DE102012112218A1

DE102012112218A1 - Füllstandsmessgerät

Info

Publication number: DE102012112218A1
Application number: DE102012112218.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Blödt
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2012-12-13
Filing date: 2012-12-13
Publication date: 2014-07-10
Also published as: WO2014090565A1

Abstract

Es ist eine kostengünstig herstellbare und vielseitig einsetzbare Antenne für ein mit Mikrowellen nach dem Laufzeitprinzip arbeitendes Füllstandsmessgerät oder für eine Vorrichtung zur Überprüfung von Sende-, Empfangs-, Transmissions- und/oder Signalerzeugungseigenschaften von für Mikrowellen ausgelegten Einheiten (71) beschrieben, mit mindestens einer auf einem planaren dielektrischen Träger (11) vorgesehenen Einzelantenne, die einen auf dem Träger (11) vorgesehenen Dipol (15, 19, 21) aufweist, die mindestens 10, insb. 20–40, dem Dipol (15, 19, 21) in einer senkrecht zur Flächennormalen auf den Träger (11) verlaufenden Senderichtung (X) der Antenne (5, 57) vorgelagerte, in Senderichtung (X) hintereinander und voneinander beabstandet auf dem Träger (11) angeordnete, parallel zueinander und senkrecht zur Senderichtung (X) ausgerichtete, linienförmige Direktoren (17) aufweist, und die auf einer der Senderichtung (X) entgegengesetzten Seite des Dipols (15, 19, 21) angeordnete Reflektoren (31, 33) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antenne für ein mit Mikrowellen nach dem Laufzeitprinzip arbeitendes Füllstandsmessgerät zur Messung eines Füllstandes eines Füllgutes in einem Behälter oder für eine Vorrichtung zur messtechnischen Erfassung von Sende-, Empfangs-, Transmissions- und/oder Signalerzeugungseigenschaften von für Mikrowellen ausgelegten Einheiten.
Mit Mikrowellen nach dem Laufzeitprinzip arbeitende Füllstandsmessgeräte werden beispielsweise in der Mess- und Regeltechnik, sowie im Rahmen der industriellen Prozessautomatisierung, zur Messung von Füllständen eines in einem Behälter befindlichen Füllguts eingesetzt.
Die Füllstandsbestimmung nach dem Laufzeitprinzip basiert darauf, dass Sendesignale mittels einer Antenne in Richtung der Füllgutoberfläche gesendet, und deren an der Füllgutoberfläche reflektierten Signalanteile nach einer vom zu messenden Füllstand abhängigen Laufzeit mittels einer Antenne als Empfangssignale empfangen werden. Dabei wird anhand der Sende- und Empfangssignale die Laufzeit bestimmt, die die Signale für den Weg zur Füllgutoberfläche und zurück benötigt haben. Anhand der gemessenen Laufzeit und der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Mikrowellensignale wird der Abstand zwischen dem Füllstandsmessgerät und der Füllgutoberfläche berechnet, aus dem dann bei bekannter Einbauhöhe des Messgeräts über dem Behälter der Füllstand bestimmt wird.
Zur Bestimmung der Laufzeiten können alle bekannten Verfahren angewendet werden, die es ermöglichen, verhältnismäßig kurze Entfernungen mittels reflektierter Mikrowellensignale zu messen. Die bekanntesten Beispiele sind das Pulsradar und das Frequenzmodulations-Dauerstrichradar (FMCW-Radar).
Um die Füllstandsmessung möglichst unbeeinträchtigt von seitlich im Behälter eingebauten Störern, wie z.B. Behältereinbauten oder weiteren Messgeräte, ausführen zu können, werden bevorzugt Antennen eingesetzt, deren Abstrahlcharakteristiken eine einzige dominante Hauptkeule mit möglichst geringem Öffnungswinkel aufweisen.
Sehr häufig werden hierzu über eine Koaxialleitung gespeiste Hornantennen eingesetzt. Diese umfassen ein über eine Einkopplung mit Mikrowellen zu speisendes Hohlleitersegment, in der Regel einen Rundhohlleiter, an das sich ein sich in Senderichtung öffnender Trichter anschließt. Dabei ist jedoch der Öffnungswinkel der sich ausbildenden Hauptkeule umso größer, je geringer der Durchmesser des Hohlleitersegments ist. Um einen geringen Öffnungswinkel der Hauptkeule zu erzielen muss das Hohlleitersegment folglich einen vergleichsweise großen Durchmesser aufweisen. Entsprechend groß müssen auch die Öffnungen im Behälter sein, in die die Antenne eingesetzt wird. Die Betreiber industrieller Anlagen sind jedoch, insb. aus Sicherheitsgründen, bestrebt die erforderlichen Nennweiten der Behälteröffnungen möglichst gering zu halten.
Ein weiterer Nachteil von Hornantennen besteht darin, dass die Einkopplungen, über die Hornantennen gespeist werden, vergleichsweise große in der Regel metallische Bauteile sind, die mechanisch hochpräzise gefertigt werden müssen, um die gewünschten Signalübertragungseigenschaften zu gewährleisten. Einkopplungen sind dementsprechend teure Spezialanfertigungen.
Darüber hinaus ist es aus der Füllstandsmesstechnik bekannt, Antennen mit auf einen Träger aufgebrachten planaren Antennenstrukturen, wie z.B. Patchantennen, einzusetzen. Dabei wird die planare Antennenstruktur auf einer Oberseite eines dielektrischen Substrats aufgebracht, dessen Unterseite mit einer regelmäßig an Masse liegenden metallischen Beschichtung versehen ist. Diese Antennen senden Mikrowellensignale senkrecht zu der Trägerebene aus, auf die die planare Antennenstruktur aufgebracht ist. Sie weisen den Vorteil auf, dass sie kostengünstig und mechanisch hochpräzise gefertigt werden können. Einzelne Patchantennen weisen jedoch regelmäßig eine vergleichsweise schwache Richtwirkung auf, so dass zur Erzielung einer verbesserten Richtcharakteristik regelmäßig eine große Anzahl parallel betriebener Patchantennen eingesetzt werden muss. Für diese Parallelschaltung wird ein Verteilernetzwerk benötigt, das zu zusätzlichen Verlusten führt, die anteilmäßig pro Einzelantenne mit zunehmender Anzahl der parallel betriebenen Patchantennen ansteigen. Hieraus ergibt sich eine asymptotische Grenze für die durch Zusammenschaltung vieler einzelner Patchantennen erzielbare Steigerung des Antennengewinns.
Da die Antennenstrukturen regelmäßig mechanisch empfindlich sind, werden sie vorzugsweise in ein schützendes Hohlleitersegment eingesetzt. Genau wie die Hohlleitersegmente von Hornantennen sollten auch diese Hohlleitersegmente einen möglichst großen Durchmesser aufweisen, damit eine Hauptkeule mit einem möglichst geringen Öffnungswinkel erzielt werden kann.
Seit den 1920er Jahren ist ein damals von den Japanern Hidetsugu Yagi und Shinataro Uda entwickeltes Antennenprinzip bekannt, bei dem ein Dipol eingesetzt wird, dem in Senderichtung eine Reihe von parallel zum Dipol, parallel zueinander und senkrecht zur Senderichtung verlaufenden Direktoren vorgelagert werden. Diese auch unter der Bezeichnung Yagi-Uda Antennen bekannten Antennen werden üblicher Weise in Frequenzbereichen von 10–2500 MHz, z.B. im Amateurfunk, eingesetzt. Sie weisen nur einige wenige Direktoren, z.B. 3–5 Direktoren auf, und sind im Amateurfunkbereich mit Abmessungen in der Größenordnung von einem oder mehreren Metern sehr groß.
Darüber hinaus sind auf einer Leiterplatte aufgebrachte für Frequenzen von bis zu 2450 MHz ausgelegte ungerichtete Yagi Uda Antennen der Firma Kent Electronics auf dem Markt, die beispielsweise in drahtlosen Übertragungssystemen, RFID-Systemen oder Satellitenschüsseln einsetzbar sind. Diese weisen einen auf die Leiterplatte aufgebrachten über eine asymmetrische Leitung gespeisten Dipol auf, dem bis zu drei Direktoren vorgelagert sind.
Diese Antennen sind jedoch nicht in der Füllstandsmesstechnik einsetzbar, da dort eine gerichtete, vorzugsweise stark gebündelte Abstrahlung der Mikrowellensignale erforderlich ist, und die Mikrowellensignale deutlich höhere Frequenzen aufweisen. Typische Frequenzen liegen beim Pulsradar-Füllstandsmessverfahren heute im Bereich von 5 GHz–80 GHz, z.B. bei 6,3 GHz, 10 GHz, 25,5 GHz oder 78 GHz. Es ist aber durchaus vorstellbar, dass mit fortschreitender Entwicklung der Hochfrequenztechnik auch noch höhere Frequenzen, z.B. 110 GHz, einsetzbar werden.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine kostengünstig herstellbare für den Einsatz in der Füllstandsmesstechnik geeignete Antenne anzugeben.
Hierzu umfasst die Erfindung eine Antenne für ein mit Mikrowellen nach dem Laufzeitprinzip arbeitendes Füllstandsmessgerät zur Messung eines Füllstandes eines Füllgutes in einem Behälter oder für eine Vorrichtung zur Überprüfung von Sende-, Empfangs-, Transmissions- und/oder Signalerzeugungseigenschaften einer für Mikrowellen ausgelegten Einheit, mit

– mindestens einer auf einem planaren dielektrischen Träger vorgesehenen Einzelantenne,
– die einen auf dem Träger vorgesehenen Dipol aufweist,
– die mindestens 10, insb. 20–40, dem Dipol in einer senkrecht zur Flächennormalen auf den Träger verlaufenden Senderichtung der Antenne vorgelagerte, in Senderichtung hintereinander und voneinander beabstandete auf dem Träger angeordnete, parallel zueinander und senkrecht zur Senderichtung ausgerichtete, linienförmige Direktoren aufweist, und
– die auf einer der Senderichtung entgegengesetzten Seite des Dipols angeordnete Reflektoren aufweist.

