EP1820237A1 - Vorrichtung zum aussenden und/oder empfangen von hochfrequenzsignalen in ein offenes oder ein geschlossenes raumsystem - Google Patents

Vorrichtung zum aussenden und/oder empfangen von hochfrequenzsignalen in ein offenes oder ein geschlossenes raumsystem

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Publication number
EP1820237A1
EP1820237A1 EP05813681A EP05813681A EP1820237A1 EP 1820237 A1 EP1820237 A1 EP 1820237A1 EP 05813681 A EP05813681 A EP 05813681A EP 05813681 A EP05813681 A EP 05813681A EP 1820237 A1 EP1820237 A1 EP 1820237A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
support structure
transmitting
shape
antenna elements
array antenna
Prior art date
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Ceased
Application number
EP05813681A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Roland Müller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Endress and Hauser SE and Co KG
Publication of EP1820237A1 publication Critical patent/EP1820237A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/40—Radiating elements coated with or embedded in protective material
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/284—Electromagnetic waves
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12—Supports; Mounting means
    • H01Q1/22—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles
    • H01Q1/225—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles used in level-measurement devices, e.g. for level gauge measurement

Definitions

  • the present invention relates to a device for emitting and / or receiving high-frequency signals in an open or a closed space system, wherein the device is designed as a phased array antenna, which emits and receives the high-frequency signals with a predetermined shape of the wavefront, which is at the phased array antenna is a carrier structure with emitting and / or receiving antenna elements, wherein the carrier structure is made of a dielectric material, wherein a transmitting / receiving unit is provided, wherein at least one feed network for the transmission of the high frequency signals between the transmitting / receiving unit and the emitting and / or receiving antenna elements is configured, and wherein a control / evaluation is provided.
  • a measurement principle of a variety of measurement methods to determine the level in a container is the transit time measurement method.
  • the transit time measurement method for example, microwaves or radar waves are transmitted via an antenna device and the echo waves reflected on the medium surface are received again after the distance-dependent transit time of the measurement signal. From the half life can be calculated accordingly, the level of the medium in a container.
  • the echo curve represents the received signal amplitude as a function of time, wherein each measured value of the echo curve corresponds to the amplitude of an echo signal reflected at a specific distance on a surface.
  • the transit time measurement method is essentially divided into two determination methods: what is the time difference measurement that determines the time that a broadband wave signal pulse needs for a traveled distance, and another widely used determination method is the determination of the flip frequency difference of the transmitted frequency modulated radio frequency signal for reflected, received, frequency-modulated high-frequency signal (FMCW - Frequency Modulated Continuous Wave).
  • FMCW frequency-modulated High-frequency signal
  • phased array antennas are already used in a planar design for some time, as these other, among other things radiate special modes such as the TE 01. These modes have the advantage for level measurements in containers that they are almost unaffected by the effects of container walls spread.
  • planar antennas are known from the patent application DE 101 18 009 Al and from the patent EP 1 083 413 Bl.
  • planar antennas are usually mounted, for example in a process measuring structure, in such a way that the surface of the planar antenna is arranged orthogonal to the gravitational field of the earth or parallel to the product surface. Due to a temperature difference between the filling material and the planar antenna, the volatile constituents of the contents to be measured condense on the surface of the planar antenna and droplets of the condensate form. By drop formation of the condensed medium, the radiation characteristics of the antenna is changed and falsified the measurement of the level of a product in a container.
  • US Pat. No. 6,629,458 B1 discloses an embodiment of a planar antenna in which a filled hollow cone is placed in front of the planar antenna as antenna protection structure (radome) with a filling material made of a dielectric, thermally insulating material which has the same effect as described above, that the condensate can drip off the surface of the antenna.
  • a surface radiating antenna consists of a rectangular metal surface (surface radiator) which is applied to a dielectric substrate over a conductive base.
  • surface radiator There are a variety of other possible shapes for special applications, such as circular, elliptical, triangular and annular surface radiators used. The different shapes are used, for example, to increase the bandwidth of the emitted high-frequency signal or to excite different modes.
  • Embodiments of multilayer planar antennas of a glass ceramic are known from the patent US 6,145,176 and the patent application WO 02/09232 Al. As shown in these writings, it is advantageous to the multi-layered support structure on the basis of a glass ceramic that can be sintered at low temperatures ( ⁇ 1000 0 C) (LTCC -Low temperature co-fired ceramic) build. This method of laminating multiple thin layers of unfired ceramic and structured metallic structures together on the surface is very easy to implement for a highly integrated high frequency device design. The planar laminated ceramic stack with the metallic structures is fired at low temperatures, giving it its final strength.
  • the invention is therefore an object of the invention to provide a cost-effective, compact and resistant device for transmitting and receiving high-frequency signals, which is characterized by an optimized emission characteristics.
  • This object is achieved according to a first embodiment of the invention characterized that the shape of the carrier structure in the emission direction of the array antenna antenna deviates from a planar shape, and that the control / evaluation unit, the deviations of the current shape of the wavefront of the predetermined shape of the wavefront, due to the shape of the support structure with the emitting and / or receiving antenna elements occur compensated.
  • the adjustment of the wavefront to a predetermined shape is achieved by a targeted antenna assignment or by a targeted control and evaluation of the phase position, the frequency and / or the amplitude of the measurement signal of the individual emitting and / or receiving antenna elements by the control / evaluation unit.
  • This electronic compensation of the wavefront of the measurement signal or of the emission characteristic of the shaped array antenna antenna by calculating back the measurement signal delay of the individual antenna elements in the control / evaluation unit, requires an increased computing power of the control / evaluation unit and an increased processing performance or measurement performance transmitter / receiver unit.
  • this type of compensation of the deformation of the wavefront it is necessary to control the transmitting and receiving antenna elements individually or in certain groups with the special signal to be sent out and / or separately evaluate the reflected measurement signal again.
  • a major advantage of the electronic compensation of the wavefront of the measurement signal is that almost any wavefront of the array antenna can be adjusted and this set wavefront changed by a relatively simple change of the drive and determination profile of the individual emitting and receiving antenna elements or their groups or to vote.
