-
Prioritätsanspruch
-
Diese
Anmeldung beansprucht den Nutzen der vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer
60/333 440, eingereicht am 26. November 2001, die ausdrücklich durch
Bezugnahme in ihrem vollen Umfang in den vorliegenden Text aufgenommen
wird.
-
Gebiet der
Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Antennensystem für eine Füllstandsmessvorrichtung,
die sich für
die kontaktlose Messung des Füllstandes
eignet. Ein solches Antennensystem ist insbesondere zur Verwendung
mit einer sogenannten Füllstandsradarvorrichtung
bzw. einem Radarfüllstandssender vorgesehen.
Solche Vorrichtungen nennt man häufig auch
Radarfüllstandssensor.
Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Füllstandsradar,
das ein solches Antennensystem umfasst. Im Allgemeinen werden Antennensysteme
der oben erwähnten
Art zum Aussenden von Mikrowellensignalen benutzt. Das Aussenden
der Mikrowellensignale kann diskontinuierlich oder kontinuierlich
erfolgen. Diskontinuierlich ausgesandte Signale sind zum Beispiel
Mikrowellenimpulse. Radarfüllstandssensoren,
die Mikrowellen kontinuierlich aussenden, nennt man häufig FMCW
(Frequency Modulated Continuous Wave)-Radarfüllstandssensoren.
-
Technologischer
Hintergrund
-
Antennensysteme
dieses Typs werden hauptsächlich
zum Messen des Füllstandes
von Befüllungsprodukten
jeglicher Art verwendet, insbesondere von Schüttgut und Fluiden in Speichertanks oder
Aufnahmebehältnissen.
Die Bestimmung der Füllstandshöhe ergibt
sich dabei aus dem Messen der Laufzeit eines Mikrowellenimpulses,
der mittels des Antennensystems in die Richtung der Oberfläche des
zu ermittelnden Füllstandes
ausgesandt wird, der von der Oberfläche reflektiert wird und der
durch das Antennensystem empfangen wird und der schließlich zu
einem kombinierten Sende- und Empfangsmodul übertragen wird. Anhand der
Signallaufzeit und der Wellenausbreitungsgeschwindigkeit kann dann
der vom Signal zurückgelegte
Weg und – mit
Kenntnis der Behälterhöhe – der Füllstand
ermittelt werden. Zum Aussenden der Mikrowellenimpulse, die für diesen
Zweck benötigt
werden, werden unter anderem Hornantennen verwendet.
-
Hornantennen
kennt man bereits aus dem Stand der Technik auf dem Gebiet der Füllstandsmessungstechnologie;
allerdings sind alle von ihnen aufgrund ihrer baulichen Konfiguration
und Länge
mit gewissen Problemen behaftet.
-
Die
Mikrowellen, die für
die Füllstandsmessung
benötigt
werden, werden durch ein Hochfrequenzmodul (HF-Modul) erzeugt. Gemäß dem Stand der
Technik werden diese Mikrowellensignale über einen Erregerstift seitlich
in einen Wellenleiter eingekoppelt. Der Erregerstift, der in den
meisten Fällen
in Verbindung mit einer Glasdurchführung verwendet wird, erhält dabei
das Signal über
ein von dem HF-Modul abgehendes Koaxialkabel. Aus dem deutschen
Gebrauchsmuster
DE
94 12 243 U1 ist eine Hornantenne bekannt, bei der ein
Erregerstift mit einem Koaxialkabel für die Füllstandsmessung verbunden ist,
wobei der Erregerstift in die Seitenwand eines napfförmigen Metallmantels
eingreift. Auf diesen napfförmigen
Metallmantel folgt ein Wellenleiter. Auf den Wellenleiter wiederum
folgt ein daran gekoppeltes Antennenhorn.
-
Eine
Weiterentwicklung dieser Anordnung besteht in der Bereitstellung
einer planaren Struktur (Feld) anstelle des Erregerstiftes, um wiederum
die Mikrowellenimpulse ebenfalls in einen Wellenleiter einzukoppeln.
Die planare Struktur wird dabei auf ein dielektrisches Material
mit einer Dielektrizitätskonstante
von ε
1 aufgebracht und befindet sich an einem Ende
eines Wellenleiters. In der
DE 198 00 306 A1 wird vorgeschlagen, das
Einkoppeln von Mikrowellen in einen Wellenleiter mit Hilfe planarer
Strahlungselemente auszuführen.
Die planaren Strahlungselemente werden dabei an einem Vorderende
des Wellenleiters angeordnet. Diese Lösung basiert jedoch auch wieder
auf dem konstruktionsinhärenten
Problem, dass ein solches Antennensystem einen großen Bauraum
erfordert, der sich hauptsächlich
in die Länge
erstreckt.
-
Allen
bekannten Arten von Einspeisungssystemen ist jedoch gemein, dass
die Mikrowellenimpulse in einen Wellenleiter eingekoppelt werden,
an den sich ein Antennenhorn anschließt, das in Ausbreitungsrichtung
aufgeweitet ist. Hierbei ist die exakte Anpassung der Wellenleiterabmessungen
auf den Sendefrequenzbereich des Mikrowellensignals problematisch,
damit sich nur die Grundschwingung der Welle innerhalb des Wellenleiters
ausbreiten kann. Anpassungseinstellungen für den Wellenleiter, die nicht
exakt genug sind, können
zu Signalverzerrungen infolge von Wellendispersion führen, was schließlich zu
falsch dargestellten Messergebnissen führt.