Gemäß einer ersten Ausgestaltung umfassen die Reflektoren

– auf einer Ober- und/oder einer Unterseite des Trägers angeordnete elektronische Bauteile, und/oder
– auf der Ober- und/oder der Unterseite des Trägers angeordnete elektrisch leitfähige oder mit einer leitfähigen Beschichtung versehene, Wandsegmente, insb. metallische oder metallisierte Wandsegmente, Bleche oder Gehäusewandbereiche eines die jeweilige Einzelantenne umgebenden Gehäuses, und/oder
– auf der Ober- und der Unterseite des Trägers angeordnete Leitungsstrukturen verbindende Durchkontaktierungen.

Gemäß einer ersten Variante der Erfindung

– besteht der Träger aus einem Trägermaterial, das eine Dielektrizitätszahl kleiner gleich 3,5 aufweist, oder
– weist der Träger eine Basis auf,
– auf der eine Lage aus einem Trägermaterial angeordnet ist, das eine Dielektrizitätszahl kleiner gleich 3,5 aufweist, und
– die Basis weist in einem Bereich, in dem die Direktoren auf dem Träger angeordnet sind, eine Ausnehmung auf.

Gemäß einer zweiten Variante der Erfindung

– besteht der Träger aus einem Trägermaterial, das eine Dielektrizitätszahl größer gleich 4 und kleiner gleich 10 aufweist, und
– der Träger weist auf dessen vom Dipol abgewandten Seite der Direktoren vor den Direktoren einen Endbereich auf, dessen Breite in Senderichtung der Antenne kontinuierlich abnimmt.

Weiter umfasst die Erfindung Ausgestaltungen, bei denen

– der Dipol ein geschlossener Faltdipol, insb. ein auf einer Oberseite des Trägers aufgebrachter Faltdipol, ist, oder
– der Dipol ein offener gestreckter Dipol, insb. ein auf einer Oberseite des Trägers aufgebrachter offener gestreckter Dipol, ist.

Gemäß einer ersten Ausführungsform

– dient mindestens eine der Einzelantennen zum Senden von Mikrowellensignalen und/oder zum Empfangen von Empfangssignalen, die Frequenzen eines vorgegebenen Frequenzbereichs enthalten, und
– mindestens eine dieser Einzelantennen ist derart ausgestaltet, dass
– in deren Träger an den Enden der Direktoren mit den Direktoren verbundene Durchkontaktierungen vorgesehen sind,
– in deren Träger an den Enden der auf der Oberseite des Trägers befindlichen Direktoren mit den Direktoren verbundene Durchkontaktierungen vorgesehen sind und auf der Unterseite des Trägers an die Durchkontaktierungen anschließende die Direktoren auf der Unterseite des Trägers endseitig senkrecht zur Senderichtung fortführende Fortsätze, insb. Fortsätze mit einer Länge von weniger als einem Achtel der Freiraumwellenlängen der Mikrowellensignale, vorgesehen sind,
– die Längen von deren Direktoren und deren Abstände zueinander entlang der Senderichtung über die Länge der Antenne hinweg variieren, oder
– sie als logarithmische Antenne ausgebildet ist.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform

– dient mindestens eine der Einzelantennen zum Senden von Mikrowellensignalen einer vorgegebenen Frequenz und/oder zum Empfangen von Empfangssignalen der vorgegebenen Frequenz, und
– diese Einzelantennen sind derart ausgestaltet, dass
– deren Direktoren die gleiche Länge aufweisen, und
– die Abstände zwischen jeweils unmittelbar benachbarten Direktoren dieser Einzelantennen alle gleich groß sind.

Gemäß einer Weiterbildung sind zwei oder mehr Einzelantennen auf einem gemeinsamen Träger nebeneinander oder ganz oder teilweise überlappend angeordnet.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung

– sind die Einzelantennen nebeneinander angeordnete parallel betriebene für die gleiche Frequenz oder den gleichen Frequenzbereich ausgelegte Einzelantennen, oder
– sind die Einzelantennen nebeneinander angeordnete einzeln betriebene für unterschiedliche Frequenzen oder unterschiedliche Frequenzbereiche ausgelegte Einzelantennen, oder
– sind die Einzelantennen ganz oder teilweise überlappend angeordnete einzeln betriebene für unterschiedliche Frequenzen oder unterschiedliche Frequenzbereiche ausgelegte Einzelantennen.

Darüber hinaus umfasst die Erfindung ein mit Mikrowellen nach dem Laufzeitprinzip arbeitendes Füllstandsmessgerät mit einer erfindungsgemäßen Antenne.
Gemäß einer ersten Weiterbildung dieses Füllstandsmessgeräts

– ist die Antenne in einem Gehäuse angeordnet, und
– das Gehäuse ist in Senderichtung der Antenne nach außen durch ein dielektrisches Fenster, insb. ein als dielektrische Linse aufsgebildetes Fenster, verschlossen.

Gemäß einer zweiten Weiterbildung dieses Füllstandsmessgeräts ist auf dem Träger der Antenne eine Hochfrequenzbaugruppe, insb. eine Hochfrequenzbaugruppe zur Aufnahme und/oder Verarbeitung von mit der Antenne empfangenen Empfangssignalen und/oder zur Erzeugung von über die Antenne zu sendenden Mikrowellensignale, angeordnet.
Gemäß einer dritten Weiterbildung dieses Füllstandsmessgeräts

– weist die Antenne einen symmetrischen Antennenanschluss auf, und
– der symmetrische Antennenanschluss ist über einen Balun an eine asymmetrische Anschlussleitung oder einen asymmetrischen Anschluss der Hochfrequenzbaugruppe angeschlossen.

Gemäß einer vierten Weiterbildung dieses Füllstandsmessgeräts speist die Antenne ein Hohlleitersegment, das in Senderichtung in einen sich in Senderichtung aufweitenden Trichter übergeht. Darüber hinaus umfasst die Erfindung eine Vorrichtung zur messtechnischen Erfassung von Sende-, Empfangs-, Transmissions- und/oder Signalerzeugungseigenschaften von für Mikrowellen ausgelegten Einheiten, insb. von Hochfrequenzbaugruppen von mit Mikrowellen nach dem Laufzeitprinzip arbeitenden Füllstandsmessgeräten oder von an eine Sende- und/oder Empfangseinheit angeschlossenen Antennen von mit Mikrowellen nach dem Laufzeitprinzip arbeitenden Füllstandsmessgeräten, mit

– mindestens einer erfindungsgemäßen Antenne, und
– einer Aufnahmeeinrichtung zur Aufnahme der Einheit,
– bei der die Aufnahmeeinrichtung und die Antennen relativ zueiander derart angeordnet sind, dass die Senderichtungen der Antennen bei in die Aufnahmeeinrichtung eingesetzter Einheit in Richtung der Einheit weisen.