  • Shape of the support structure in the emission direction of the array antenna antenna deviates from the planar shape, and that the emitting and / or receiving antenna elements and / or the feed network for the individual emitting or receiving antenna elements of the array antenna antenna of the type on and / or in the support structure configured and / or arranged are that the deviations of the current shape of the wavefront from the given shape of the wavefront, which occur due to the shape of the support structure, are at least approximately compensated.
  • a different way the changes in The wave front due to the uneven surface shape of the support structure with the antenna elements located thereon and compensate to compensate, is that the design, distance and / or the size of the emitting and receiving antenna elements affect the emitted and reflected measurement signal and the predetermined wavefront can generate.
  • the measuring signal from the transmitting / receiving unit to the emitting and / or receiving antenna elements of the phased array antenna and vice versa, to correct the deviation of the wavefront of the predetermined shape.
  • the feed network can be understood not only to mean a line network into which the radio-frequency signal is coupled centrally at one point, but also the direct contacting of the individual transmitting / receiving units with the antenna elements, as is the case with a "phased shift
  • differences in the phase angle of the measurement signal in the individual antenna elements are created by the path length differences of the feed network and / or phase shifter elements integrated in the feed network Wavefront and corrects the radiation characteristic of the phased array antenna, since adjacent wave points of the measurement signal with the same phase form a common wavefront.
  • a back-calculated RF design of the emitting and receiving antenna elements th and their feed network in turn optimized emission characteristics are generated as in a planar array antenna.
  • the support structure consists of the dielectric material, which is designed malleable at least in one of the processing steps of a manufacturing process of the phased array antenna. Due to the malleable design possibility of the phased array antenna during a manufacturing process step, the support structure can be brought in one piece in a certain shape. However, care must be taken that no residual stresses occur in the production process in the material of the curved shape of the phased array antenna, which otherwise could lead to cracks in the material of the carrier structure and the applied antenna element structures.
  • the shape of the support structure which consists of the dielectric material, is made up of composite planar sections.
  • Another way to produce a particular shape of the phased array antenna is the carrier structure in planar sections with a divide certain proportion of the emitting and receiving antenna elements and to fix them on a form element.
  • At least one connecting line and / or at least one feed network to the transmitting / receiving unit are provided on the shaped element, whereby the fixed, planar sections of the carrier structure are electrically contacted.
  • the shaped or conformal array antenna has a faceted surface structure.
  • the partially planar regions of the carrier structure of the phased array antenna can be adjusted by an adaptation to the predetermined shape with a thickness-variable protective layer, so that the surface of the phased array antenna assumes a uniformly curved shape and thus the resulting condensate can drain and drain better.
  • the dielectric material of the support structure is a ceramic, glass ceramic, organic materials, a mixture of ceramic with organic materials, Low Temperature Cofired Ceramics (LTCC) or a Teflon composite material is.
  • LTCC Low Temperature Cofired Ceramics
  • Teflon composite material is used for selecting the materials for the support structure, the transmitting and receiving antenna elements, the feed network, the integrated transmitting / receiving unit and the control / evaluation unit.
  • An advantageous embodiment of the first and second embodiments of the solution according to the invention is to be seen in that the support structure of the dielectric material on the side facing away from the emission direction of the phased array antenna forms a cavity.
  • this structural cavity deposits or condensates of the medium can arise, however, this introduction of material on the radiation characteristics of the phased array antenna hardly affects, since the emitting and receiving antenna elements are upstream of this cavity and the emission is designed towards filling.
  • An advantage is that in this cavity electronics and other sensors can be accommodated.
  • a filling material is provided which the Cavity hermetically sealed. So that no condensate and no filling material settles in the resulting cavity, the cavity can be hermetically sealed by a filling material.
  • the hermetic seal mechanically stabilizes the deformed phased array antenna and further protects the electronics and other sensors from the aggressive process environment. The effect of the mechanical stabilization of the carrier structure of the phased array antenna can still be increased by introduced into the cavity stabilizing elements.
  • the support structure is designed as a multi-layer support structure with multiple layers.
  • the multi-layered design of the support structure has the advantage that more complex three-dimensional structures of the transmitting and receiving antenna elements, the feed network, the transmitting / receiving unit and the control / evaluation unit can be configured. Furthermore, the multi-layered design of the support structure allows the RF properties of the material of each layer to be matched to the RF characteristics of the structures thereon.
  • a further advantageous embodiment of the device according to the first and second solution of the invention is to be seen in that the emitting and / or receiving antenna elements are arranged on and / or between at least one layer of the multilayer carrier structure. Due to the multilayered design of the carrier structure, the antenna elements may also be constructed over several layers, whereby the layers of the carrier structure are adapted to the high frequency characteristics of the respective applied or incorporated structures (e.g., antenna elements, feed network, electronics). As a result of the multilayer design of the carrier structure, more complex three-dimensional structures can thus also be realized.
  • a protective layer is provided, which is applied to the support structure or the multilayer support structure.
  • This protective layer can be applied from the same or similar material as the carrier structure.
  • the phased array antenna is constructed from a multilayer glass ceramic
  • a thin glass ceramic layer is applied as a protective layer over the emitting and receiving antenna elements in the production process of the phased array antenna, which by the material composition in the RF properties, such as attenuation of the RF signal, temperature stable DK Value, and chemical properties, such as gas tightness, chemical resistance, is optimized.
  • the phased array antenna is a stripline, a slot, a loop or a surface radiating antenna with corresponding emitting and receiving antenna elements or a combination thereof.
  • a variant of the two solutions according to the invention is that the support structure with the emitting and / or receiving antenna elements has at least one elevation and / or at least one depression in the emission direction of the phased array antenna.
  • a very advantageous variant of the two solutions according to the invention is to be seen in that it is at least one conical shape, at least one pyramidal shape, at least one tetrahedral shape, at least one concave shape, at least one convex shape or at least in the depression and / or elevation is a wedge shape of the profile of the support structure. Due to the configuration of the elevations and depressions with geometric shapes that have a tapered protruding region, the condensate drops located on the surface are driven together by the gravitational force and the resulting normal force to converge to larger condensate drops. These protruding areas can be designed in any number on the surface of the phased array antenna. Furthermore, a combination of different profiles or geometric shapes on a support structure is conceivable.