-
Aus
US 4,888,597 beispielsweise
ist bekannt, eine Antenne direkt in der Trichterzone eines Antennenhorns
anzuordnen, das in zwei benachbarten Substraten einer Leiterplatte
ausgebildet ist, so dass es nicht erforderlich ist, einen Wellenleiter
bereitzustellen, in den die Impulse eingekoppelt werden. Eine ähnliche
Antennenanordnung ist aus
EP
0 866 517 bekannt, wobei eine Mikrostreifenantenne in einem
ausgesparten Abschnitt angeordnet ist, der in einem dielektrischen
Substrat ausgebildet ist. Somit ist sowohl die aus
US 4,888,597 bekannte Antennenanordnung
als auch die aus
EP 0 866 517 bekannte Antennenanordnung
auf oder in einer Leiterplatte angeordnet. Allerdings eignen sich
diese Antennenanordnungen nicht zur Verwendung auf dem Gebiet der Füllstandsmessung,
da sie nicht die hierfür
notwendige Sendeleistung besitzen.
-
Ferner
ist aus der
US 6,031,504 bekannt, eine
Mikrowellenhornantenne für
Tankfüllstandsmessungen
zu verwenden. In diesem Fall ist ein Monopol in der Antennenhorn-Trichterzone
angeordnet, um ein Mikrowellensignal direkt in das Antennenhorn einzukoppeln.
-
Zusammenfassung
der Erfindung
-
Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung umfasst ein Antennensystem für eine Füllstandsmessvorrichtung
zum Messen des Füllstandes
eines Befüllungsprodukts
in einem Aufnahmebehältnis
ein Antennenhorn mit einer ersten und einer von dieser beabstandeten
zweiten Hornöffnung,
wobei die zweite Hornöffnung
einen größeren Durchmesser
aufweist als die erste Hornöffnung,
und eine Antennenhorn-Trichterzone,
die sich zwischen der ersten und der zweiten Hornöffnung erstreckt,
und eine planare Struktur, die wenigstens ein Feld enthält, das
in der Antennenhorn-Trichterzone
nahe der ersten Hornöffnung
angeordnet ist und mit dem Mikrowellen direkt in das Antennenhorn
eingekoppelt werden können, um
den Füllstand
des Befüllungsprodukts
zu ermitteln, wobei die Mikrowellen dann durch das Antennenhorn
in die Richtung des Befüllungsprodukts
ausgesendet werden.
-
Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung umfasst ein Antennensystem für eine Füllstandsmessvorrichtung
zum Messen des Füllstandes
eines Befüllungsprodukts
in einem Aufnahmebehältnis
ein Antennenhorn mit einer inneren Antennenhorn-Trichterzone, und
die wenigstens teilweise mit einer Füllung eines dielektrischen
Materials gefüllt
ist, dessen Dielektrizitätskonstante
mindestens 1 ist, und eine planare Struktur in der Antennenhorn-Trichterzone, die
Mikrowellensignale in das Antennenhorn einkoppelt, um den Füllstand
des Befüllungsprodukts
zu ermitteln, wobei diese Mikrowellensignale dann durch das Antennenhorn
in die Richtung des Befüllungsprodukts
ausgesandt werden.
-
Somit
wird bei einem erfindungsgemäßen Antennensystem
gemäß einem
der oben angesprochenen Aspekte der Erfindung zum ersten Mal auf
einen Wellenleiter verzichtet, in den bis heute Mikrowellensignale
eingekoppelt wurden, wodurch die Längenausdehnung des Antennensystems
verringert werden kann. Anstelle des Wellenleiters kann zum Beispiel
ein Koaxialkabel mit der planaren Struktur, zum Beispiel mit dem
wenigstens einen darauf befindlichen Feld, verbunden werden, um
Mikrowellensignale (beispielsweise Mikrowellenimpulse) von einer
Mikrowelleneinheit des Radarsensors, der Mikrowellensignale erzeugt,
zu dem Antennensystem gemäß der vorliegenden
Erfindung zu leiten, dergestalt, dass Mikrowellen in die Richtung
eines Produkts ausgesandt werden, dessen Füllstand gemessen werden muss.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung kann sein, dass das Antennensystem
kompakter ist und klein genug ist, um selbst unter sehr beengten Platzverhältnissen
verwendet zu werden.
-
Wie
bereits beschrieben, mag es bisher allgemein üblich gewesen sein, Mikrowellen
entweder mittels eines Erregerstiftes oder unter Verwendung von
Feldern in einen Wellenleiter einzukoppeln, an den sich ein Antennenhorn
anschließt.