Die erfindungsgemäße Antenne weist den Vorteil auf, dass die Richtwirkung der Antenne im Wesentlichen durch die Anzahl der Direktoren, und damit durch deren Länge bestimmt wird. Entsprechend kann die Antenne senkrecht zur Senderichtung vergleichsweise geringe Abmessungen aufweisen, ohne dass deren Richtcharakteristik hierdurch verschlechtert wird. Die Antenne kann somit in sehr kleine Behälteröffnungen eingesetzt werden.
Darüber hinaus können mit der erfindungsgemäßen Antenne sehr kompakte Füllstandsmessgeräte aufgebaut werden, indem Antenne und Hochfrequenzbaugruppe in einem kompakten Modul integriert werden.
Besonders Vorteilhaft ist, dass die Hochfrequenzbaugruppe und die Antenne auf einem einzigen Träger angeordnet werden können. Hiedurch entfällt die Notwendigkeit Antenne und Hochfrequenzbaugruppe über in der Regel teure und empfindliche Steckverbindungen und/oder Hochfrequenzleitungen miteinander zu verbinden.
Aufgrund des im Vergleich zu Steckverbindungen nahezu reflexionsfreien Anschlusses der erfindungsgemäßen Antennen an die Hochfrequenzbaugruppen, wird die zur Füllstandsmessung zur Verfügung stehende Leistung erhöht, und der Signal-zu-Rausch Abstand verbessert. Darüber hinaus treten hierdurch deutlich weniger die Messung beeinträchtigende Mehrfachreflektionen, wie sie insb. durch Reflektionen an den Steckverbindungen hervorgerufen werden, auf, und die Signalwege sind deutlich kürzer. Damit können im Nahbereich mit der erfindungsgemäßen Antenne auch Füllstande von Füllgütern gemessen werden, die eine geringere Dielektrizitätszahldifferenz zur Dielektrizitätszahl der Umgebungsatmosphäre, und somit eine geringere Reflektivität aufweisen.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Antenne im Vergleich zu Horn- oder Stabantennen kostengünstig herstellbar ist. Dabei werden für die Herstellung der Antenne ausschließlich Fertigungsschritte benötigt, die bei der Herstellung der Hochfrequenzbaugrupe des Füllstandsmessgeräts ohnehin ausgeführt werden.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Antennenstruktur, insb. der Dipol und die Direktoren, auf den Träger nicht nur kostengünstig aufgebracht werden können, sondern vor allem auch hochpräzise gefertigt werden können.
Die Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen fünf Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Antennen, ein erfindungsgemäßes Füllstandsmessgerät und eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur messtechnischen Erfassung von Sende-, Empfangs-, Transmissions- und/oder Signalerzeugungseigenschaften von für Mikrowellen ausgelegten Einheiten dargestellt sind, näher erläutert; gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt: eine Füllstandsmessanordnung;
2 zeigt: eine Oberseite einer auf einem Träger angeordneten einen Faltdipol umfassenden Antenne;
3 zeigt: eine Unterseite des Trägers von 2;
4 zeigt: eine Oberseite einer auf einem Träger angeordneten einen gestreckten Dipol umfassenden Antenne;
5 zeigt: eine Oberseite einer alternativen Ausführungsform einer auf einem Träger angeordneten einen Faltdipol umfassenden Antenne;
6 zeigt: eine Unterseite des Trägers von 5;
7 zeigt: vier jeweils eine Basis und eine darauf aufgebrachte Lage aus einem Trägermaterial umfassende Träger;
8 zeigt: ein von einem dielektrischen Fenster abgeschlossenes Gehäuse mit einer darin befindlichen Antenne;
9 zeigt: ein von einer Antenne gespeistes Horn;
10 zeigt: eine in ein Hohlleitersegment eines Horns eingesetzte Antenne;
11 zeigt: eine vier auf einem Träger angeordneten Einzelantennen aufweisende Antenne;
12 zeigt: eine zwei ineinander verschachtelt auf einem Träger angeordnete Einzelantennen aufweisende Antenne; und
13 zeigt: eine Vorrichtung zur messtechnischen Erfassung von Sende-Sende-, Empfangs-, Transmissions- und/oder Signalerzeugungseigenschaften von für Mikrowellen ausgelegten Einheiten.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Füllstandsmessanordnung zur Messung eines Füllstands L eines Füllguts 1 in einem Behälter 3. Sie umfasst ein auf dem Behälter 3 in einer hier auf den Behälterboden bezogenen Einbauhöhe H montiertes mit Mikrowellen nach dem Laufzeitprinzip arbeitendes Füllstandsmessgerät.
Das Füllstandsmessgerät weist eine erfindungsgemäße Antenne 5 auf, die dazu dient im Messtrieb Mikrowellensignale S in Richtung des Füllguts 1 zu senden, und deren an der Füllgutoberfläche 7 zur Antenne 5 zurück reflektierten Signalanteile nach einer vom Füllstand L abhängigen Laufzeit als Empfangssignale R zu empfangen. Die Erfindung ist vorliegend am Beispiel eines Messgeräts beschrieben, dass eine einzige Antenne 5 aufweist, die sowohl zum Senden der Mikrowellensignale S als auch zum Empfangen der Empfangssignale R dient. Alternativ könnten auch zwei getrennte erfindungsgemäß ausgebildete Antennen vorgesehen werden, von denen eine zum Senden und die andere zum Empfang dient.
Die Antenne 5 ist an eine Hochfrequenzbaugruppe 9 angeschlossen, über die sie mit den zu sendenden Mikrowellensignalen S gespeist wird, und der sie die eingehenden Empfangssignale R zur weiteren Aufbereitung und/oder Verarbeitung zuführt. Zur Erzeugung der Sendesignale S und zur Aufbereitung und/oder Verarbeitung der Empfangssignale R können aus dem Stand der Technik in Verbindung mit herkömmlichen Pulsradar oder FMCW-Füllstandsmessgeräten bekannte Vorrichtungen und Verfahren eingesetzt werden. Die Mikrowellensignale S weisen Frequenzen im Gigahertzbereich auf. Typische Frequenzen liegen beim Pulsradar-Füllstandsmessverfahren heute im Bereich von 5 GHz–80 GHz, z.B. bei 6,3 GHz, 10 GHz, 25,5 GHz oder 78 GHz. Es ist aber durchaus vorstellbar, dass mit fortschreitender Entwicklung der Hochfrequenztechnik auch noch höhere Frequenzen einsetzbar werden.
Erfindungsgemäß umfasst die Antenne 5 mindestens eine Einzelantenne, die einen auf einem planaren dielektrischen Träger vorgesehenen Dipol aufweist, dem in einer senkrecht zur Flächennormalen auf den Träger verlaufenden Senderichtung X der Einzelantenne mindestens 10, vorzugsweise 20–40, hintereinander und voneinander beabstandet auf dem Träger angeordnete, parallel zueinander und senkrecht zur Senderichtung X ausgerichtete, linienförmige Direktoren vorgelagert sind, und die mindestens einen auf einer der Senderichtung X entgegengesetzten Seite der Dipols angeordneten Reflektor aufweist.
Umfasst die Antenne 5 nur eine Einzelantenne, entspricht die Senderichtung X der Einzelantenne der Senderichtung der Antenne 5. Werden mehrere Einzelantennen eingesetzt, sind diese für den Einsatz in einem Füllstandsmessgerät derart auszurichten, dass deren Senderichtungen X parallel zueinander und somit parallel zur Senderichtung der gesamten Antenne 5 verlaufen.
Auch wenn die vorliegende Beschreibung von erfindungsgemäßen Antenne überwiegend von der Senderichtung X spricht, können diese Antennen natürlich ebenso zum Empfang eingesetzt werden, wobei die Empfangsrichtung dann – wie bei passiven Antennen in der Regel immer der Fall – in die der Senderichtung X entgegengesetzte Richtung weist.
Die Erfindung ist zunächst anhand mehrerer Ausführungsbeispiele von jeweils nur eine Einzelantenne aufweisenden Antennen 5 beschriebenen.
In den 2 und 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer auf dem planaren dielektrischen Träger 11 angeordneten Einzelantenne dargestellt. 2 zeigt eine Ansicht einer Oberseite und 3 eine Ansicht einer Unterseite des Trägers 11.
Auf der Oberseite des Trägers 11 ist ein über einen symmetrischen Antennenanschluss 13 gespeister Dipol 15 vorgesehen.
In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist der Träger 11 isoliert vorgesehen. Der Träger 11 kann jedoch auch eine Lage einer mehrlagigen Leiterplatte bilden. In dem Fall befindet sich über und/oder unter dem Träger 11 mindestens eine weitere Leiterplattenlage.