  • the support structure with the survey and / or the recess has at least one tear-off edge or break-off point. Due to the tear-off edge or the break-off point, the adhesive force of the draining drops of the condensate is removed and the condensate drips off as drops.
  • This spoiler edge is usually already given by the geometric shape of the support structure. For example, in a shaping of the support structure as a cone stocking or similar geometric structures no tear-off edge but only a one-dimensional break-off point is formed.
  • An advantageous embodiment of both solutions according to the invention is that it is a container in the closed room system.
  • the emitting and / or receiving antenna elements and the feed network consist of a conductive material and / or a metal. So that the high-frequency signals or electromagnetic waves can be guided as line waves, the antenna elements and the feed network must consist of a conductive material.
  • structures are usually applied from a metal, but it is also possible, for example, conductive areas in the ceramic to produce glass ceramic by introducing certain conductive materials in these areas.
  • a further advantageous embodiment of the two devices according to the invention is that on the side facing away from the emission direction of the carrier structure of the phased array antenna in the cavity, the transmitting / receiving unit and / or the control / off value unit is configured.
  • the design of the thin support structure creates a cavity on the side facing away from the filling material. This cavity is used to integrate the RF electronics of the transceiver into the structure of the phased array antenna. By filling the cavity with a filler material, the array antenna with integrated electronics is pressure-sealed and sealed.
  • a complementary embodiment of the two devices according to the invention is that the transmitting / receiving unit and / or the control / evaluation unit is integrated in a layer of the multilayer support structure or on the support structure. If the LTCC technique is used for the construction of the phased array antenna, the transceiver unit and / or the control / evaluation unit can be configured in some layers of the multilayer carrier structure. This has the advantage that connecting lines between the individual electronics can be saved and can be generated by the shorter ways the high-frequency signal without loss and forwarded.
  • a further advantageous embodiment of the two devices according to the invention is that the feeding of the high-frequency signal from the transmitting / receiving unit in the feed network and / or the transmitting and receiving antenna elements of the phased array antenna via a coaxial line or a waveguide.
  • the electronics are usually mounted outside the process space, so that an electromagnetic connection is necessary between the electronics and the array antenna 1. This connection can be made via a coaxial line 27 or via a waveguide 29, wherein the high-frequency signal 14 is passed.
  • control / evaluation unit 23 by means of the transit time measurement of the emitted to the received high-frequency signals 14, the level 4 of a product 5 in the open or the closed room system 2 determined.
  • the device from the Group antenna antenna 1, the transmitting / receiving unit 25 and the control / evaluation unit 23 is used to determine the level 4 in a container 3.
  • the time-of-flight measuring method is basically divided into two methods of determination: Which are the determination of the time difference which a transmitted high-frequency signal pulse requires for a distance covered; Another widespread determination method is the determination of the frequency difference of the emitted high frequency signal 14, S to the reflected, received high frequency signal 14, R (FMCW - Frequency Modulated Continuous Wa ve), wherein the frequency of the emitted high frequency signal 14, S is changed continuously.
  • 1 is a schematic plan view of a first embodiment as a patch phased array antenna
  • FIG. 2 shows a sectional view of a first embodiment according to the marking A-B in Fig. 1,
  • FIG. 3 is a schematic plan view of a second embodiment as a microstrip phased array antenna
  • FIG. 4 is a sectional view of the second embodiment according to the mark C-D in Fig. 3,
  • FIG. 5 is another sectional view of the second embodiment according to the mark C-D in Fig. 3,
  • FIG. 6 shows a schematic overall view of a measuring device mounted on a container with a phased array antenna according to the invention
  • FIG. 7 LTCC process sequence for producing a phased array antenna according to the invention.
  • an embodiment of the phased array antenna 1 is shown as a so-called.
  • Patch array antenna with surface radiating elements Antennas with a directional radiation characteristic 20 or a directivity can be synthesized by a combination of individual radiators or individual antenna elements 6 into an array or a matrix.
  • the area radiating elements of the emitting and receiving antenna elements 6 are arranged concentrically or radially symmetrically, for example. Due to the design of the emitting and receiving antenna elements 6, the change in directivity or radiation characteristic 20 can be compensated by the shape of the phased array antenna 1, which can be seen in the sectional view in FIG. 2.
  • the magnetic area current densities in the coupling aperture layer 31 and the antenna Elements 6 is known, so that with the help of the Green's functions from the radiation characteristic of the far field of the array antenna can be determined.
  • the change in the size of the surface radiating elements has an effect on the emission characteristic 20 of the individual emitting and receiving antenna elements 6 and thus has an effect on the directional characteristic 20 and the wavefront 15 of the entire phased array antenna 1 im in the superposition of the individual radiation characteristics 19 of the individual antenna elements far field.
  • the surface radiating elements have, for example, a square surface, which are shown in FIG. 2 by the plan view of a hemispherical shape of the phased array antenna 1 as trapezoidal surfaces.
  • Fig. 2 is a sectional view of the phased array antenna 1 of Fig. 1 according to the marking A-B is shown.
  • the transmitting and receiving antenna elements 6, the feed network 24 and the transmitting / receiving unit 25 are integrated into the multilayer carrier structure 11 in the specific layers 12 of the multilayer carrier structure 11.
  • the individual structures and antenna elements, which are applied to the layers 12 of the multilayer carrier structure 11, are electrically contacted to one another via the layer 12 via through-contacts (vias), which were introduced into the layers 12 in the production process.
  • the materials of each layer 12 in the multilayer support structure 11 are adapted to the high frequency technical and mechanical properties of the introduced structures and antenna elements 6. Another possibility, which is not shown in FIG. 2, is realized by aperture-coupled structures.
  • the coupling for example between feed network 24 and transmitting and receiving antenna elements 6 takes place through narrow coupling apertures, which are made of a grounded, metallized Koppelapertur Mrs 31 out. Due to the slot coupling, the feed network 24 is completely shielded by the ground plane, which leads to very good radiation properties with respect to side lobe levels as well as the cross-polarization of the measurement signal 14.
  • the multilayer support structure 11 has a shape as a spherical section with a large radius, whereby the condensate 33 driven by the gravitational force G expires.