Dieses Einkoppeln in einen Wellenleiter war ursprünglich in
einer bauartbedingten Weise aufgrund der seitlichen Anordnung des
Erregerstiftes erforderlich. Bei der Weiterentwicklung dieses Systems,
wobei anstelle des Erregerstiftes planare Strukturen zum Einkoppeln
der Mikrowellen verwendet werden, wurde das Prinzip des Einkoppelns
in einen Wellenleiter beibehalten, da die Fachleute die Ansicht
vertraten, dass dies für
ein perfektes Funktionieren des Systems erforderlich sei.
-
Die
Kombination eines Wellenleiters und eines Antennenhorns erforderte
jedoch eine Verlängerung
einer wichtigen Komponente in der Längsrichtung. Überraschenderweise
wurde nach Durchführung
umfassender Tests festgestellt, dass es möglich ist, HF-Energie in Form
von Mikrowellen mittels einer planaren Struktur (eines Feldes) direkt
in ein Antennenhorn, beispielsweise in die Zone des Horntrichters,
einzukoppeln. Gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung haben sich planare Strukturen mit zwei
oder vier oder sogar noch mehr rechteckigen Feldern, die für eine Frequenz von
26 GHz optimiert sind, als besonders geeignet erwiesen. Die hierbei
verwendeten Felder können auch
beliebige andere Formen haben, wie beispielsweise dreieckig, oval
oder kreisförmig.
Um ein direktes Koppeln zu ermöglichen,
können
die Felder direkt am Vorderende des Antennenhorns angeordnet sein. Durch
dieses direkte Koppeln in das Antennenhorn wird die Baulänge des
Antennensystems im Vergleich zu herkömmlichen Systemen um bis zu
60 % verringert. Die Länge
einer zum Stand der Technik gehörenden
2"-Antenne mit einem
Wellenleiter mit einer Frequenz von 26 GHz zum Beispiel beträgt etwa
160 mm, während
die Konfiguration der neuartigen beanspruchten Merkmale nur 65 mm
bei vergleichbaren elektrischen Eigenschaften beträgt.
-
Antennen
werden oft unter chemisch aggressiven Umgebungsbedingungen oder
im Lebensmittelsektor verwendet. Um die Felder vor einer möglichen
chemischen Aktion oder vor einer Verschmutzung durch Lebensmittel
zu schützen,
werden die erfindungsgemäßen Antennensysteme
vorzugsweise vollständig
oder teilweise mit einem dielektrischen Material gefüllt. Diese
Füllung
mit einem dielektrischen Material (beispielsweise PP, PVDF, PTFE,
Keramik oder Mischungen daraus) mit einer Dielektrizitätskonstante
von εr.≥.1
hat neben dem Schutz von einer chemischen Aktion und einem Verschmutzen des
Feldes auch einen Schutzeffekt vor mechanischem Abrieb, was bei
bestimmten Befüllungsprodukten überaus nützlich sein
kann. Des Weiteren ist hier zu sagen, dass durch Fül len der
Hornantennen mit einem dielektrischen Material gleichzeitig verhindert
wird, dass das Kondensat in den Antenneninnenraum eindringt.
-
Das
Befüllen
der Antenne mit einem dielektrischen Material dient jedoch einem
ganz anderen Zweck: Abgesehen von dem reinen Schutzeffekt, der sich
für die
Antenne ergibt, gestattet die Verwendung einer solchen Füllung eine
weitere Verkleinerung des Antennensystems, indem die Abstrahlfläche der
Füllung
die Form einer optischen Linse oder eines Konus erhält, wodurch
der Wellenausbreitungswinkel verkleinert werden kann. Dies entspricht
gleichzeitig dem Erreichen einer größeren Verstärkung eines erfindungsgemäßen Antennensystems
im Vergleich zu einer herkömmlichen
Antenne mit insgesamt den gleichen Eigenschaften. Abgesehen von
dem einfachen Vorteil des Erreichens einer höheren Verstärkung gestattet somit die Verwendung
eines dielektrischen Füllmediums
eine Verkleinerung der Antenne: Durch die Tatsache, dass infolge
der Linsen- oder Konusform des Füllmediums
der Wellenausbreitungswinkel verkleinert wird und das Wellensignal damit
weniger gestreut wird, als es bei Feld-Antennen üblich ist, kann die Anzahl
der benötigten
Felder verringert werden, um eine bestimmte vorgegebene Verstärkung zu
erreichen. Dies wiederum bringt jedoch eine Verkleinerung der Antenne
mit sich – vor allem
hinsichtlich ihres Durchmessers.
-
Somit
kann durch Fokussieren der Freiraumwelle, die durch die Felder eingekoppelt
wird, was durch das Antennenhorn bewirkt wird, und das im Antennenhorn
befindliche dielektrische Material eine Verringerung der Anzahl
der Felder möglich
sein, die für
das Erreichen einer bestimmten Verstärkung erforderlich sind. Vorzugsweise
werden vier separate Felder verwendet, die elektrisch miteinander
verbunden sind. Somit ist es gleichfalls möglich, nur ein einziges, zwei
oder mehr als vier Felder zu verwenden.
