DE19800306A1

DE19800306A1 - Antenneneinrichtung für ein Füllstandmeß-Radargerät

Info

Publication number: DE19800306A1
Application number: DE19800306A
Authority: DE
Inventors: Josef Dipl Ing Fehrenbach; Daniel Dipl Ing Schultheis
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 1998-01-07
Filing date: 1998-01-07
Publication date: 1999-07-15
Anticipated expiration: 2018-01-08
Also published as: EP0935127A3; EP0935127A2; DE59915173D1; DE19800306B4; EP0935127B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Antenneneinrichtung für ein Füll standmeß-Radargerät gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Antenneneinrichtungen für Füllstandmeßgeräte, die mit Mikro wellen arbeiten, sind hinlänglich bekannt und werden bei spielsweise zur kontinuierlichen Füllstandmessung sowohl bei Flüssigkeiten als auch bei Schüttgütern eingesetzt. Das Meß prinzip beruht darauf, kurze Mikrowellenimpulse von einem Hochfrequenzstrahler (HF-Strahler) auszusenden. In einem kombinierten Sende- und Empfangssystem werden die vom Füllgut reflektierten Impulse erfaßt und durch Laufzeitmessung dieser Impulse der Abstand zum Füllgut ermittelt.

Die Einkopplung der Mikrowellen in das Behälterinnere erfolgt über einen geeigneten HF-Strahler, wobei darauf zu achten ist, daß sich im Behälter keinerlei temperatur- sowie korrosions empfindliche Komponenten der Antenneneinrichtung befinden.

Um die Mikrowellen möglichst eng gebündelt auf die Füllgut oberfläche zu lenken, werden bei den Füllstandmeß-Radargeräten regelmäßig sogenannte Hochgewinnantennen eingesetzt. Hierbei ist die Divergenz, d. h. der Öffnungswinkel eines Antennen strahls umgekehrt proportional zu ihrem Größen-/Wellenlängen verhältnis. Dies hat zur Folge, daß bei gegebener Wellenlänge und diversen konstruktiven Randbedingungen, Öffnungswinkel von einigen Grad bis etwa 40° gebrauchsübliche Dimensionen dar stellen.

Die bei der Füllstandmessung mittels Mikrowellen am meisten verbreitete Antenneneinrichtung ist die Hornantenne. Eine üblicherweise aus Metall bestehende Trichterkonstruktion be stimmt mit ihrer Geometrie die Antennencharakteristika, wie z. B. Gewinn, Divergenz und Strahlungsdiagramm. Das Trichtermate rial wird vorzugsweise aus weitgehend chemisch resistenten Metallen hergestellt. Aus dem deutschen Gebrauchsmuster G 93 12 251.9 der Anmelderin ist ein Füllstandmeß-Radargerät be kannt, bei dem zwischen Erregerteil eines Hohlleiter-Anten nensystems und dem Gehäuse des Sende- und Empfangsteils eine diffusions- und druckdichte Glasdurchführung angeordnet ist, welche eine Füllstandmessung mit Hornantennen auch in Behäl tern mit brennbaren und/oder explosiblen Medien erlaubt.

Die Hornantenne ist für die meisten Anwendungen der beste Kompromiß zwischen den Anforderungen Divergenz, Druck, Tempe ratur, chemischer Beständigkeit und Herstellungsaufwand.

Darüber hinaus sind mittlerweile auch dielektrische Stabanten nen für das Abstrahlen von Mikrowellen bekannt, wie beispiels weise die Druckschrift "IEEE Transactions on Antennas and Propagation", Vol. AP-30, No. 1, Januar 1982, S. 4-58, zeigt. Diese dielektrischen Stabantennen bestehen im wesentli chen aus einem Hohlleiter, an dessen Ende ein sich vorzugs weise in Abstrahlrichtung verjüngender Stab aus dielektrischem Material sitzt.

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster 94 12 243.1 der Anmelderin ist ebenfalls eine dielektrische Stabantenne für ein Füll standmeß-Radargerät bekannt. Eine hohe chemische Beständig keit, Druckfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit wird dadurch erreicht, daß die dielektrische Stabantenne auf ihrer dem Behälter zugewandten Seite mit einer korrosionsbeständigen und für die elektromagnetischen Wellen durchlässigen Schutz schicht, vorzugsweise aus Email, Kunststoff oder Keramik, überzogen ist. Diese bekannte Konstruktion ermöglicht die Montage der dielektrischen Stabantenne in relativ dünnen Rohr stutzen unter Beibehaltung eines erforderlichen geringen Öff nungswinkels.