Der dargestellte Dipol 15 ist ein Faltdipol, der in Form von entsprechend geformten Leiterbahnen auf den Träger 11 aufgebracht ist. Auf der in die Senderichtung X der Antenne 5 weisenden Seite des Dipols 15 sind vor dem Dipol 15 parallel zueinander und parallel zur hier mit Y bezeichneten Längsachse des Dipols 15 ausgerichtete linienförmige Direktoren 17 angeordnet. Die Direktoren 17 sind vorzugsweise schmale gerade auf den Träger 11 aufgebrachte Leiterbahnabschnitte. Der Dipol 15 und die Direktoren 17 sind vorzugsweise auf den Träger 11 aufgebrachte metallische Strukturen, insb. aus Kupfer, aus vernickeltem und anschließend vergoldetem Kupfer oder aus verzinntem Kupfer. Metallische Strukturen bieten den Vorteil, dass sie mit in der Leiterplattenherstellung gängigen Fertigungsverfahren, z.B. unter Verwendung von Ätzverfahren, kostengünstig und vor allem hochpräzise gefertigt werden können.
Der Dipol 15 und die Direktoren 17 können – wie hier dargestellt – in einer Ebene auf dem Träger 11 aufgebracht sein. Alternativ wäre es aber auch möglich, sie auf unterschiedliche parallele, benachbarte Oberflächen, z.B. auf benachbarte Oberflächen einzelner Leiterplattenlagen einer mehrlagigen Leiterplatte, aufzubringen.
Im Sendebetrieb werden die Direktoren 17 durch die vom Dipol 15 ausgehende Strahlung angeregt. Bei entsprechender Dimensionierung findet in der über die mittleren Bereiche der Direktoren 17 verlaufenden Senderichtung X eine phasen- und richtungsabhängige Überlagerung der vom Dipol 15 und den einzelnen Direktoren 17 ausgehenden Strahlungsanteile statt, während sich die einzelnen Strahlungsanteile zu den Randbereichen der Direktoren 17 hin zunehmend destruktiv überlagern.
Die dadurch in der Senderichtung X bewirkte Bündelung der abgestrahlten Mikrowellensignale kann bis zu einem gewissen Grad zusätzlich erhöht werden, indem die Anzahl der in Senderichtung X hintereinander angeordneten Direktoren 17 erhöht wird. Diese zusätzliche Bündelung bewirkt eine Verkleinerung des Öffnungswinkels der Hauptkeule.
Zur Erzielung einer für die Füllstandsmessung bereits ausreichende Bündelung, werden erfindungsgemäß mindestens 10 Direktoren 17, vorzugsweise jedoch 20–40 Direktoren 17, vorgesehen.
Im Unterschied zu herkömmlicher Weise in der Füllstandsmesstechnik eingesetzten Antennen, bei denen eine Verkleinerung der Antennenapertur regelmäßig mit einer Vergrößerung der für die Einbringung der Antenne in den Behälter benötigten Querschnittsfläche verbunden ist, wird die erfindungsgemäße Einzelantenne hierdurch lediglich länger. Dies führt jedoch nicht zu einer Vergrößerung der für die Einbringung einer nur eine Einzelantenne aufweisenden erfindungsgemäßen Antenne 5 in den Behälter 3 erforderliche Nennweite der Öffnung im Behälter 3.
Im Unterschied zu Patchantennen wird auf der Unterseite des Trägers 11 unter der Antennenstruktur hier bewusst keine metallische Beschichtung aufgebracht. Ein solche Beschichtung würde zu einer Vergrößerung der sich parallel zur Flächennormale auf den Träger 11 ausbildenden Signalanteile führen und somit der gewünschten Bündelung der Signale in Senderichtung X der Antenne 5 und damit senkrecht zur Flächennormalen auf den Träger 11 entgegenwirken.
Die 4 bis 6 zeigen alternative Ausführungsbeispiele der Antenne 5. Aufgrund der weitgehenden Übereinstimmung zu dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel werden nachfolgend lediglich die bestehenden Unterschiede näher erläutert.
4 zeigt eine Oberseite eines ersten alternativen Ausführungsbeispiels der Antenne 5. Im Unterschied zu dem in den 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist hier ein auf der Oberseite des Trägers 11 aufgebrachter gestreckter Dipol 19 vorgesehen.
5 zeigt eine Oberseite und 6 eine Unterseite eines zweiten alternativen Ausführungsbeispiels. Genau wie bei dem in den 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der hier vorgesehene Dipol 21 als Faltdipol ausgestaltet. Im Unterschied zu dem in den 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel verläuft dieser jedoch nicht auf dem Träger 11, sondern in einer senkrecht zur Ebene des Trägers 11 verlaufenden Ebene. Hierzu umfasst er auf der Oberseite zwei senkrecht zur Senderichtung X verlaufende Leitungssegmente 23, deren der Trägermitte zugewandten Enden über parallel und entgegengesetzt zur Senderichtung X verlaufende Leitungssegmente 25 mit dem symmetrischen Antennenanschlusses 13 verbunden sind, und deren der Trägeraußenseite zugewandten Enden jeweils über eine durch den Träger 11 hindurch führenden Durchkontaktierung 27 mit einem auf der Unterseite des Trägers 11 senkrecht zur Senderichtung X verlaufenden Leitungssegment 29 verbunden sind, das die beiden Durchkontaktierungen 27 miteinander verbindet.
Erfindungsgemäß weisen die Einzelantennen auf deren von der Senderichtung X abgewandten Seite des jeweiligen Dipols 15, 19, 21 auf der Ober- und/oder der Unterseite, vorzugweise auf der Ober- und der Unterseite, des Trägers 11, angeordnete Reflektoren 31, 32, 33 auf. Die Reflektoren 31, 32, 33 bewirken, dass die Bündelung der Sendeleistung ausschließlich in der gewünschten Senderichtung X erfolgt. Ohne Reflektoren 31, 32, 33 würden die Direktoren 17 eine Bündelung in der gewünschten Senderichtung X und in der hierzu entgegensetzten Raumrichtung – X bewirken. Hierdurch stünde nur die Hälfte der Sendeleistung in der gewünschten Senderichtung X zur Verfügung und der Empfangs-Antennengewinn wäre nur halb so groß. Darüber hinaus würden entgegen der gewünschten Senderichtung X ausgesendete Mikrowellensignale Störungen oder Beeinträchtigungen von in dieser Richtung hinter der Einzelantenne angeordnete Messgerätkomponenten, insb. der gegenüber hochfrequenten Störsignalen regelmäßig sehr empfindlichen Hochfrequenzbaugruppe 9, bewirken.
In der in den 2 und 3 dargestellten Variante sind als Ausführungsbeispiel hierzu Reflektoren 31, vorgesehen, die aus, auf den entsprechende Seiten des Trägers 11 entgegen der Senderichtung gesehen hinter dem Dipol 15 in einer parallel zur Dipollängsachse Y verlaufenden Reihe angeordneten, elektronischen Bauteilen bestehen. Die Bauteile sind vorzugsweise SMD-Bauteile. Besonders geeignet sind hierfür Bauteile, die einen stark reflektierenden vergleichsweise großen dielektrischen Kern aufweisen, wie z.B. Widerstände und Kondensatoren.
In dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind als Reflektoren 32 auf der Oberseite des Träger 11 aufgebrachte elektrisch leitfähige oder mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung versehene – hier nur schematisch dargestellte – Wandsegmente, z.B. metallische oder metallisierte Wandsegmente, vorgesehen. Diese können alternativ oder zusätzlich auch auf der hier nicht dargestellten Unterseite des Trägers 11 angeordnet sein. Die Wandsegmente sind beispielsweise auf der Ober- und/oder der Unterseite des Trägers 11 angeordnete Bleche, oder metallische oder metallisierte Gehäusewandbereiche eines die Einzelantenne umgebenden Gehäuses.
Alternativ oder zusätzlich hierzu können in den 5 und 6 dargestellten Reflektoren 33 eingesetzt werden. Diese Reflektoren 33 werden durch durch den Träger 11 hindurch führende Durchkontaktierungen 35 gebildet, die entlang von auf der Oberseite des Trägers 11 parallel zur Dipollängsachse Y verlaufenden breiten Leitungsstrukturen 37 verteilt angeordnet sind, und diese mit darunter auf der Unterseite des Trägers 11 angeordneten breiten Leitungsstrukturen 39 verbinden. Die Durchkontaktierungen 35 können beispielsweise, wie hier dargestellt, in einer Reihe, oder in mehreren gegeneinander versetzten Reihen angeordnet werden. Dabei sind die Abstände der Seitenwände der Durchkontaktierungen 35 zu den Seitenwänden der jeweils dazu nächstliegenden Durchkontaktierung 35 möglichst geringer als ein Viertel der Wellenlänge λ der Mikrowellensignale im Freiraum, und vorzugsweise geringer als ein Achtel der Wellenlänge λ der Mikrowellensignale im Trägermaterial.