-
Eine
solche Anordnung aus mehr als einem einzigen Feld kann einen weiteren
Vorteil der Erfindung darstellen: Wenn es bisher möglich war,
aufgrund des sehr kleinen Durchmessers des Wellenleiters ein einzelnes
Feld zum Einkoppeln von Signalen zu verwenden, besteht nun dank
der Erfindung die Möglichkeit,
mehr als nur ein einziges Feld zu verwenden, weil der Durchmesser
des Antennenhorns bei der jeweiligen Frequenz deutlich größer ist
als der bisher erforderliche Wellenleiterdurchmesser. Durch Verwenden
mehrerer Felder kann die Verstärkung damit
deutlich erhöht
werden, was zu einer höheren Messgenauigkeit
führt.
-
Es
kann des Weiteren sehr vorteilhaft sein, dass die erfindungsgemäßen Antennensysteme
mit geringem Aufwand und darum in einer sehr kosteneffizienten Weise
hergestellt werden können.
Aufgrund der geringen Bauteilabmessungen sind kleinere Gehäuse und
Verkapselungen möglich.
-
Ein
weiterer Vorteil der Erfindung kann darin liegen, dass ein Antennensystem
dieser Art auch in sehr hohen Frequenzbereichen benutzt werden kann.
Im Frequenzbereich von über
30 oder 50 GHz werden die mechanischen Abmessungen eines Wellenleiters
gewöhnlich
so klein, dass eine herkömmliche
Konstruktion nicht mehr betrieben werden kann.
-
Ein
weiterer wichtiger Vorteil kann in der systembedingten explosionssicheren
Isolierung dieser Konstruktion liegen. Darum braucht unter gefährlichen
Umgebungsbedingungen keine zusätzliche Vorsorge
für eine
explosionssichere Isolierung getroffen zu werden, weil die separate
Erdung, die für diesen
Zweck erforderlich ist (Stromkreismasse, Erde) bereits systembedingt
vorhanden ist. Die Isolierung der Stromkreismasse relativ zur Aufnahmebehältnis-Masse
ergibt sich bei der vorliegenden Erfindung durch die Leiterplatte,
auf der sich die Felder befinden. Die Felder sind hierbei über den
inneren Leiter des Koaxialkabels mit der Stromkreismasse verbunden.
-
Die
vorliegende Erfindung erweist sich darüber hinaus insofern als besonders
vorteilhaft, als abgesehen von der koaxialen Speisung der Felder
alle sonstigen herkömmlichen
Verfahren, wie beispielsweise das Mikrostreifen-, das Mikrostreifen-Sandwich-,
das Schlitz- oder das koplanare Speisungsverfahren, möglich sind.
-
Wie
schon eingangs der Darstellung der Erfindung erläutert, besteht ein gewisser
Bedarf an Antennensystemen, die klein genug sind, um auch unter sehr
begrenzten Platzverhältnissen
verwendet zu werden. Diesem Bedarf an solchen miniaturisierten Antennensystemen
kann mittels der Erfindung entsprochen werden. So können die
erfindungsgemäßen Antennensysteme
auch in Aufnahmebehältnissen
mit einer sehr niedrigen Höhe
verwendet werden, deren Behältnisvolumen
vollständig
genutzt werden soll.
-
Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung umfasst eine beispielhafte Ausführungsform
eines Antennensystems der vorliegenden Erfindung ein Antennenhorn
mit einer inneren Antennenhorn-Trichterzone und eine planaren Struktur
an einem Ende der Antenne, wobei diese planare Struktur Mikrowellensignale
in das Antennenhorn einkoppelt, um den Füllstand des Befüllungsprodukts
zu ermitteln.
-
Bei
einer oben erwähnten
beispielhaften Ausführungsform
eines Antennensystems der vorliegenden Erfindung umfasst die planare
Struktur wenigstens ein Feld.
-
Bei
einer weiteren oben erwähnten
beispielhaften Ausführungsform
eines Antennensystems der vorliegenden Erfindung ist die innere
Antennenhorn-Trichterzone wenigstens teilweise mit einer Füllung eines
dielektrischen Materials mit einer Dielektrizitätskonstante von mindestens
Eins befüllt.
-
Das
Füllmaterial
kann aus der Gruppe, die PP, PTFE und Keramik umfasst, ausgewählt sein.
-
Bei
einer weiteren oben erwähnten
beispielhaften Ausführungsform
eines Antennensystems der vorliegenden Erfindung umfasst das Antennensystem
des Weiteren eine Scheibe eines dielektrischen Materials, das für Mikrowellen
durchlässig
ist, wobei die Scheibe vor der planaren Struktur angeordnet ist und
innerhalb der inneren Antennenhorn-Trichterzone versiegelt ist.
-
Bei
einer weiteren oben erwähnten
beispielhaften Ausführungsform
eines Antennensystems der vorliegenden Erfindung hat das Antennenhorn
eine erste Hornöffnung
und eine zweite Hornöffnung,
wobei die zweite Hornöffnung
einen größeren Durchmesser
hat als die erste Hornöffnung
und die Scheibe neben der zweiten Hornöffnung angeordnet ist.