Allen diesen Antenneneinrichtungen zur Füllstandmessung ist ein an eine Koaxialleitung angeschlossener Erregerstift zur HF-Einkopplung gemeinsam, welcher radial zur Abstrahlrichtung der Antenneneinrichtung durch die Seitenwandung eines becher artigen Metallmantels geführt ist. An den Metallmantel schließt sich ein Hohlleiter mit einem dielektrischen Stab strahler, welcher sich in Abstrahlrichtung der Antenneinrich tung vorzugsweise kegelartig verjüngt, an.

Problematisch bei dieser "seitlichen" Einkopplung von MF-Ener gie ist sowohl der verhältnismäßig komplizierte Aufbau und der hiermit verbundene Montageaufwand als auch der verhältnismäßig große radiale Bauraum der Anordnung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte Anten neneinrichtung für ein Füllstandmeß-Radargerät mit dielektri schem Stabstrahler derart weiterzubilden, daß ein einfacherer Aufbau mit verkleinertem Bauraum möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Antenneneinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprü che.

Die Erfindung beruht darauf, anstelle der seitlichen HF-Ein kopplung mit Erregerstift eine axiale HF-Einkopplung der Mi krowellen am stirnseitigen Ende des Hohlleiters mittels minde stens einem planaren Strahlerelement Patch-Element) vorzuse hen.

Erfindungsgemäß sitzt das planare Strahlerelement auf einem plattenförmigen Substrat, das auf der zum Strahlerelement abgewandten Oberfläche mit einer elektrisch leitenden Schicht versehen ist und eine Dielektrizitätskonstante ε1 aufweist. Mit dieser Struktur wird eine Abstrahlung der Mikrowellen orthogonal zur Ebene des Strahlerelementes ermöglicht.

Der Hohlleiter selbst ist mit einem Material gefüllt, das eine Dielektrizitätskonstante ε2 aufweist. Dieses Material kann ein dielektrisches Material sein, wobei darauf zu achten ist, daß ε1 < ε2 ist. Dies stellt sicher, daß die Abmessungen des Strahlerelementes auf jeden Fall kleiner als der Durchmesser des Hohlleiters sein dürfen.

Die Erfindung und deren weitere zweckmäßige Ausgestaltungen werden nachfolgend im Zusammenhang mit einem Ausführungsbei spiel anhand von zwei Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine bekannte Antenneneinrichtung nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine Teilansicht der erfindungsgemäßen Antennenein richtung in Schnittdarstellung im Bereich der HF- Einkopplung.

In den nachfolgenden Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.

In Fig. 1 ist eine Schnittansicht einer bekannten Antennen einrichtung nach dem Stand der Technik dargestellt. Das dar gestellte Ausführungsbeispiel zeigt einen Behälterflansch 13 eines nicht näher gezeigten Behälters 5, dessen Füllstand mit einem Füllstandmeßgerät ermittelt werden soll. Der Behälter flansch 13 weist eine beispielsweise kreisförmige Öffnung 4 auf, die in einen Innenraum des Behälters 5 führt. Auf den Behälterflansch 13 ist die Gehäuseunterseite des Füllstandmeß gerätes montiert.

Das Füllstandmeßgerät ist ebenfalls lediglich ausschnittsweise anhand der in einem Flansch 1 der Gehäuseunterseite sitzenden Antenneneinrichtung gezeigt. Der Flansch 1 des Gehäuses des Füllstandmeßgerätes weist eine kreisförmige Öffnung auf, in der die Antenneneinrichtung sitzt. Die Öffnungen des Flansches 1 des Füllstandmeßgerätes und des Behälterflansches 13 sind konzentrisch übereinander angeordnet.

In der Öffnung des Flansches 1 des Füllstandmeßgerätes sitzt ein becherförmiger Metallmantel 6, der ein Hohlleitersystem bildet. Der Metallmantel 6 weist eine rohrförmige Seitenwan dung 6a auf, welche an ihrem dem Behälter 5 abgewandten Ende mit einer Deckelwandung 6b abschließt. An dem anderen Ende der Seitenwandung 6a schließt sich eine kreisförmige Flanschaufla ge 6c an, die zwischen dem Flansch 1 und dem Behälterflansch 13 liegt. Die Flanschauflage 6c weist im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ebenfalls eine Öffnung auf, die der Öffnung der rohrförmigen Seitenwandung 6a entspricht.