Die Träger 11 bestehen vorzugsweise aus einem eine geringe dielektrische Leitfähigkeit aufweisenden, vorzugsweise verlustarmen, Trägermaterial. In Verbindung mit den oben genannten für die Füllstandsmessung typischen Signalfrequenzen im Gigahertzbereich, insb. im Bereich von 5–80 GHz, werden vorzugsweise Träger 11 aus einem Trägermaterial verwendet, dass möglichst verlustarm ist, und vorzugsweise eine geringe Dielektrizitätszahl ε_r, insb. eine Dielektrizitätszahl ε_r von kleiner gleich 3, 5 aufweist. Hierzu eignen sich beispielsweise Polytetrafluorethylen-Keramik Leiterkarten, wie sie von der Firma Rogers beispielsweise unter den Bezeichnungen RO3003 und RO4003 vertrieben werden.
In Verbindung mit Trägern 11 mit geringer Dielektrizitätszahl ε_r ist es von Vorteil, wenn die Träger 11 zumindest im Bereich der Direktoren 17 eine möglichst geringe Dicke, insb. eine Dicke von 50µm bis 700µm, aufweisen. Trägermaterialien mit geringer Dielektrizitätszahl ε_r sind jedoch regelmäßig mechanisch empfindlich, da sie in der Regel wenig oder kein stärkendes Glasfasergewebe enthalten. In Fällen, in denen ein entsprechend dünner Träger 11 aufgrund des gewählten Trägermaterials keine ausreichende mechanische Stabilität aufweisen würde, kann alternativ ein Träger 11‘ eingesetzt werden, der eine mechanisch stabile Basis 41, z.B. eine herkömmliche Leiterkarte, aufweist, auf die eine dünne Lage 43 aus einem eine geringe dielektrische Leitfähigkeit aufweisenden vorzugsweise verlustarmen Material aufgebracht ist. Vier mit a) bis d) bezeichnete Ausführungsbeispiele solcher Träger 11‘ sind in 7 dargestellt. Die Direktoren 17 der Antenne 5 können nun – wie in den Ausführungsformen a) und d) dargestellt – auf der von der Basis 41 abgewandten Oberseite der Lage 43, oder – wie in den Ausführungsformen b) und c) dargestellt – auf der der Basis 41 zugewandten Unterseite der Lage 43 angeordnet sein.
Zur Erzielung einer geringen Trägerdicke im Bereich der Direktoren 17 weist die Basis 41 in dem Bereich, über dem sich die Direktoren 17 befinden, vorzugsweise eine Ausnehmung 45 auf.
Sofern die mechanische Stabilität der Lage 43 dies zulässt kann die Ausnehmung 45 bis zu der darüber befindlichen Lage 43 reichen und diese freigeben. Dies ist in den Ausführungsbeipielen a) und b) dargestellt. In diesem Fall kann die Basis 41 auch aus Metall bestehen.
Alternativ ist die Ausnehmung 45 derart zu bemessen, dass zwischen der Lage 43 und der Ausnehmung 45 eine dünne Schicht 47 des Basismaterials bestehen bleibt. Dies ist in den Ausführungsbeispielen c) und d) dargestellt. Die Schicht 47 weist vorzugsweise eine Dicke kleiner gleich 250µm auf.
Dabei weist das Ausführungsbeispiel c) den Vorteil auf, dass die Direktoren 17 zwischen der Lage 43 und der Schicht 47 eingeschlossen sind. Die Direktoren 17 sind hierdurch vor Oxidation geschützt. Sie können somit aus einem, im Hinblick auf den Skineffekt vorteilhaften, gut leitenden Metall, insb aus reinem Kupfer, gefertigt werden, dass zur Vermeidung von Oxidation weder vernickelt und vergoldet noch verzinnt werden muss.
Alternativ kann anstelle eines dünnen Trägers 11 aus einem Trägermaterial mit geringer dielektrischer Leitfähigkeit oder einem mit einem solchen Material beschichteten Träger 11‘ ein dickerer Träger 11‘‘ aus einem stabileren Trägermaterial eingesetzt werden.
In diesem Fall ist der Träger 11‘‘ zur Steigerung der Richtwirkung der erfindungsgemäßen Antennen 5 vorzugsweise sendeseitig, d.h. auf dessen von dem jeweiligen Dipol 15, 19 abgewandten Seite der Direktoren 17 vor den Direktoren 17, mit einem Endbereich 49 ausgestattet, dessen Breite in Senderichtung X kontinuierlich abnimmt. Diese Variante ist in dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel gezeigt.
Der sich in Senderichtung X verjüngende Endbereich 49 wirkt effektiv wie eine dielektrische Linse, durch die die ausgehenden Mikrowellensignale eine zusätzliche Bündelung in Senderichtung X erfahren. Dabei ist es im Hinblick auf die Linsenwirkung des Endbereichs 49 von Vorteil, ein Trägermaterial mit vergleichsweise hoher Dielektrizitätszahl ε_r einzusetzen. Vorzugsweise liegt die Dielektrizitätszahl ε_r im Hinblick auf die Linsenwirkung zwischen 4 und 10.
Die Dimensionierung der Antenne 5, insb. des Dipols 15 und der Direktoren 17 erfolgt grundsätzlich gemäß den für herkömmliche Yagi-Uda Antennen geltenden Kriterien. Dabei wird die Dimensionierung an die Art der zur Füllstandsmessung eingesetzten Mikrowellensignale angepasst.
Die Dimensionierung erfolgt anhand der Wellenlängen λ, die die Mikrowellensignale S entlang des Trägers 11 ausbilden. Diese wird maßgeblich durch die in den Mikrowellensignalen enthaltenen Frequenzen und die Dielektrizitätszahl ε_r des Trägermaterials bestimmt.
Beim Pulsradar-Füllstandsmessverfahren werden periodisch mit einer vorgegebenen Wiederholfrequenz kurze Mikrowellenpulse vorgegebener Dauer und Signalfrequenz f gesendet. Entsprechend wird die Dimensionierung auf die verwendete Signalfrequenz f ausgelegt. Bei vergleichsweise langen Pulsdauern, z.B. Pulsdauern größer gleich 10 nsec, enthält das zu sendende Mikrowellensignals S, sowie auch das zugehörige Empfangssignal R im Wesentlichen nur eine vorbekannte Signalfrequenz f_.
In dem Fall weist der Dipol 15, 19 bzw. 21 vorzugsweise eine Länge in der Größenordnung einer halben Wellenlänge λ/2 auf. Die Direktoren 17 sind vorzugsweise alle gleich Lang und geringfügig kürzer als der Dipol 15, 19 bzw. 21. Der Abstand vom Dipol 15 zum nächstliegenden Direktor 17 liegt in der Größenordnung von 0,15 Wellenlängen λ, und die Abstände zwischen jeweils zwei benachbarten Direktoren 17 sind vorzugsweise alle gleich und liegen in der Größenordnung von ca. 0,1 bis 0,2 Wellenlängen λ. Diese Längenangaben beziehen sich jeweils auf die Wellenlänge λ, die die Mikrowellensignalen der vorgegebenen Frequenz f im Freiraum ausbilden.
Beim FMCW-Radar-Füllstandsmessverfahren werden kontinuierlich gesendete periodisch frequenzmodulierte Mikrowellensendesignale eingesetzt. Hier sind folglich deutlich breitbandigere Einzelantennen vorteilhaft.
Eine Vergrößerung der Breitbandigkeit lässt sich dadurch erzielen, dass an beiden Enden der Direktoren 17 jeweils eine Durchkontaktierung D vorgesehen wird. Diese Durchkontaktierungen D sind in dem in 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel schematisch durch punktförmige Abschlüsse angedeutet.
Zur weiteren Vergrößerung der Bandbreite können zusätzlich auf der in 3 dargestellten Unterseite des Trägers 11 an die Durchkontaktierungen D anschließende, die Direktoren 17 auf der Unterseite des Trägers 11 endseitig senkrecht zur Senderichtung X fortführende, Fortsätze F vorgesehen werden. Diese weisen vorzugsweise eine geringe Länge von weniger als einem Achtel der Freiraumwellenlängen der zu sendenden Mikrowellensignale auf.
Eine weitere Vergrößerung der Bandbreite kann zusätzlich dadurch bewirkt werden, dass die Längen L der Direktoren und deren Abstände zueinander über die Länge der Antenne 5 hinweg geringfügig variiert werden. Zur Erzielung einer noch größeren Breitbandigkeit werden die Einzelantennen vorzugsweise als logarithmisch periodische Antennen ausgebildet. Dabei steigt der Abstand zwischen benachbarten Direktoren in Senderichtung jeweils um einen konstanten Betrag an, z.B. gemäß: d_n+1 = ke^αn d_n, wobei d_n jeweils den Abstand zwischen dem n + 1-ten und dem n-ten vor dem Dipol 15, 19 bzw. 21 befindlichen Direktor bezeichnet, während die Länge L der Direktoren in Senderichtung jeweils um einen konstanten Faktor ϑ mit ϑ < 1 abnimmt, z.B. gemäß: L_n+1 = L₀ϑⁿ.