  • a protective layer 13 is applied to the layer 12 with the emitting and receiving antenna elements 6.
  • This protective layer 13 can be modified in the manner, for example with a hydrophobic surface, so that the contact angle of the condensate drops is as large as possible and the bearing surface of the condensate drop 33 is reduced. By reducing the contact surface of the condensate drop 33, the adhesion force, which holds the condensate drops 33 on the surface, smaller.
  • a tear-off edge or tear-off point 18 for condensate drops 33 has been worked out, from which the drops running on the protective layer 13 drip off.
  • the support structure 10 can be implemented, such as conical shape, wedge shape, waveform, and it is also contemplated that they also form multiple times in the support structure 10.
  • the integrated in the multi-layer support structure 11 transmitter / receiver unit 25 communicates with the control / evaluation unit 23.
  • This connection line 28 is, for example, in a cast-in tube, which is also used to attach the phased array antenna 1 and as a line of electrical Mass 32 serves, led.
  • the control / evaluation unit 23 is connected via a field bus 26 to a remote control center or further measuring devices 7. Via this field bus 26, the measuring device 7 is also supplied with energy according to the two-wire technique.
  • an additional power supply line can also be provided, but this is not explicitly shown in FIG. 2.
  • a phased array antenna 1 as a
  • Microstrip antenna or microstrip antenna shown.
  • the transmitting and receiving antenna elements 6 are arranged symmetrically and change from inside to outside the size. Due to the change in size of the emitting and receiving antenna elements 6, the shape of the phased array antenna 1 and the associated modified radiation characteristic 20 and the modified wavefront 15 of the high-frequency signal pulse 14 of the phased array antenna 1 can be compensated.
  • the high-frequency signals are forwarded, for example via a coupling-in structure 30 and a feed network 24, to the emitting and receiving antenna elements 6.
  • the high-frequency signal 14 is emitted by the emitting antenna elements 6 in the free space. About the layer 12 with the emitting and receiving antenna elements 6 is hinted another layer 12 as Koppelapertur Mrs or Koppelaperturblende 31 attached.
  • This coupling aperture 31 is in most cases made of a conductive material or coated with a conductive material and has at the locations where are in the lower layer 12, the transmitting and receiving antenna elements 6, recesses provided.
  • FIG. 4 shows a possible sectional view of the phased array antenna 1 from FIG. 3 according to the marking C-D.
  • the profile 8 of the phased array antenna 1 is formed as a cone shape.
  • the emitting and receiving antenna elements 6 are applied to the filling material 5 side facing the support structure 10 and are fed via a feed network 24 with the high frequency signal 14.
  • an electrical ground layer 32 is applied, which has an electrical contact with the tube, in which the connecting line 28 is guided.
  • a protective layer 13 is attached, which protects the conductive structures from corrosion and attack by the aggressive media or filling material 5.
  • the transmitting / receiving unit 25 the high-frequency signal pulse 14 to be transmitted is generated and the reflected high-frequency signal 14 is received again and preprocessed.
  • This transmitting / receiving unit 25 is in this embodiment spatially applied separately from the control evaluation unit 23 on a separate board, which is introduced into the cavity 21 and hermetically sealed for protection with the filling material 22.
  • Via a connecting line 28, the transmitting / receiving unit 25 is connected to the control / evaluation unit 23 and simultaneously connected via a coaxial line 27 via a coupling structure 30 to the feed network 24.
  • the connecting line is embodied, for example, as a coaxial line 27 in the case of an analog measuring signal transmission, but if the measuring signal 14 is already preprocessed and digitized in the transmitting / receiving unit 25, a simple data line is sufficient.
  • the coupling structure 30 in this embodiment is a coaxial connector.
  • the control / evaluation unit 23 communicates via the fieldbus 26 with a remote control center or other measuring devices 7.
  • FIG. 5 shows a further possible sectional view of the phased array antenna 1 from FIG. 3 according to the marking CD.
  • the profile 8 of the phased array antenna 1 is again designed as a conical shape.
  • the structure of the phased array antenna 1 has at least two fundamental differences from the sectional view of the phased array antenna 1 in Fig. 4. The first difference is that the transmitting / receiving unit 25 is coupled directly to the control / evaluation unit 23 and that the high-frequency signal 14 by electromagnetic waves is transmitted via a waveguide 29 to a coupling structure.
  • the emitting and receiving antenna elements 6 are designed as conductor structures in a layer 12 of the support structure 10 and above this layer 12 a coupling aperture layer 31 made of a conductive material or conductive Material coating with recesses at the location of the emitting and receiving antenna elements 6 is attached. These recesses are designed such that a high-frequency signal 14 or an electromagnetic wave is emitted with a specific mode and / or frequency, whereby the emission characteristic 20 of the array antenna 1 can also be changed and adjusted by the size of the recesses of this coupling aperture layer 31.
  • a phased array antenna 1 with such a coupling aperture layer 31 is known from EP 1 083 423 A1 and DE 101 08 993 A1.
  • the transmission of the measuring signal 14 from the transmitting / receiving unit 25 or the HF electronics and the feed network 24 and the transmitting and receiving antenna elements 6 is, as already mentioned above, via electromagnetic waves in a waveguide or waveguide 29 are made possible.
  • the high-frequency signal pulse 14 is generated in the transmitting / receiving unit 25 and emitted via an exciter pin in the waveguide 29 as a transmitted pulse S.
  • the waveguide 29 passes the high-frequency signal pulse 14 as far as a bidirectional injection structure 30, which converts the free-radiating electromagnetic waves in the free space into conduction-connected electromagnetic waves and transmits them to the feed network 24.
  • the reflection signal R or the reflected high-frequency signal 14 is transmitted in the other direction.
  • Fig. 6 is a measuring device 7, which after the pulse transit time measuring method the
  • the measuring device 7 is mounted on the container 3, and the phased array antenna 1 with the emitting and receiving antenna elements 6 is inserted through an opening in the measuring space of the container 5.