-
Bei
einer weiteren oben erwähnten
beispielhaften Ausführungsform
eines Antennensystems der vorliegenden Erfindung hat die Scheibe
eine bestimmte Dicke (t) von etwa λ/2, geteilt durch die Quadratwurzel
des Dielektrizitätskonstante ε
r des
dielektrischen Materials der Scheibe und multipliziert mit n, wobei λ die Wellenlänge der
Mikrowellen ist, die durch das Antennensystem ausgesandt werden,
und n ∈ N*.
Die entsprechende Formel lautet:
-
Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
-
Im
Folgenden werden verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben,
in denen Folgendes zu sehen ist:
-
1 ist
ein teilweiser Längsschnitt
durch eine erste Ausführungsform
der Erfindung.
-
2 zeigt
eine Ansicht von 1 von unten in der umgekehrten
Richtung zur Hauptwellenausbreitungsrichtung.
-
3 ist
ein Längsschnitt
durch eine weitere Ausführungsform
der Erfindung.
-
4 ist
eine schematische Zeichnung, in der das Prinzip der explosionssicheren
Isolierung zu sehen ist.
-
5 zeigt in den Ausführungsformen a bis c verschiedene
mögliche
Antennenhornformen, mit denen die erfindungsgemäßen Antennensysteme ausgestattet
werden können.
-
6 zeigt in den Ausführungsformen a bis f verschiedene
Antennenhornfüllungen
mit verschiedenen möglichen
Linsenformen, mit denen die erfindungsgemäßen Antennensysteme ausgestattet
werden können.
-
7 zeigt in den Ausführungsformen a bis j verschiedene
Antennenhornfüllungsformen,
mit denen die erfindungsgemäßen Antennensysteme
ausgestattet werden können.
-
8a–8c zeigen
verschiedene Antennenhornfüllungsformen,
die mit einer kreisrunden Platte oder Scheibe kombiniert sind, mit
der das erfindungsgemäße Antennensystem
ausgestattet werden kann.
-
9a–9e zeigen
weitere beispielhafte Ausführungsformen
einer Scheibe neben einem Vorderende einer Hornantenne.
-
10 zeigt
eine schematische, teilweise durchbrochene Zeichnung einer beispielhaften
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, insbesondere eines Füllstandssenders, umfassend
ein Antennenhorn mit einer planaren Struktur, die durch einen Wafer
oder eine Scheibe geschützt
ist, die innerhalb des Antennenhorns angeordnet ist.
-
Beschreibung
beispielhafter Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung
-
1 ist
ein Längsschnitt
durch ein erfindungsgemäßes Antennensystem.
Das Antennensystem besteht aus einem metallischen Flansch 1,
der mit mehreren Bohrungen 9 versehen ist. Die Bohrungen 9 dienen
der Aufnahme von Schrauben, mittels denen das Antennensystem an
einem Aufnahmebehältnis
oder Speichertank (nicht gezeigt) befestigt wird, das bzw. der eine Öffnung aufweist,
durch die das metallische Antennenhorn 2 in das Innere
des Aufnahmebehältnisses
ragt. Die Bohrungen 9 müssen
zu diesem Zweck ihre Fortsetzung in entsprechenden Bohrungen in
der Wand des Aufnahmebehältnisses
finden, damit das Antennensystem mit dem Aufnahmebehältnis verschraubt
werden kann. Des Weiteren hat der Flansch 1 eine zusätzliche Bohrung 10 in
seiner Mitte, durch die ein Koaxialkabel 5 hindurchgeführt ist.
Unter dem Flansch 1 des Antennensystems ist ein Antennenhorn 2 mit
Schrauben 8 angebracht.
-
Das
Antennenhorn 2 ist an dem Flansch 1 in einer solchen
Weise befestigt, dass die Mittelachse des Antennenhorns 2 koaxial
zur Mittelachse der Bohrung 10 verläuft. Das Antennenhorn 2 weist
eine Ausnehmung an der Vorderseite seiner kleinen Trichteröffnung auf.
In der Ausnehmung ist ein Substrat 3 zwischen dem Flansch 1 und
dem Antennenhorn 2 eingeklemmt. Das Substrat 3 dient
als ein Trägermaterial
für die
darauf angeordneten Felder 4. Zwischen dem Substrat 3 und
dem Flansch 1 ist eine dünne durchgängige Erdungsfläche 7 angeordnet.
-
Die
Felder 4, die an der Unterseite des Substrats 3 angeordnet
sind, befinden sich direkt an der Vorderseite der kleinen Antennenhornöffnung.
An die Felder 4 wird über
das Koaxialkabel 5 HF-Energie angelegt. Das HF-Signal wiederum
wird durch ein (nicht gezeigtes) HF-Modul erzeugt und über das
Koaxialkabel 5 zu den Feldern 4 geleitet, die
sich an dem Substrat 3 befinden. Das Koaxialkabel 5 kann dabei
auf beiden Seiten des HF-Moduls sowie auf dem Substrat 3 entweder
mittels einer Lötstelle 6 oder
einer Steckverbindung befestigt werden.
-
Das
Substrat 3 besteht aus einem dielektrischen Material, das
unter anderem eine explosionssichere Isolierung bildet. Die durchgängige Erdungsfläche 7 sowie
das dielektrische Substrat 3 werden in einer solchen Weise
durch das Antennenhorn 2 an den Flansch 1 geklemmt,
dass die planare Normale des Substrats 3 mit der Hauptwellenausbreitungsrichtung übereinstimmt.