Um eine von der Umgebung der Antenne 5 möglichst unbeeinträchtigte Ausbildung der zu sendenden Mikrowellensignale zu gewährleisten, genügt es bei Antennen 5 mit nur einer Einzelantenne zu beiden Seiten der Direktoren 17 jeweils einen möglichst reflektorfreien Bereich mit Abmessungen in der Größenordnung von einem Viertel der Wellenlänge λ der Mikrowellensignale im Freiraum vorzusehen. Dies geschieht vorzugsweise, indem der Träger 11 entsprechend breit ausgebildet wird. Bei einer Länge der Direktoren 17 von einer halben Wellenlänge λ/2 beträgt die gesamte Breite des Trägers 11 folglich mindestens eine Wellenlänge λ.
Dementsprechend sind die erfindungsgemäß ausgebildeten Antennen 5 nicht nur extrem flach, sondern weisen bei Verwendung einer einzigen Einzelantenne auch eine sehr geringe Breite auf.
Für eine eine einzige Einzelantenne aufweisende Antenne 5 mit 28 Direktoren 17 und einem Trägermaterial mit einer Dielektrizitätszahl ε_r von 3 ergibt sich somit für ein Pulsradargerät mit einer Frequenz f von 6,3 GHz eine Antennenbreite (senkrecht zur Senderichtung X) in der Größenordnung von 2 cm und eine Antennenlänge (parallel zur Senderichtung X) in der Größenordnung von 27 cm.
Bei einer Frequenz f von 10 GHz liegt die Antennenbreite in der Größenordnung von 1,5 cm und die Antennenlänge bei 28 Direktoren 17 in der Größenordnung von 17 cm. Bei einer Frequenz f von 25.5 GHz liegt die Antennenbreite in der Größenordnung von 5 mm und die Antennenlänge bei 28 Direktoren 17 in der Größenordnung von 7 cm. Bei einer Frequenz f von 78 GHz liegt die Antennenbreite in der Größenordnung von 2 mm und die Antennenlänge in der Größenordnung von 2 cm.
Antennen 5 mit derart geringen Abmessungen bieten den Vorteil, dass sie auf dem Behälter 3 in Öffnungen mit entsprechend geringer Nennweite eingesetzt werden können.
Zur Erzielung eines möglichst kompakten Füllstandsmessgeräts sind die Antenne 5 und die daran anzuschließende Hochfrequenzbaugruppe 9 vorzugsweise in einem einzigen Modul integriert. Hierzu kann die Hochfrequenzbaugruppe 9 unmittelbar auf dem Träger 11 oder auf bzw. in einer den Träger 11 umfassenden mehrlagigen Leiterplatte angeordnet sein. Dies ist in den 2 und 5 dargestellt.
Aufgrund der zwei Eingänge des Dipols 15, 19 bzw. 21 ist der Antennenanschluss 13 ein symmetrischer Anschluss. Weist die Hochfrequenzbaugruppe 9 ebenfalls einen symmetrischen Anschluss auf, kann sie auf dem Träger 11 unmittelbar an den symmetrischen Antennenanschluss 13 angeschlossen werden. Diese Ausführungsform ist in 2 schematisch dargestellt.
Ist für den Anschluss der Hochfrequenzbaugruppe 9 dagegen eine asymmetrische Anbindung an eine asymmetrische Leitung oder einen asymmetrischen Anschluss erforderlich, so ist zwischen dem Antennenanschluss 13 und der Hochfrequenzbaugruppe 9 ein entsprechender Wandler vorzusehen. Hierzu wird vorzugsweise ein Balun 51 eingesetzt. Dies ist exemplarisch in 5 dargestellt. Dort überführt der Balun 51 die symmetrischen Anschlussleitungen des Antennenanschlusses 13 auf eine Mikrostreifenleitung. Diese umfasst eine auf der Oberseite des Trägers 11 an den Balun 51 angeschlossene Leiterbahn 53, und eine auf der Unterseite des Trägers 11 darunter aufgebrachte flächige Metallisierung 55.
Bei beiden Varianten weist die Anordnung von Antenne 5 und Hochfrequenzbaugruppe 9 auf dem gemeinsamen Träger 11 den Vorteil auf, dass für den Anschluss der Antenne 5 an die Hochfrequenzbaugruppe 9 keine in der Regel teuren und empfindlichen Steckverbindungen erforderlich sind. An Steckverbindungen wird zwangsläufig ein Teil der transmittierten Leistung, typischer Weise in der Größenordnung von 0, 3% bis 10,0%, reflektiert. Dieser reflektierte Anteil steht regelmäßig nicht mehr für die eigentliche Messung zur Verfügung. Auf Reflektionen oder Mehrfachreflektionen zwischen der Antenne und der Hochfrequenzbaugruppe zurückzuführende Signalanteile überlagern sich bei der Füllstandsmessung mit im Nahbereich der Antenne vor der Antenne reflektierten Anteilen der eigentlichen Messsignale. Hierdurch erhöht sich der Signal-zu-Rausch Abstand im Nahbereich. Je nach Ausführungsform wird hierdurch die Füllstandsmessung in einem Nahbereich von 0 m bis zu 2 m vor der Antenne beeinträchtigt.
Aufgrund des hier im Vergleich zu Steckverbindungen nahezu reflektionsfreien Anschlusses der erfindungsgemäßen Antenne 5 an die Hochfrequenzbaugruppe 9 wird somit die zur Füllstandsmessung zur Verfügung stehende Leistung erhöht, und der Signal-zu-Rausch Abstand im Nahbereich der Antenne 5 deutlich verbessert. Damit können im Nahbereich mit der erfindungsgemäßen Antenne 5 auch Füllstände von Füllgütern 1 gemessen werden, die eine geringere Dielektrizitätszahl ε_r, und somit eine geringere Reflektivität aufweisen. Beispiele für solche Füllgüter 1 sind Öl, Kunststoffgranulate, oder Weizen- oder Getreidekleie.
Während zur Messung eines Füllstands eines Öls mit einer Dielektrizitätszahl ε_r von 1,5 mit einem bei 25,5 GHz arbeitenden Pulsradar-Füllstandsmessgerät mit einer Hornantenne regelmäßig ein Horndurchmesser von ca. 100 mm und eine Hornlänge von ca. 450 mm erforderlich ist, weist eine erfindungsgemäße Antenne 5 mit der eine vergleichbare Messgenauigkeit erzielbar ist, bei 30 Direktoren 17 einer Länge von 5,5 mm nur eine Gesamtbreite von etwas mehr als 12 mm und eine Länge von ca. 80 mm auf.
Aufgrund der oben beschriebenen geringen Abmessungen der Antennen 5, können sehr kompakte Füllstandsmessgeräte aufgebaut werden.
Dabei wird die Antenne 5 vorzugsweise in ein kompaktes Gehäuse 57 eingebracht, in dessen sendeseitige Stirnfläche ein dielektrisches Fenster 59 eingesetzt ist. Diese Ausführungsform ist in 8 dargestellt. In dem Gehäuse 57 ist vorzugsweise auch die Hochfrequenzbaugruppe 9 untergebracht.
Das Fenster 59 besteht aus einem für Mikrowellen durchlässigen Isolator der vorzugsweise gasdicht und vorzugsweise druckfest in die Stirnseite eingesetzt ist. Hierzu eignen sich insb. Fenster aus druckfestem Glas, Polypropylen (PP), Polytetrafluorethylen (PTFE) oder aus Keramik. Auf diese Weise wird eine gasdichte druckfeste Kapselung von Antenne 5 und Hochfrequenzbaugruppe 9 bewirkt, wie sie beispielsweise für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen erforderlich ist.
Dabei kann eine zusätzliche Bündelung oder Parallelisierung der von der Antenne 5 gesendeten Mikrowellensignale S erzielt werden, in dem das Fenster 59 – wie hier dargestellt- als dielektrische Linse ausgebildet ist.
Alternativ oder zusätzlich hierzu kann eine Trennung der Antenne 5 von dem im Behälter 3 ablaufenden Prozess dadurch bewirkt werden, dass die ansonsten frei liegenden Komponenten der Antenne 5 in eine Vergussmasse, eingebettet werden.
Die beschriebenen Antennen 5 können, sofern Sicherheitserfordernisse am Einsatzort dies zulassen, jedoch auch unmittelbar auf, in bzw. über einer entsprechende Behälteröffnung montiert werden.
Alternativ können die beschriebenen Antennen 5 zur Speisung eines auf dem Behälter 3 zu montierenden Horns 61 eingesetzt werden. Zwei Beispiele hierzu sind in den 8 und 9 dargestellt. In beiden Beispielen weist das Horn 61 jeweils ein Hohlleitersegment 63 auf, das in Senderichtung X in einen sich in Senderichtung X aufweitenden Trichter 65 übergeht.
Bei der in 9 dargestellten Variante ist die Antenne 5 außerhalb des Hohlleitersegments 63 angeordnet. Bei der in 10 dargestellten Variante ist die Antenne 5 in das Hohlleitersegment 63 eingeführt.