  • the pulse transit time measuring method operates according to the following measuring principle: High-frequency signal pulses 14 and a transmitted pulse S are emitted via the emitting and receiving antenna elements 6 of the array antenna 1, which propagate in the free space of the container 3 in the air or the protective gas approximately at the speed of light , These high-frequency signal pulses 14 are partially or completely reflected back on materials located in the emission cone of the phased array antenna 1 with a higher DK value than that of the air or the protective gas.
  • About the measured transit time of the emitted high-frequency signal 14 and a transmission pulse S to the reflected high-frequency signal 14 and reflection signal R is determined by a conversion over the formula of the shaft speed, the distance traveled.
  • This difference distance corresponds to the height of the container 3 minus the level 4 of the filling material 5 in the container 3. Since the height of the container 3 or the position of the coupling of the high-frequency signal 14 is known, thus the level 4 in the container 3 can be determined.
  • the high frequency signal pulses 14 are generated and forwarded via the feed network 24 and the coaxial line 27 to the corresponding emitting antenna elements 6 in the support structure 10 of the phased array antenna 1.
  • Emit high-frequency signals 14, which have been reflected, for example, again on the surface of the medium 5, are directed by receiving antenna elements 6 of the phased array antenna 1 via the feed structure 24 and the coaxial line to the transmitting / receiving unit 25, in which the received radio frequency signals 14 are electronically pre-processed .
  • the received radio-frequency signals 14 are converted in the transmitting / receiving unit 25 by means of a sampling method or sequential sampling with two frequency sequences which are slightly offset in frequency into a time-expanded low-frequency intermediate frequency signal.
  • the reflected down in this way reflected measurement signal 14 can then be evaluated in the low-frequency range of the control / off value unit 23 and run time or path of the emitted radio frequency signal 14 can be determined.
  • the control / evaluation unit 23 also has the task of controlling the communication with a remote control center or another measuring device 7 via the fieldbus 26, for example.
  • the caused by the special shape of the phased array antenna 1 change the wavefront 15 and the radiation pattern 20 can be electronically compensated by adjusting the phase angle of the high frequency signal 14 of the transmitting antenna elements 6.
  • This electronic compensation can be done on the one hand by the transmitting / receiving unit 25, in which, for example, an electronic phase delay circuit is integrated.
  • This electronic phase delay circuit which is controlled by the control / evaluation unit 23, generates phase differences in the high-frequency signals 14, which are forwarded via the feed network 24 and a coaxial line 27 to the corresponding emitting antenna elements 6.
  • This electronic phase delay circuit can be adjusted, for example, in a measurement setup via the fieldbus 26 through the control / off value unit 23, in which the radiation pattern 20 or directivity of the array antenna 1 is determined, a structural profile of the phase delay is calculated and the structural profile in one Memory unit of the control / evaluation unit 23 is stored.
  • the error of the predetermined radiation characteristic 19 or the predetermined wavefront 15 of the shaped phased array antenna 1 is determined and thus, the phase correction values of the different emitting and receiving antenna elements 6 determined and stored. It is also possible not to integrate the transmitting / receiving unit 25 itself in the support structure 10 or the cavity 21, but only the electronic phase delay circuit which receives the in-phase high-frequency signal 14 via a coaxial line 27 from the transmitting / receiving unit 25. On the other hand, the electronic compensation of the phase position can also be effected by recalculating the individual measurement signals 14 of the antenna elements 6 in the control evaluation unit 23. For this purpose, the measurement signals 14 of the individual antenna elements 6 are compared with each other and then corrected in the phase relationship to each other. This technique of electronic compensation of the wavefront or radiation characteristic requires a high computing power and thus requires more time than the other compensation methods.
  • the array antenna 1 Due to the special shape of the array antenna 1 recesses and / or elevations 16 arise in the geometric shape of the array antenna 1, whereby at least one directed to the contents protruding portion 17 is formed.
  • the gravitational G which acts on the condensate drops 33, they converge at the protruding areas and can there at a trailing edge or a break point 18 they overcome adhering adhesive forces and drain again from the surface.
  • Fig. 7 the process sequence of producing a phased array antenna (1) is shown with a nonplanar support structure in the LTCC technique (Low Temperature Cofired Ceramics).
  • the process sequence of production can be roughly subdivided into the following stations:
  • the holes for through-holes are filled with conductive paste in the stencil printing or screen printing process and special vacuum technology in order to produce conductive layers after sintering. form bonds between the individual layers of the film. Before the next processing step, the paste must be dried in the oven.
  • Printed circuit traces, resistors and capacitors are produced by a screen printing process with the corresponding conductive paste on the surface.
  • a photo-structurable paste can be applied, which can be patterned photolithographically. Again, after each printing or manufacturing process, the applied material must be dried.
  • Laminating In a laminating press (uniaxial or isostatic), the layers are intimately connected by pressure (about 3000 psi) and temperature (about 8O 0 C). The organic binders in the film play the main role.
  • Thermal isostatic pressing In an isostatic press, the interconnected layers are pressed by pressure and temperature into the desired shape. Special tools and press tools allow the stack to take its desired shape and the cavities, tracks and other machined structures are not deformed. This method step can also be carried out together with the preceding method step of laminating F, but care must be taken that the individual layers do not shift relative to one another due to the shaping.
  • Burning out and sintering In compliance with a temperature-time profile adapted to the materials used, the organic contents of the foil and the pastes are first burned out in a sintering oven at approx. 400 - 500 ° C. Thereafter, the glazing process or the sintering of the composite to glass ceramic takes place at about 880-900 0 C. Using glass-ceramic composites, which have only a small volume shrinkage, the molded support structure can be sintered in the mold, whereby a higher dimensional accuracy of the is to ensure shaped group antenna antenna.
  • Stacking sequence of the multilayer support structure 11 may be integrated, which have a certain structuring.
  • structuring the material for example as honeycomb structures, circular structures, triangular structures and polygon structures, stiffeners in the stacking sequence of the multilayered support structure 11 that stabilize the multilayer support structure 11 arise.
  • stresses that may arise in the material by the shaping compensated by the structured layers 12 and neutralized.