-
In 2 ist
das Antennensystem von 1 in einer Ansicht von unten
gezeigt. Dabei ist die konzentrische Anordnung der wesentlichen
Komponenten zu sehen. Hier sind vier separate Felder 4 zu
sehen, die auf dem Substrat 3 konzentrisch zur Hauptwellenausbreitungsrichtung
angeordnet sind. Die vier Felder 4 sind elektrisch miteinander
verbunden.
-
3 zeigt
eine weitere Ausführungsform der
Erfindung. Das Antennensystem besteht hier ebenfalls aus einem Antennenhorn 2,
in dessen kleinere Öffnung
HF-Signale über
Felder 4 eingekoppelt werden, die direkt an der Vorderseite
der kleineren Antennenhornöffnung
angeordnet sind. Die planare Geometrie der Felder 4 ist
auf einem dielektrischen Substrat 3 angeordnet. In der
in 3 beschriebenen Ausführungsform kann die Verdrahtung
zwischen dem HF-Modul und dem Antennensystem weggelassen werden.
Das wird dadurch erreicht, dass man die Felder 4 auf derselben
Leiterplatte wie die aktiven Komponenten des HF-Moduls 11 anordnet
oder sie mit dem HF-Modul 11 mittels einer Durchkontaktierung
auf einer Mehrschichtplatine verbindet.
-
Des
Weiteren sind in 3 eine Füllung 13 und eine
Verkapselung 12 der metallischen Hornantenne 2 gezeigt.
Die umhüllende
Oberfläche
der metallischen Antennenhorn 2 ist zum einen vollständig von
einer Verkapselung 13 eines dielektrischen Materials, beispielsweise
PVDF, umgeben. Des weiteren ist der Hohlraum, der durch das Antennenhorn 2 gebildet
wird, vollständig
oder wenigstens teilweise mit einem dielektrischen Material, beispielsweise
PP, gefüllt.
Die Füllung 13 kann
dabei verschiedene Formen haben. Die möglichen Füllungsformen sind in den anderen
Figuren erläutert.
-
Wie
bereits erläutert
wurde, besteht ein wichtiger Vorteil dieser Konstruktion darin,
dass die separate Leitfähigkeit
zur Erde, die für
die explosionssichere Isolierung erforderlich ist, bereits in einer
systembedingten Weise vorhanden ist. In der schematischen Zeichnung
von 4 ist diese explosionssichere Isolierung in einem
Beispiel gezeigt. Bei der vorliegenden Erfindung ergibt sich die
Isolierung von der Aufnahmebehältnis-Erdung
der Stromkreismasse des HF-Moduls, die mit der Antenne über den äußeren Leiter
des Koaxialkabels 5b verbunden ist, durch eine Kopplung
an das metallische Antennenhorn 2 durch das Substrat 3,
an dem die Felder 4 angebracht sind. Die Dicke des Substrats 3 wird
entsprechend der Spannungsstabilität der Explosionssicherheitsanforderungen
gewählt
(beispielsweise 0,5 mm). In dem HF-Modul erfolgt auch die Isolierung des
inneren Leiters 5a des Koaxialkabels von dem äußeren Leiter 5b.
-
In 5 sind verschiedene Antennenhornformen 2a, 2b und 2c gezeigt,
mit denen ein erfindungsgemäßes Antennensystem
ausgestattet werden kann. Die Hornform 2a von 5a stellt
die Standard-Hornform dar. Außerdem
werden aber auch die Trompetenform 2b, die in 5b gezeigt
ist, ein konvexes Horn sowie die Tulpenform 2c, die in 5c gezeigt
ist, also ein konkaves Horn, in gleicher Weise verwendet. Die Anzahl
der erwähnten Hornformen 2, 2b und 2c ist
nicht einschränkend.
Es sind noch weitere Hornformen möglich. Natürlich ist auch ein Kombination
der verschiedenen Hornformen der 5a bis 5c vorstellbar.
-
In 6 sind die wichtigsten Hornfüllungsformen 20a–20d gezeigt. 6a stellt
ein Horn 2 ohne Füllung
dar. Das in 6b gezeigte Horn 2 ist vollständig mit
einem dielektrischen Material 13b (beispielsweise PP, PVDF
oder PTFE) gefüllt,
wobei die Füllung 13b in
jedem Fall planar mit dem Ende der vorderen und hinteren Hornöffnung abschließt. In den 6c bis 6f sind
mögliche
Linsenformen 20a–20d der
Füllungen 13c–13f gezeigt.
Die positiven Linsenformen 20a, 20b der 6c und 6d können als
kreisrunde Konen (6c), deren Spitze in die Wellenstrahlungsrichtung
weist, oder als eine konvexe Linse ( 6d) aufgebaut
werden. Die negativen Linsen 20c, 20d der 6e und 6f haben
die Form eines negativen Konus (6e),
dessen Spitze in die Richtung weist, die der Wellenausbreitungsrichtung
entgegengesetzt ist, oder eine konkave Form (6f).