Je nach Anwendung und Einsatzzweck der erfindungsgemäßen Antenne kann diese zwei oder mehr der oben beschriebenen Einzelantennen aufweisen.
11 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer mehrere Einzelantennen aufweisenden Antenne 67. Zur Steigerung der Richtwirkung und der Sendeleistung umfasst diese Antenne 67 mehrere nebeneinander auf einem Träger 11 angeordnete parallel geschaltete vorzugsweise identische Einzelantennen 69, die jeweils einen Dipol 15 und mehrere diesem vorgeordnete Direktoren 17 aufweisen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wurden als Einzelantennen 69 die in 2 dargestellte Antenne eingesetzt. Alternativ können hierzu natürlich auch andere Ausführungsformen erfindungsgemäßer Einzelantennen eingesetzt werden.
Darüber hinaus können zur weiteren Steigerung der Richtwirkung und der Sendeleistung auch mehrere dieser Antennen 67, oder auch mehrere Einzelantennen übereinander angeordnet und parallel zueinander betrieben werden.
Heutige Füllstandsmessungen erfolgen regelmäßig anhand von Mikrowellensignalen einer einzigen vorgegebenen Frequenz oder eines einzigen vorgegebenen engen Frequenzband. Es gibt jedoch auch Anwendungen, bei denen es vorteilhaft ist, Füllstandsmessungen bei unterschiedlichen Frequenzen auszuführen. Anwendungsbeispiele hierfür sind in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2008 048 582 A1 der Anmelderin beschrieben. Die Bandbreite der Anwendungen reicht von der Plausibilitätskontrolle, bei der Messergebnisse von bei unterschiedlichen Frequenzen ausgeführten Messungen miteinander verglichen werden, bis hin zu Messverfahren, bei denen anhand von bei unterschiedlichen Frequenzen ausgeführten Messungen Zusatzinformationen abgeleitet werden. Letztere lassen sich beispielsweise aufgrund der Frequenzabhängigkeit der Reflektionseigenschaften des Füllguts ermitteln, die sich in den Amplituden der Empfangssignale wiederspiegeln. Ein Anwendungsgebiet sind hier Füllstandsmessungen von Füllgütern, die zu Schichtbildung neigen. Das tritt z.B. in Anwendungen auf, in denen das Füllgut Medien unterschiedlicher Dichte enthält, die sich mit der Zeit separieren.
In diesen Anwendungen wird vorzugsweise ein Füllstandsmessgerät mit einer erfindungsgemäßen Antenne eingesetzt, die aus einer entsprechenden Anzahl von jeweils für eine der unterschiedlichen Frequenzen bzw. der unterschiedlichen Frequenzbereiche ausgelegter eingangs beschriebener Einzelantennen besteht.
Die Einzelantennen können auch hier – wie bei der in 11 dargestellten Antenne 67 – nebeneinander auf ein und demselben Träger 11 angeordnet sein. Sie werden dann jedoch im Unterschied zu dem in 11 dargestellten Ausführungsbeispiel nicht parallel, sondern unabhängig voneinander betrieben.
Alternativ können die Einzelantennen parallel zueinander und zumindest teilweise überlappend angeordnet werden. 12 zeigt ein Ausführungsbeispiel hierzu, bei dem zwei für unterschiedliche Frequenzen ausgelegte Einzelantennen vollständig überlappend ineinander verschachtelt angeordnet sind. Dabei ist der Dipol 15a der für die höhere Frequenz ausgelegten Einzelantenne innerhalb des Dipols 15b der für die niedrigere Frequenz ausgelegten Einzelantenne angeordnet. Jedem Dipol 15a, 15b ist in Senderichtung X jeweils ein Satz zugehöriger Direktoren 17a, 17b vorgelagert. Die beiden Dipole 15a, 15b und die zughörigen Direktoren 17a, 17b sind entlang einer gemeinsamen in die übereinstimmenden Senderichtungen X der beiden Einzelantennen verlaufenden Antennenlängsachse angeordnet. Auf diese Weise entstehen zwei ineinander verschachtelte Einzelantennen, die zusammen jedoch nicht mehr Platz benötigen als die für die niedrigere Frequenz ausgelegte Einzelantenne.
Alternativ können die Einzelantennen natürlich auch derart parallel zueinander versetzt angeordnet werden, dass deren Direktoren nur teilweise überlappend in Senderichtung X hintereinander folgen.
Der Einsatz der erfindungsgemäßen Antennen ist jedoch nicht nur auf die Füllstandsmessung beschränkt. Erfindungsgemäße Antennen eignen sich insb. auch zur messtechnischen Erfassung von Sende-, Empfangs-Transmissions-und/oder Signalerzeugungseigenschaften von für Mikrowellen ausgelegten Einheiten 71, wie zum Beispiel von Hochfrequenzbaugruppen 9 von mit Mikrowellen nach dem Laufzeitprinzip arbeitenden Füllstandsmessgeräten, oder von an eine Sende-und/oder Empfangseinheit angeschlossenen Antennen von mit Mikrowellen nach dem Laufzeitprinzip arbeitenden Füllstandsmessgeräten.
13 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur messtechnischen Erfassung von Sende-, Empfangs-Transmissions- und/oder Signalerzeugungseigenschaften von für Mikrowellen ausgelegten Einheiten 71. Die Vorrichtung umfasst eine Aufnahmeeinrichtung 73 zur Aufnahme der jeweils zu untersuchenden Einheit 71, und mindestens eine erfindungsgemäße Antenne 75. Die Aufnahmeeinrichtung 73 und die Antennen 75 sind relativ zueinander derart angeordnet, dass die Senderichtungen X der Antennen 75 bei in die Aufnahmeeinrichtung 73 eingesetzter zu untersuchender Einheit 71 in Richtung der Einheit 71 weisen. Dies ist vorliegend dadurch realisiert, dass die Aufnahmeeinrichtung 73 zwischen zwei Antennen 75 angeordnet ist, die jeweils auf die Aufnahmeeinrichtung 73 ausgerichtet sind. Alternativ oder zusätzlich kann auch mindestens eine erfindungsgemäße Antenne oberhalb der Einheit 71 angeordnet werden.
Die Antennen 75 sind wahlweise jeweils an eine Sendeeinheit 77 und/oder an eine Empfangseinheit 79 angeschlossen, und die Empfangseinheiten 79 sind an eine Auswerteeinheit 81 angeschlossen. Vorzugsweise sind zumindest die Sendeeinheiten 77 und die Empfangseinheiten 79 unmittelbar auf dem Träger 11 der jeweiligen Antenne 75 angeordnet.
Die messtechnische Erfassung von Sende- oder Signalerzeugungseigenschaften der zu untersuchenden Einheit 71 erfolgt, indem die Einheit 71 in Betrieb genommen wird, und dabei von ihr ausgesendete Mikrowellen mit mindestens einer der hierzu an die zugehörige Empfangseinheit 79 angeschlossenen Antennen 75 aufgenommen, und mittels der Auswerteinheit 81 ausgewertet werden. Auf diese Weise können beispielsweise Sendeeigenschaften von Antennen, sowie Signalerzeugungseigenschaften von Hochfrequenz-Oszillatoren, Frequenzumsetzern, oder Verstärkern überprüft werden.
Die messtechnische Erfassung von Empfangseigenschaften der zu untersuchenden Einheit 71 erfolgt indem mindestens eine der hierzu an die zugehörige Sendeeinheit 77 angeschlossenen Antennen 73 über die Sendeeinheit 77 mit zu sendenden Mikrowellensignalen gespeist wird, die Mikrowellensignale in Richtung der zu untersuchenden Einheit 71 gesendet werden, und die Auswirkungen der auf die Einheit 71 auftreffenden Mikrowellensignale auf die Einheit 71 messtechnisch erfasst werden. Dabei werden vorzugsweise Vergleichsmessungen ausgeführt, bei denen die Einheit 71 in ihren bestimmungsgemäßen Betrieb versetzt wird, und die Funktionsfähigkeit der Einheit 71 oder damit erzielte Messergebnisse in Anwesenheit und in Abwesenheit der von der bzw. den Antennen 75 ausgesendeten Mikrowellensignalen erfasst und verglichen werden. Soweit die Einheit 71 dies erlaubt, können auch einzelne Baugruppen oder Teilbaugruppen der Einheit 71 einzeln aktiviert und vermessen werden.
Die messtechnische Erfassung von Transmissionseigenschaften der zu untersuchenden Einheit 71 erfolgt anhand von zwei einander gegenüberliegend angeordneten Antennen 75 von denen eine Mikrowellensignale in Richtung der Einheit 71 sendet, und die andere die durch die Einheit 71 hindurchtretenden Anteile dieser Mikrowellensignale empfängt.
Bezugszeichenliste