  • coupling structure 31 Coupling aperture layer, coupling aperture stop, coupling aperture

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aussenden und/oder Empfangen von Hochfrequenzsignalen in einem offenen oder einem geschlossenen Raumsystem, wobei die Vorrichtung als Gruppenstrahlerantenne (1) ausgestaltet ist, die die Hochfrequenzsignale mit einer vorgegebenen Ausformung der Wellenfront (15) aussendet und empfängt, wobei es sich bei der Gruppenstrahlerantenne (1) um eine Trägerstruktur mit aussendenden und/oder empfangenden Antennenelementen handelt, wobei die Trägerstruktur aus einem dielektrischen Material ausgestaltet ist, wobei eine Sende-/Empfangseinheit (25) vorgesehen ist, wobei zumindest ein Speisenetzwerk für die Übermittlung der Hochfrequenzsignale zwischen der Sende-/Empfangseinheit und den aussendenden und/oder empfangenden Antennenelementen ausgestaltet ist, und wobei eine Regel-/Auswerteeinheit (23) vorgesehen ist. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige, kompakte und resistente Vorrichtung zum Senden und Empfangen von Hochfrequenzsignalen vorzuschlagen, die sich durch eine optimierte Abstrahlcharakteristik auszeichnet.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zum Aussenden und/oder Empfangen von Hochfrequenzsignalen in ein offenes oder ein geschlossenes Raumsystem
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aussenden und/oder Empfangen von Hochfrequenzsignalen in einem offenen oder einem geschlossenen Raumsystem, wobei die Vorrichtung als Gruppenstrahlerantenne ausgestaltet ist, die die Hochfrequenzsignale mit einer vorgegebenen Ausformung der Wellenfront aussendet und empfängt, wobei es sich bei der Gruppenstrahlerantenne um eine Trägerstruktur mit aussendenden und/oder empfangenden Antennenelementen handelt, wobei die Trägerstruktur aus einem dielektrischen Material ausgestaltet ist, wobei eine Sende-/Empfangseinheit vorgesehen ist, wobei zumindest ein Speisenetzwerk für die Übermittlung der Hochfrequenzsignale zwischen der Sende-/Empfangseinheit und den aussendenden und/oder empfangenden Antennenelementen ausgestaltet ist, und wobei eine Regel-/ Auswerteeinheit vorgesehen ist.
[0002] Ein Messprinzip aus einer Vielzahl von Messmethoden den Füllstand in einem Behälter zu ermitteln, ist die Laufzeit-Messmethode. Bei der Laufzeit-Messmethode werden beispielsweise Mikrowellen bzw. Radarwellen über eine Antennenvorrichtung ausgesendet und die an der Mediumsoberfläche reflektierten Echowellen werden nach der abstandsabhängigen Laufzeit des Messsignals wieder empfangen. Aus der halben Laufzeit lässt sich demgemäß der Füllstand des Mediums in einem Behälter berechnen. Die Echokurve stellt hierbei die empfangene Signalamplitude als Funktion der Zeit dar, wobei jeder Messwert der Echokurve der Amplitude eines in einem bestimmten Abstand an einer Oberfläche reflektierten Echosignals entspricht. Die Laufzeit- Messmethode wird im wesentlichen in zwei Ermittlungsverfahren aufgeteilt: Welche sind die Zeitdifferenzmessung, die die Zeit, die ein breitbandiger Wellensignalimpuls für eine zurückgelegte Wegstrecke benötigt, ermittelt, und ein weiteres weit verbreitetes Ermittlungsverfahren ist die Bestimmung der Kippfrequenzdifferenz des ausgesendeten, frequenzmodulierten Hochfrequenzsignals zum reflektierten, empfangenen, frequenzmodulierten Hochfrequenzsignal (FMCW - Frequency- Modulated Continuous Wave).
[0003] Im Weiteren wird keine Beschränkung auf ein spezielles Ermittlungsverfahren gemacht.
[0004] In der Prozessmesstechnik werden Gruppenstrahlerantennen in planarer Ausgestaltung schon seit längerer Zeit eingesetzt, da diese untner anderem auch besondere Moden z.B. den TE 01 abstrahlen. Diese Moden haben für die Füllstandsmessungen in Behältern den Vorteil, dass Sie sich nahezu unbeeinflusst von den Einflüssen der Be- hälterwände ausbreiten.
[0005] Solche Ausgestaltungen von Planarantennen sind bekannt aus der Patentanmeldung DE 101 18 009 Al und aus der Patentschrift EP 1 083 413 Bl.
[0006] Ein Nachteil von Planarantennen ist, dass diese beispielsweise in einem Prozess- messaufbau meist so angebracht sind, dass die Oberfläche der Planarantenne orthogonal zum Gravitationsfeld der Erde bzw. parallel zur Füllgutoberfläche angeordnet ist. Durch eine Temperaturdifferenz zwischen dem Füllgutes und der Planarantenne kondensieren an der Oberfläche der Planarantenne die flüchtigen Bestandteile des zu messenden Füllgutes und es bilden sich Tropfen des Kondensats. Durch Tropfenbildung des kondensierten Füllguts wird die Abstrahlcharakteristik der Antenne verändert und die Messung des Füllstandes eines Füllguts in einem Behälter verfälscht. Da sich die Kondensation des verdampfenden Füllguts bzw. Mediums an der Planarantenne nicht vermeiden lässt, wird versucht über eine strukturelle Maßnahme die Adhäsionskräfte bzw. Oberflächenspannung des kondensierten Mediums an der Materialoberfläche der Planarantenne zu überwinden. Eine solche Ausgestaltung einer angepassten Planarantenne ist in der Patentschrift US 6,684,697 B 1 beschrieben, wobei die Planarantenne um einen Winkel a schräg zu einer Horizontalen H angeordnet ist. Durch die Schrägstellung hat die Gravitationskraft auch eine Kraftkomponente parallel zur Oberfläche der Planarantenne, wodurch das Kondensat angetrieben durch diese zusätzliche Kraftkomponente (Normalkraft) zu größeren Tropfen zusammen läuft und an gegebener Stelle abtropft. Die Änderung der Wellenfront bzw. der Abstrahlrichtung der Strahlungskeule durch die Schrägstellung der Planarantenne wird über eine unterschiedliche Phasenansteuerung der Antennen- elementreihen kompensiert. Des Weiteren ist in der Patentschrift US 6,629,458 Bl eine Ausgestaltung einer Planarantenne aufgezeigt, in der vor die Planarantenne ein gefüllter Hohlkegel als Antennenschutzstruktur (Radome) mit einem Füllmaterial aus einem dielektrischen, thermisch isolierenden Material gesetzt wird, das den gleichen Effekt wie zuvor beschrieben hat, dass das Kondensat von der Oberfläche der Antenne abtropfen kann.