-
Verschiedene
Formen einer Füllung 13 aus dielektrischem
Material sind in 7 gezeigt. Alle diese
beispielhaften Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung können
mit einer planaren Struktur kombiniert werden, wie oben erwähnt. Ein
beispielhaftes Füllmaterial
ist beispielsweise PP, PVDF oder PTFE. Eine solche Füllung 13 kann,
wie bereits erwähnt,
ein Antennenhorn 2 vollständig oder nur teilweise füllen. Hierbei
sind verschiedene Füllungsformen
möglich.
Diese sind in den 7a bis 7j gezeigt.
Die Füllungen 13 der 7a bis 7e sind teilweise
Füllungen,
die sich nur im vorderen Bereich des Horns befinden. Im Innenraum
des Horns bildet die Füllung
einen kreisrunden Konus, dessen Spitze in die Richtung der kleineren
Hornöffnung
weist. Die Wellenabstrahlfläche
in der Zone der größeren Hornöffnung kann
verschiedene Formen aufweisen. Diese Hornformen weisen Linsenqualitäten auf,
wie sie bereits im Zusammenhang mit 6 erklärt wurden. Die
Hornfüllungsformen
von 7f bis 7i sind teilweise
Füllungen,
die nur im hinteren Hornbereich vorhanden sind. Die Füllungsformen
bestehen in jedem Fall aus einem kreisrunden Zylinder, dessen Spitze
in die Richtung der größeren Hornöffnung weist. 7j stellt
eine weitere Ausführungsform
dar, wobei die Felder einfach durch eine planare Scheibe 21 aus
dielektrischem Material abgedeckt sind.
-
Alle
hier gezeigten Hornfüllungsformen
dienen einerseits dem Fokussieren von Mikrowellen und andererseits
dem Schützen
der Felder 4 vor Aktionen, die durch aggressive Umgebungsbedingungen oder
durch mechanische Einwirkungen des Schüttguts verursacht werden. Der
wichtige Vorteil, der durch das Fokussieren von Mikrowellen erreicht
wird, besteht in der Möglichkeit
einer Optimierung der sogenannten Verstärkung der Antenne.
-
Abgesehen
von den Varianten, die in den 5 bis 7 gezeigt sind, sind sämtliche Kombinationen der verschiedenen
Varianten für
die Hornformen und Hornfüllungsvarianten
möglich,
d. h. jedes Antennenhorn 2 kann mit jeder Füllung 13 und
jeder Linse kombiniert werden.
-
8a–8c zeigen
verschiedene beispielhafte Ausführungsformen
einer Füllung 13 in Kombination
mit einer Scheibe 21 innerhalb eines Antennenhorns 2 eines
erfindungsgemäßen Antennensystems.
Die in 8a gezeigte Scheibe 21 besteht
aus einem dielektrischen Material, das für auszusendende Mikrowellensignale
durchlässig
ist. Die Scheibe 21 ist fest in das Antennenhorn 2 eingepasst.
Eine planare Struktur 4 ist dergestalt auf der linken Seite
der Scheibe 21 angeordnet, dass sie beispielsweise vor
einer chemisch aggressiven Atmosphäre innerhalb eines Speicher tanks,
in den das Antennenhorn 2 gerichtet ist, geschützt ist.
-
Die
in 8b gezeigte beispielhafte Ausführungsform eines Antennensystems
gemäß der Erfindung
entspricht der in 8a gezeigten Ausführungsform,
außer
dass sie mit einer Füllung 13 mit
einer konischen Form kombiniert ist. Die Spitze der konusförmigen Füllung 13 ist
auf eine Oberfläche
eines Produkts gerichtet, dessen Füllstand zu messen ist. Eine
Modifizierung der Ausführungsform
von 8b ist in 8c gezeigt.
Hier hat eine Füllung 13,
die mit einer Scheibe 21 kombiniert ist, eine Basis, die
kleiner ist als die Basis der konusförmigen Füllung 13 von 8b.
Die Ausführungsform
gemäß 8b sowie
die in 8c gezeigte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Antennensystems
können
den Vorteil haben, dass eine Feldstruktur 4 vor aggressiven
Umgebungen geschützt
ist und die ausgesandte Strahlung in einer gewünschten Weise fokussiert werden
kann.
-
Die 9a–9e zeigen
weitere beispielhafte Ausführungsformen
einer Kombination eines Antennenhorns 2 und eines Schutzelements 22a–e, das
an der zweiten Hornöffnung
des Antennenhorns 2 angeordnet ist. Die in 9a gezeigte
beispielhafte Ausführungsform
umfasst eine Schutzplatte 22a mit einer planaren Innenfläche und
einer planaren Außenfläche. Die
in 9b gezeigte weitere beispielhafte Ausführungsform
umfasst eine Schutzplatte 22b mit einer konvexen Form.