Der becherartige Metallmantel 6 mit seiner Deckelwandung 6b, der Seitenwandung 6a und der Flanschauflage 6c ist vorzugs weise einstückig ausgebildet und besteht aus Metall. In dem becherförmigen Metallmantel 6 sitzt das eine Ende eines Stabstrahlers 3, der sich in Richtung Behälter kegelförmig verjüngt. Zur Einkopplung von HF-Energie in den Stabstrahler 3 ist in der Seitenwandung 6a des Metallmantels 6 eine radiale Bohrung vorgesehen, in welcher eine Koaxialbuchse 12 sitzt. Innerhalb des Stabstrahlers 3 ist ein Erregerelement 11 an geordnet, das mit der Koaxialbuchse 12 elektrisch in Verbin dung steht. Die Koaxialbuchse 12 ist außerhalb des Metall mantels 6 mit einer Zuleitung 16 versehen, um die HF-Energie dem Erregerelement 11 zuzuführen.

In Fig. 2 ist ausschnittsweise ein Ausführungsbeispiel der Antenneneinrichtung nach der Erfindung im Bereich der HF-Ein kopplung dargestellt. Die Mikrowelleneinkopplung in den vor zugsweise runden oder elliptischen Hohlleiter 20 erfolgt durch ein am stirnseitigen Ende des Hohlleiters 20 angeordnetes planares Strahlerelement 21, das auch als Patch-Element be zeichnet wird. Der Hohlleiter hat z. B. bei einer Betriebs frequenz von 6 GHz einen Durchmesser von etwa 40 mm. Das regel mäßig aus Metall bestehende Strahlerelement 21 ist auf der Unterseite eines plattenförmigen Substrates 22 aufgebracht. Das plattenförmige Substrat 22 ist orthogonal zur Hohlleiter achse A ausgerichtet und liegt randseitig auf dem oberen Ende des Hohleiters 20 auf.

Das Substrat 22 besteht aus dielektrischem Material mit einer Dielektrizitätskonstanten ε1 und ist auf seiner Oberseite mit einer elektrisch leitenden Schicht 26, z. B. einer Metallisie rung, versehen. Die elektrisch leitfähige Schicht 26 könnte jedoch auch entfallen, wenn statt dessen die Hohlleiter-Rück wand als Masse herangezogen würde. Die HF-Speisung des Strah lerelementes 21 erfolgt über einen koaxialen Anschluß 24 mit einem inneren Kontaktstift 25, welcher durch das Substrat 22 hindurchgeführt ist und mit dem Strahlerelement 21 in elek trisch leitender Verbindung steht, ohne jedoch die elektrisch leitende Schicht 26 auf der Substratoberseite zu kontaktieren. Der Lage des Verbindungspunktes von Kontaktstift 25 und Strah lerelement 21 (Feedpunkt) ist entscheidend für die Eingangs impedanz der Antenne. Die Substratoberseite steht mit dem Außenleiter des koaxialen Anschlusses 24 in Verbindung. Hier für ist z. B. ein metallisches Einschraubstück 23 vorgesehen, das eine mittige, sich nach oben erstreckende, topfförmige Öffnung 27 aufweist, in welche zentrisch der Kontaktstift 25 ragt, und das am oberen Ende des Hohlleiters 20 festgeschraubt ist. Das Einschraubstück 23 liegt auf der Oberseite des Sub strates 22 und damit auf deren leitenden Schicht 26 auf und sorgt deshalb für die Kontaktierung von Einschraubstück 23 und elektrisch leitender Schicht 26.

Die Einspeisung von HF-Energie in das Strahlerelement 21 muß nicht notwendigerweise über den erwähnten koaxialen Anschluß 24 erfolgen. Es können auch andere geeignete Ankopplungen vorgesehen werden, z. B. eine kapazitive Ankopplung.

Das Strahlerelement 21 selbst weist z. B. eine Dicke von etwa 20 µm bis etwa 30 µm auf. Es weist des weiteren einen deutlich kleineren Durchmesser als der Hohlleiter 20 auf und kann z. B. viereckförmig, dreieckförmig, kreisförmig oder auch als Ring ausgebildet sein. Auch andere Formen sind möglich. Diesbe züglich wird zum Zwecke der Offenbarung ausdrücklich auf das Buch "Handbook of Microstrip Antennas" von J.R. James & P.S. Hall, Verlag IEE, Seiten 25 bis 32 verwiesen.