[0007] Es gibt verschiedene Arten von Planarantennen, die sich hinsichtlich ihrer auftretenden Effekte, Ausgestaltung und Herstellung unterscheiden. Beispielsweise besitzen Mikrostreifen-Flächenstrahler- Antennen (Microstrip-Patch- Antennas) eine Reihe bemerkenswerter Vorteile hinsichtlich des geringen Platzbedarfs, einfacher Herstellung sowie dem geringen Gewicht. Eine Flächenstrahler- Antenne besteht im einfachsten Fall aus einer rechteckförmigen Metallfläche (Flächenstrahler), die auf einem dielektrischen Substrat über einer leitenden Grundfläche aufgebracht ist. Es wird noch eine Vielzahl weiterer möglicher Formen für spezielle Anwendungen, wie z.B. kreisförmige, elliptische, dreieckige sowie ringförmige Flächenstrahler verwendet. Die unterschiedlichen Formen dienen beispielsweise zur Erhöhung der Bandbreite des ausgesendeten Hochfrequenzsignals oder zur Anregung verschiedener Moden.
[0008] Die einfachste Art der Anregung erfolgt beispielsweise mit Hilfe von Streifenleitungen, die in derselben Substratebene wie das Flächenstrahler- Antennenelement ausgestaltet sind. Diese Art von Anregung hat den Vorteil einer einfachen und schnellen Herstellung. Dem stehen jedoch gravierende Nachteile gegenüber, da das Speisenetzwerk und die strahlenden Antennenelemente sehr unterschiedliche Anforderungen an das Substratmaterial stellen. Aus diesem Grund weisen einschichtige Mikrostreifen-Flächenstrahler- Antennen mit noch akzeptablen Strahlungseigenschaften nur eine geringe Bandbreite auf. Abhilfe schafft die Verwendung von mehrschichtigen Strukturebenen, bei denen Strahler und Speisenetzwerk auf unterschiedlichen Trägerstrukturschichten bzw. Substratlagen angeordnet sind. Die Substrate bzw. Trägerstrukturen für Speisenetzwerk und Flächenstrahler- Antennenelemente lassen sich dann unabhängig voneinander optimal wählen. Durch den mehrschichtigen Aufbau wird jedoch eine elektrische Verbindung zwischen Speisenetzwerks- und Strahlerebene notwendig. Eine Möglichkeit ist die direkte galvanische Verbindung in Form von koaxialen Durchkontaktierungen. Eine weitere, elegantere Möglichkeit bieten über eine Koppelapertur gekoppelte Antennenstrukturen. Die Kopplung zwischen Speisenetzwerk und Antennenelementen entsteht durch schmale Koppelaperturen in der gemeinsamen Massemetallisierung. Aufgrund der Schlitzkopplung ist das Speisenetzwerk vollständig durch die Massefläche abgeschirmt, was zu sehr guten Strahlungseigenschaften bezüglich Nebenkeulen-Niveaus sowie der Kreuzpolarisation führt.
[0009] Ausgestaltungen von mehrschichtigen Planarantennen aus einer Glaskeramik sind aus der Patenschrift US 6,145,176 und der Patentanmeldung WO 02/09232 Al bekannt. Wie auch in diesen Schriften aufgezeigt, ist es vorteilhaft die mehrschichtige Trägerstruktur auf der Basis einer Glaskeramik, die sich bei niedrigen Temperaturen (< 10000C) sintern lässt (LTCC -Low Temperature Cofired Ceramic), aufzubauen. Dieses Verfahren, bei dem mehrere dünne Schichten von Keramikmaterial im ungebrannten Zustand und strukturierten metallischen Strukturen auf der Oberfläche zusammen laminiert werden, ist für einen hoch integrierten Aufbau eines Hochfrequenzbauteils sehr einfach umsetzbar. Der planare laminierte Keramikstapel mit den metallischen Strukturen wird bei niedrigen Temperaturen gebrannt, wodurch dieser seine Endfestigkeit erhält.
[0010] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige, kompakte und resistente Vorrichtung zum Senden und Empfangen von Hochfrequenzsignalen vorzuschlagen, die sich durch eine optimierte Abstrahlcharakteristik auszeichnet.
