten, kompensiert.
Vorrichtung zum Aussenden und/oder Empfangen von Hochfrequenzsignalen (14) in einem offenen oder einem geschlossenen Raumsystem (2), wobei die Vorrichtung als Gruppenstrahlerantenne (1) ausgestaltet ist, die die Hochfrequenzsignale (14) mit einer vorgegebenen Ausformung der Wellenfront (15) aussendet und empfängt, wobei es sich bei der Gruppenstrahlerantenne (1) um eine Trägerstruktur (10) mit aussendenden und/oder empfangenden Antennenelementen (6) handelt, wobei die Trägerstruktur (10) aus einem dielektrischen Material (9) ausgestaltet ist, wobei eine Sende-/Empfangseinheit (25) vorgesehen ist, wobei zumindest ein Speisenetzwerk (24) für die Übermittlung der Hochfrequenzsignale (14) zwischen der Sende-/Empfangseinheit (25) und den aussendenden und/oder empfangenden Antennenelementen (6) ausgestaltet ist, und wobei zumindest eine Regel-/Auswerteeinheit (23) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, – dass die Formgebung der Trägerstruktur (10) in Abstrahlrichtung (19) der Gruppenstrahlerantenne (1) von der planaren Formgebung abweicht, – dass die aussendenden und/oder empfangenden Antennenelemente (6) und/oder das Speisenetzwerk (24) für die einzelnen aussendenden oder empfangenden Antennenelemente (6) der Gruppenstrahlerantenne (1) der Art auf und/oder in der Trägerstruktur (10) ausgestaltet und/oder angeordnet sind, dass die Abweichungen der aktuellen Form der Wellenfront (14) von der vorgegebenen Ausformung der Wellenfront (14), die aufgrund der Formgebung der Trägerstruktur (10) auftreten, zumindest näherungsweise kompensiert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur (10) aus dem dielektrischen Material (9) besteht, welches zumindest in einem der Verarbeitungsschritte eines Herstellungsprozesses der Gruppenstrahlerantenne (1) formbar ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgebung der Trägerstruktur (10), die aus dem dielektrischen Material (9) besteht, aus zusammengesetzten planaren Teilstücken ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem dielektrischen Material (9) der Trägerstruktur (10) um eine Keramik, Glaskeramik, organische Materialien, einer Mischung aus Keramik mit organischen Materialien, Low Temperature Cofired Ceramics (LTCC) oder einen Teflon-Verbundwerkstoff handelt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur (10) aus dem dielektrischem Material (9) auf der zur Abstrahlrichtung (19) abgewandten Seite der Gruppenstrahlerantenne (1) einen Hohlraum (21) bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Füllmaterial (22) vorgesehen ist, das den Hohlraum (21) hermetisch versiegelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 5, oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass Trägerstruktur (10) als eine mehrschichtige Trägerstruktur (11) mit mehreren Lagen (12) ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die aussendenden und/oder empfangenden Antennenelemente (6) auf und/oder zwischen zumindest einer Lage (12) der mehrschichtigen Trägerstruktur (11) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schutzschicht (13) vorgesehen ist, die auf Trägerstruktur (10) oder die mehrschichtige Trägerstruktur (10) aufgebracht wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Gruppenstrahlerantenne (1) um eine Streifenleiter-, eine Schlitz-, eine Schleifen-, eine logarithmischen Spiral- oder eine Flächenstrahler-Antenne mit entsprechenden aussendenden und empfangenden Antennenelementen (6) oder um eine Kombination daraus handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur (10) mit den aussendenden und/oder empfangenden Antennenelementen (6) zumindest eine Erhebung und/oder zumindest eine Vertiefung (16) in Abstrahlrichtung (19) der Gruppenstrahlerantenne (1) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Vertiefung und/oder Erhebung (16) um zumindest eine Kegelform, zumindest eine Pyramidenform, zumindest eine Tetraederform, zumindest eine konkave Form, zumindest eine konvexe Form oder zumindest eine Keilform des Profils (8) der Trägerstruktur (10) handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur (10) mit der Erhebung und/oder der Vertiefung (16) zumindest eine Abrisskante oder Abrisspunkt (18) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem geschlossenen Raumsystem (2) um einen Behälter (3) handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 9, 11, oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die aussendenden und/oder empfangenden Antennenelemente (6) und/oder das Speisenetzwerk (24) aus einem leitfähigen Material und/oder einem Metall bestehen.
Vorrichtung nach Anspruch 1,2, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf der zur Abstrahlrichtung (19) abgewandten Seite der Trägerstruktur (10) der Gruppenstrahlerantenne (1) im Hohlraum (21) die Sende-/Empfangseinheit (25) und/oder die Regel-/Auswerteeinheit (23) ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende-/Empfangseinheit (25) und/oder die Regel-/Auswerteeinheit (23) in einer Lage (12) der mehrschichtigen Trägerstruktur (11) oder auf der Trägerstruktur (10) integriert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspeisung des Hochfrequenzsignals aus der Sende-/Empfangseinheit (25) in das Speisenetzwerk (24) und/oder die aussendenden und empfangenden Antennenelemente (6) der Gruppenstrahlerantenne (1) über eine Koaxialleitung (27) oder einen Hohlleiter (29) erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regel-/Auswerteeinheit (23) mittels des Laufzeitmessverfahrens der ausgesendeten zu den empfangenen Hochfrequenzsignalen (14), den Füllstand (4) eines Füllguts (5) in dem offenen oder dem geschlossenen Raumsystem (2) ermittelt.