Bei Strukturen von Strahlerelementen 21, bei denen eine Micro strip-Zuleitung auf dem Substrat 22 realisierbar ist, kann die Eingangsimpedanz durch das gezielte Vorsehen von solchen Mi crostripleitungen variiert und dadurch optimal auf die HF- Speiseschaltung angepaßt werden.

Wie aus Fig. 2 weiter ersichtlich, ist das Innere des Hohl leiters mit einem Material 28, das eine Dielektrizitätskon stante ε2 aufweist, gefüllt. Vorzugsweise sitzt das Strahler element 21 luftspaltfrei auf einem dielektrischen Material 28 auf.

Um im Hohlleiter 20 eine HF-Abstrahlung mit der Grundfrequenz zu erhalten, muß das Substrat 22 eine größere Dielektrizitäts konstante aufweisen als das im Hohlleiter 20 befindliche Mate rial 28, d. h. ε1 < ε2. Ist dies nicht der Fall, wären die Abmessungen des Strahlerelementes 21 größer als der Durch messer des Hohlleiters 20 und damit nicht mehr realisierbar.

Anzumerken ist, daß im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch mehrere miteinander gekoppelte Strahlerelemente 21 vorgesehen werden können, sofern der Durchmesser des Hohlleiters 20 hier für ausreicht.

Die wesentlichen Vorteile der erfindungsgemäßen Antennenein richtung sind gegenüber herkömmlichen Antenneneinrichtungen folgende:

- einfachere Montage,
- Verwendung kleinerer Gehäuse bzw. Umgehäuse möglich,
- geringere Baulänge,
- einfache Herstellung,
- bei geringer Bandbreite ist eine gute Anpassung möglich.

Bezugszeichenliste

1

Flansch

3

Stabstrahler

4

Öffnung

5

Behälter

6

Metallmantel

11

Erregerelement

12

Koaxialbuchse

13

Behälterflansch/Antennenmasseanschluß

14

Bohrung

15

Bohrung

16

Zuleitung

20

Hohlleiter

21

Strahlerelement (Patch)

22

Substrat

23

Einschraubstück

24

koaxialer Anschluß

25

Kontaktstift

26

leitende Schicht

27

Öffnung

28

Material, Hohlleiterfüllung

6

a Seitenwandung

6

b Deckelwandung

6

c Flanschauflage

3

a Flanschauflage
A Hauptabstrahlrichtung

Claims

1. Antenneneinrichtung für ein Füllstandmeß-Radargerät mit einer Antenne (3) zum Abstrahlen von Mikrowellen entlang einer Hauptabstrahlrichtung (A) in einen Innenraum eines Behälters (5) und mit einer einen Hohlleiter (20) auf weisenden Vorrichtung (11) zum Einkoppeln von HF-Energie in die Antenne (3), dadurch gekennzeichnet, daß am zur Hauptabstrahlrichtung (A) abgewandten stirnseitigen Ende des Hohlleiters (20) mindestens ein orthogonal zur Haupt abstrahlrichtung (A) angeordnetes planaren Strahlerele ment (20) (patch) vorgesehen ist zur axialen HF-Einkopp lung der Mikrowellen in den Hohlleiter (20).

2. Antenneneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das planare Strahlerelement (21) auf einem plattenförmigen Substrat (22) sitzt, und daß das Substrat (22) auf der zum Strahlerelement (21) abgewandten Oberfläche mit einer elektrisch leitenden Schicht (26) versehen ist und eine Dielektrizitätskonstante ε1 aufweist.

3. Antenneneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlleiter-Rückwand als Masse für das Dielektrikum vorge sehen ist.

4. Antenneneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter (20) mit einem Material (28) gefüllt ist, das eine Dielektrizitätskonstante ε2 aufweist.

5. Antenneneinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material (28) ein dielektrisches Material ist.

6. Antenneneinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ε1 < ε2 ist.

7. Antenneneinrichtung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlerelement (21) luftspaltfrei auf dem dielektrischen Material (28) sitzt.

8. Antenneneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlerelement (21) aus Metall besteht und eine Dicke von etwa 20 bis 30 µm aufweist.

9. Antenneneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter (20) ein metallisisches rundes, rechteckiges oder elliptisches Rohr ist.

10. Antenneneinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter etwa einen Durchmesser von 40 mm aufweist.

11. Antenneneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Strahlerelemente (21) auf der Unterseite des Substrates (22) angeordnet und elektrisch miteinander gekoppelt werden.

12. Antenneneinrichtung nach einem der Ansprüche l bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne (3) ein dielektrischer Stabstrahler, Hornantenne oder Parabolspiegelantenne ist.