1: Füllgut
3: Behälter
5: Antenne
7: Füllgutoberfläche
9: Hochfrequenzbaugruppe
11: Träger
13: symetrischer Antennenanschluss
15: Dipol
17: Direktoren
19: gestreckter Dipol
21: Dipol
23: Leitungssegment
25: Leitungssegment
27: Durchkontaktierung
29: Leitungsegment
31: Reflektor
33: Reflektor
35: Durchkontaktierung
37: Leitungsstruktur
39: Leitungsstruktur
41: Basis
43: Lage aus Trägermaterial
45: Ausnehmung
47: Schicht
49: Endbereich
51: Balun
53: Leiterbahn
55: Metallisierung
57: Gehäuse
59: dielektrisches Fenster
61: Horn
63: Hohlleitersegment
65: Trichter
67: Antenne
69: Einzelantenne
71: Einheit
73: Aufnahmeeinrichtung
75: Antenne
77: Sendeeinheit
79: Empfangseinheit
81: Auswerteeinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008048582 A1 [0111]

Claims

Antenne für ein mit Mikrowellen nach dem Laufzeitprinzip arbeitendes Füllstandsmessgerät zur Messung eines Füllstandes (L) eines Füllgutes (1) in einem Behälter (3) oder für eine Vorrichtung zur Überprüfung von Sende-, Empfangs-, Transmissions- und/oder Signalerzeugungseigenschaften einer für Mikrowellen ausgelegten Einheit (71), mit – mindestens einer auf einem planaren dielektrischen Träger (11) vorgesehenen Einzelantenne, – die einen auf dem Träger (11) vorgesehenen Dipol (15, 19, 21) aufweist, – die mindestens 10, insb. 20–40, dem Dipol (15, 19, 21) in einer senkrecht zur Flächennormalen auf den Träger (11) verlaufenden Senderichtung (X) der Antenne (5, 57) vorgelagerte, in Senderichtung (X) hintereinander und voneinander beabstandet auf dem Träger (11) angeordnete, parallel zueinander und senkrecht zur Senderichtung (X) ausgerichtete, linienförmige Direktoren (17) aufweist, und – die auf einer der Senderichtung (X) entgegengesetzten Seite des Dipols (15, 19, 21) angeordnete Reflektoren (31, 32, 33) aufweist.
Antenne nach Anspruch 1, bei der die Reflektoren (31, 32, 33) – auf einer Ober- und/oder einer Unterseite des Trägers (11) angeordnete elektronische Bauteile, und/oder – auf der Ober- und/oder der Unterseite des Trägers (11) angeordnete elektrisch leitfähige oder mit einer leitfähigen Beschichtung versehene, Wandsegmente, insb. metallische oder metallisierte Wandsegmente, Bleche oder Gehäusewandbereiche eines die jeweilige Einzelantenne umgebenden Gehäuses, und/oder – auf der Ober- und der Unterseite des Trägers (11) angeordnete Leitungsstrukturen (37) verbindende Durchkontaktierungen (35) umfassen.
Antenne nach Anspruch 1, bei dem der Träger (11) aus einem Trägermaterial besteht, das eine Dielektrizitätszahl (ε_r) kleiner gleich 3,5 aufweist, oder – der Träger (11‘) eine Basis (41) aufweist, – auf der eine Lage (43) aus einem Trägermaterial angeordnet ist, das eine Dielektrizitätszahl (ε_r) kleiner gleich 3,5 aufweist, und – die Basis (41) in einem Bereich, in dem die Direktoren (17) auf dem Träger (11‘) angeordnet sind, eine Ausnehmung (45) aufweist.
Antenne nach Anspruch 1, bei dem – der Träger (11) aus einem Trägermaterial besteht, das eine Dielektrizitätszahl (ε_r) größer gleich 4 und kleiner gleich 10 aufweist, und – der Träger (11) auf dessen vom Dipol (15, 19, 21) abgewandten Seite der Direktoren (17) vor den Direktoren 17 einen Endbereich (49) aufweist, dessen Breite in Senderichtung (X) der Antenne (5) kontinuierlich abnimmt.
Antenne nach Anspruch 1, bei dem – der Dipol (15) ein geschlossener Faltdipol, insb. ein auf einer Oberseite des Trägers (11) aufgebrachter Faltdipol, ist, oder – der Dipol (19) ein offener gestreckter Dipol, insb. ein auf einer Oberseite des Trägers (11) aufgebrachter offener gestreckter Dipol, ist.
Antenne nach Anspruch 1, bei der – mindestens eine der Einzelantennen zum Senden von Mikrowellensignalen (S) und/oder zum Empfangen von Empfangssignalen (R) dient, die Frequenzen eines vorgegebenen Frequenzbereichs enthalten, und – mindestens eine dieser Einzelantennen derart ausgestaltet ist, dass – in deren Träger (11) an den Enden der Direktoren (17) mit den Direktoren (17) verbundene Durchkontaktierungen (D) vorgesehen sind, – in deren Träger (11) an den Enden der auf der Oberseite des Trägers (11) befindlichen Direktoren (17) mit den Direktoren (17) verbundene Durchkontaktierungen (D) vorgesehen sind und auf der Unterseite des Trägers (11) an die Durchkontaktierungen (D) anschließende die Direktoren (17) auf der Unterseite des Trägers (11) endseitig senkrecht zur Senderichtung (X) fortführende Fortsätze (F), insb. Fortsätze (F) mit einer Länge von weniger als einem Achtel der Freiraumwellenlängen der Mikrowellensignale, vorgesehen sind, – die Längen (L) von deren Direktoren (17) und deren Abstände zueinander entlang der Senderichtung (X) über die Länge der Antenne (5) hinweg variieren, oder – sie als logarithmische Antenne ausgebildet ist.
Antenne nach Anspruch 1, bei der – mindestens eine der Einzelantennen zum Senden von Mikrowellensignalen (S) einer vorgegebenen Frequenz und/oder zum Empfangen von Empfangssignalen (R) der vorgegebenen Frequenz dient, und – diese Einzelantennen derart ausgestaltet sind, dass – deren Direktoren (17) die gleiche Länge aufweisen, und – die Abstände zwischen jeweils unmittelbar benachbarten Direktoren (17) dieser Einzelantennen alle gleich groß sind.
Antenne nach Anspruch 1, bei der zwei oder mehr Einzelantennen auf einem gemeinsamen Träger (11) nebeneinander oder ganz oder teilweise überlappend angeordnet sind.
Antenne nach Anspruch 1 oder 8, bei der – die Einzelantennen nebeneinander angeordnete parallel betriebene für die gleiche Frequenz oder den gleichen Frequenzbereich ausgelegte Einzelantennen (69) sind, oder – die Einzelantennen nebeneinander angeordnete einzeln betriebene für unterschiedliche Frequenzen oder unterschiedliche Frequenzbereiche ausgelegte Einzelantennen sind, oder – die Einzelantennen ganz oder teilweise überlappend angeordnete einzeln betriebene für unterschiedliche Frequenzen oder unterschiedliche Frequenzbereiche ausgelegte Einzelantennen sind.
Mit Mikrowellen nach dem Laufzeitprinzip arbeitendes Füllstandsmessgerät mit einer Antenne gemäß einem der Ansprüche 1–9.
Füllstandsmessgerät gemäß Anspruch 10, bei dem – die Antenne (5) in einem Gehäuse (57) angeordnet ist, und – das Gehäuse (57) in Senderichtung (X) der Antenne (5) nach außen durch ein dielektrisches Fenster (59), insb. ein als dielektrische Linse aufsgebildetes Fenster (59), verschlossen ist.
Füllstandsmessgerät gemäß Anspruch 10, bei dem auf dem Träger (11) der Antenne (5), eine Hochfrequenzbaugruppe (9), insb. eine Hochfrequenzbaugruppe zur Aufnahme und/oder Verarbeitung von mit der Antenne (5) empfangenen Empfangssignalen (R) und/oder zur Erzeugung von über die Antenne (5) zu sendenden Mikrowellensignalen (S), angeordnet ist.
Füllstandsmessgerät gemäß Anspruch 10, bei dem – die Antenne einen symmetrischen Antennenanschluss (13) aufweist, und – der symmetrische Antennenanschluss (13) über einen Balun (51) an eine asymmetrische Anschlussleitung oder einen asymmetrischen Anschluss der Hochfrequenzbaugruppe (9) angeschlossen ist.
Füllstandsmessgerät gemäß Anspruch 10, bei dem die Antenne (5) ein Hohlleitersegment (63) speist, das in Senderichtung (X) in einen sich in Senderichtung (X) aufweitenden Trichter (65) übergeht.
Vorrichtung zur messtechnischen Erfassung von Sende-, Empfangs-, Transmissions- und/oder Signalerzeugungseigenschaften von für Mikrowellen ausgelegten Einheiten (71), insb. von Hochfrequenzbaugruppen (9) von mit Mikrowellen nach dem Laufzeitprinzip arbeitenden Füllstandsmessgeräten oder von an eine Sende-und/oder Empfangseinheit angeschlossenen Antennen von mit Mikrowellen nach dem Laufzeitprinzip arbeitenden Füllstandsmessgeräten, mit – mindestens einer Antenne (75) gemäß einem der Ansprüche 1–9, und – einer Aufnahmeeinrichtung (73) zur Aufnahme der Einheit (71), – bei der die Aufnahmeeinrichtung (73) und die Antennen (75) relativ zueiander derart angeordnet sind, dass die Senderichtungen (X) der Antennen (75) bei in die Aufnahmeeinrichtung (73) eingesetzter Einheit (71) in Richtung der Einheit (71) weisen.