Die alternative Ausführungsform
gemäß 9c umfasst
eine Schutzplatte 22c mit einer konvexen Form 2,
wobei die Außenfläche aber
gerundet ist. Eine weitere Modifizierung einer Schutzplatte 22d ist
in 9d gezeigt. Diese Schutzplatte 22d hat
eine konkave Form, die mit der Form der Modifizierung von 9b identisch
ist, wobei aber die Spitze der Platte 22d auf die Feldstruktur 4 gerichtet
ist. Zu guter Letzt ist eine weitere beispielhafte Ausführungsform
einer konkaven Schutzplatte 22e in 9e gezeigt.
Hier ist die Schutzplatte 22e mut der Schutzplatte 22c von 9c identisch,
aber herumgedreht.
-
In
allen beispielhaften Ausführungsformen gemäß den 9a–9e entspricht
die Dicke der Schutzplatte 22a–22e einem Wert, der
errechnet wird durch λ/2,
geteilt durch die Quadratwurzel der Dielektrizitätskonstante des Materials der
Schutzplatte 22a–22e.
Die Dicke der Schutzplatte 22a–22e könnte auch
ein Vielfaches des oben erwähnten
Wertes sein.
-
Schließlich ist
eine weitere beispielhafte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Antennensystems
in 10 in einem Längsschnitt
gezeigt. Hier umfasst ein Radarfüllstandssender
ein Gehäuse 26 und
eine erfindungsgemäße beispielhafte
Ausführungsform
des Antennensystems. In dem Gehäuse 26 ist
unter anderem eine elektronische Einheit oder ein elektronisches
Modul untergebracht. Das elektronische Modul erzeugt Mikrowellensignale,
zum Beispiel Mikrowellenimpulse. Da die elektronischen Einheiten
und Module eines Radarfüllstandssenders oder
Radarfüllstandssensors
dem Fachmann allgemein bekannt sind, wird auf diese Einheiten hier
nicht näher
eingegangen. Das Modul, das Mikrowellenimpulse erzeugt, ist mit
einem Ende eines Koaxialkabels 5 verbunden. Das andere
Ende des Koaxialkabels 5 ist mit einer planaren Struktur 4 verlötet, die wenigstens
ein Feld aufweist (Position 6). Alternativ könnte das Koaxialkabel 5 auch
durch eine Einsteckverbindung elektrisch mit der planaren Struktur 4 verbunden
sein.
-
Die
planare Struktur 4 mit dem wenigstens einen Feld ist in
der Mitte einer Stützscheibe 27 gestützt. Diese
Stützscheibe 27 stößt gegen
eine Endfläche
eines Antennenhorns 2. Das Antennenhorn 2, wie
in 10 gezeigt, hat eine Öffnung 29. Zwischen der
Endfläche,
an der die planare Struktur 4 angeordnet ist, und der Öffnung 29 des
Antennenhorns 2 ist eine Schutzscheibe oder ein Schutzfenster 21c, wie oben
erwähnt,
angeordnet. Dieses Schutzfenster 21c hat eine etwas konische
Querschnittsform, deren Spitze zur zweiten Öffnung 29 des Antennenhorns 2 weist.
Für eine
bessere Abdichtung zwischen dem Schutzfenster 21c und dem
Antennenhorn 2 ist ein Dichtring 25 in eine Aufnahmenut,
die in dem Antennenhorn 2 ausgebildet ist, eingesetzt.
Die gesamte Anordnung, das heißt
der Radarfüllstandssensor
mit der Antenne, ist in einem Loch eines Flansches 1 montiert.
Dieser Flansch 1 fungiert als ein Montagemittel für den Radarfüllstandssensor.
Der Flansch 1 wird mittels (nicht gezeigter) Schrauben
an einem Speichertank befestigt.
-
Während des
Betriebes erzeugt die elektronische Einheit einen Mikrowellenimpuls,
der durch das Koaxialkabel 5 direkt zu der planaren Struktur 4 geleitet
wird. Mittels der Felder auf der planaren Struktur 4 wird
dieser Mikrowellenimpuls in die Richtung des Schutzfensters 21c ausgesandt,
durchdringt das Fenster 21c und kann durch die Linsenform
dieser Schutzplatte 21c fokussiert werden. Mittels des
Antennenhorns 2 wird der Mikrowellenimpuls zu einer Oberfläche eines
zu messenden Produkts geleitet. Ein Echo, das von der Oberfläche des
Produkts zurückgeworfen
wird, wird in dem Antennenhorn 2 empfangen, durchdringt
das Schutzfenster 21c und wird mittels des Feldes oder
der Felder auf der planaren Struktur 21c empfangen. Das
zurückgeworfene
Echo des Mikrowellenimpulses wird dann durch das Koaxialkabel 5 zu
der elektronischen Einheit in dem Gehäuse 6 geleitet, um
die Laufzeit zu ermitteln. Nach Ausführung verschiedener Berechnungen
wird der Füllstand
ermittelt, und ein entsprechendes Signal, das den Füllstand
des Produkts innerhalb des Speichertanks darstellt, wird zu einem
(nicht gezeigten) Empfänger
gesandt.
-
Schließlich ist
noch anzumerken, dass das Material des Schutzfensters 21c für Mikrowellen durchlässig ist
und angesichts einer möglichen
aggressiven Atmosphäre
innerhalb des Tanks mit einer Schutzbeschichtung überzogen
sein kann.