[0011] Diese Aufgabe wird nach einer ersten Ausgestaltung der Erfindung dadurch gelöst, dass die Formgebung der Trägerstruktur in Abstrahlrichtung der Gruppenstrah- lerantenne von einer planaren Formgebung abweicht, und dass die Regel- /Aus werteeinheit die Abweichungen der aktuellen Form der Wellenfront von der vorgegebenen Ausformung der Wellenfront, die aufgrund der Formgebung der Trägerstruktur mit den aussendenden und/oder empfangenden Antennenelementen auftreten, kompensiert. Die Anpassung der Wellenfront auf eine vorgegebene Ausformung wird durch eine gezielte Antennenbelegung bzw. durch eine gezielte Ansteuerung und Auswertung der Phasenlage, der Frequenz und/oder der Amplitude des Messsignals der einzelnen aussendenden und/oder empfangenden Antennenelemente durch die Regel-/ Auswerteeinheit erreicht. Diese elektronische Kompensation der Wellenfront des Messsignals bzw. der Abstrahlcharakteristik der geformten Gruppen- strahlerantenne, indem die Messsignalverzögerung der einzelnen Antennenelemente in der Regel-/Auswerteeinheit zurückgerechnet wird, erfordert eine erhöhte Rechenleistung der Regel-/Aus werteeinheit und eine erhöhte Verarbeitungsleistung bzw. Messperformance der Sende-/Empfangseinheit. Bei dieser Art der Kompensation der Verformung der Wellenfront ist es notwendig die aussendenden und empfangenden Antennenelemente einzelnen oder in bestimmten Gruppen mit dem speziellen auszusendenden Messsignal anzusteuern und/oder das reflektierte Messsignal wieder getrennt auszuwerten. Ein großer Vorteil der elektronischen Kompensation der Wellenfront des Messsignals ist, dass eine nahezu beliebige Wellenfront der Gruppen- strahlerantenne eingestellt werden kann und sich diese eingestellte Wellenfront durch eine verhältnismäßig einfache Änderung des Ansteuerungs- und Ermittlungsprofils der einzelnen aussendenden und empfangenden Antennenelementen oder deren Gruppen ändern oder abstimmen lässt. Ein Ausführungsbeispiel einer dreidimensionalen Patch- Antenne dessen Wellenfront über die Ansteuerung der Patches mit Messsignalen unterschiedlicher Phase erreicht wird, ist aus der Patentanmeldung GB 2 248 344 A bekannt. Gruppenstrahlerantennen, die der Form und Kontur der Umgebung eines Gerätes angepasst bzw. in dessen Oberfläche integriert sind, werden in der Literatur als konforme Antennen (conformal antennas) bezeichnet. Eine zweite Lösung der gestellten Aufgabe ergibt sich dadurch, dass die
Formgebung der Trägerstruktur in Abstrahlrichtung der Gruppenstrahlerantenne von der planaren Formgebung abweicht, und dass die aussendenden und/oder empfangenden Antennenelemente und/oder das Speisenetzwerk für die einzelnen aussendenden oder empfangenden Antennenelemente der Gruppenstrahlerantenne der Art auf und/oder in der Trägerstruktur ausgestaltet und/oder angeordnet sind, dass die Abweichungen der aktuellen Form der Wellenfront von der vorgegebenen Ausformung der Wellenfront, die aufgrund der Formgebung der Trägerstruktur auftreten, zumindest näherungsweise kompensiert sind. Eine andersartige Möglichkeit die Änderungen in der Wellenfront aufgrund der unebenen Flächenform der Trägerstruktur mit den darauf befindlichen aussendenden und empfangenden Antennenelementen zu kompensieren, besteht darin, dass die Ausgestaltung, Abstand und/oder die Größe der aussendenden und empfangenden Antennenelemente sich auf das ausgesendete und reflektierte Messsignal auswirkt und sich die vorgegebene Wellenfront erzeugen lässt. Des Weiteren ist es möglich mittels einer Anpassung des Speisenetzwerks, dass das Messsignal von der Sende-/Empfangseinheit zu den aussendenden und/oder empfangenden Antennenelementen der Gruppenstrahlerantenne und umgekehrt leitet, die Abweichung der Wellenfront von der vorgegebenen Form zu korrigieren. Unter dem Speisenetzwerk kann nicht nur ein Leitungsnetzwerk verstanden werden, in die das Hochfrequenzsignal zentral an einer Stelle eingekoppelt wird, sondern unter dem Begriff ist gleichfalls die direkte Kontaktierung der einzelnen Sende- /Empfangseinheiten mit den Antennenelementen zu verstehen, wie sie bei einer „Phased Shift Array" Antenne zu finden ist. Beispielsweise werden durch die Weglängenunterschiede des Speisenetzwerks und/oder ins Speisenetzwerk integrierte Phasenschieberelemente Unterschiede in der Phasenlage des Messsignals in den einzelnen Antennenelementen erzeugt. Dieser Unterschied in der Phasenlage des Messsignals der einzelnen Antennenelemente kompensiert den Fehler in der Form der Wellenfront und korrigiert die Abstrahlcharakteristik der Gruppenstrahlerantenne, da benachbarte Wellenpunkte des Messsignals mit gleicher Phase eine gemeinsame Wellenfront bilden. Somit kann durch ein zurückgerechnetes HF-Design von den aussendenden und empfangenden Antennenelementen und deren Speisenetzwerk eine wiederum optimierte Abstrahlcharakteristik wie bei einer planaren Gruppenstrahlerantenne erzeugt werden.
[0013] Eine vorteilhafte Ausführungsform der ersten und zweiten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass die Trägerstruktur aus dem dielektrischen Material besteht, welches zumindest in einem der Verarbeitungsschritte eines Herstellungsprozesses der Gruppenstrahlerantenne formbar ausgestaltet ist. Durch die formbare Ausgestaltungsmöglichkeit der Gruppenstrahlerantenne während eines Herstellungsprozessschrittes kann die Trägerstruktur in einem Stück in eine bestimmte Form gebracht werden. Jedoch ist darauf zu achten, dass im Herstel- lungsprozess im Material der gewölbten Form der Gruppenstrahlerantenne keine Eigenspannungen auftreten, welche sonst zu Rissen im Material der Trägerstruktur und den aufgebrachten Antennenelementstrukturen führen können.
[0014] In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der ersten und zweiten Lösung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Formgebung der Trägerstruktur, die aus dem dielektrischen Material besteht, aus zusammengesetzten planaren Teilstücken ausgestaltet ist. Eine weitere Möglichkeit, eine bestimmte Formgebung der Gruppenstrahlerantenne zu erzeugen ist es, die Trägerstruktur in planare Teilstücke mit einem gewissen Anteil der aussendenden und empfangenden Antennenelemente aufzuteilen und diese auf einem Formelement zu fixieren. Auf dem Formelement sind zumindest eine Verbindungsleitung und/oder zumindest ein Speisenetzwerk zu der Sende- /Empfangseinheit vorgesehen, wodurch die fixierten, planaren Teilstücke der Trägerstruktur elektrisch kontaktiert sind. Die geformte bzw. konforme Gruppenstrah- lerantenne weist eine facettierte Oberflächenstruktur auf. Die teilweise planaren Bereiche der Trägerstruktur der Gruppenstrahlerantenne lassen sich durch eine Angleichung an die vorgegebene Form mit einer dickenvariablen Schutzschicht angleichen, so dass die Oberfläche der Gruppenstrahlerantenne eine gleichmäßig gekrümmte Form einnimmt und das entstandene Kondensat somit besser ablaufen und abtropfen kann.
[0015] Eine zweckmäßige Ausgestaltung der ersten und zweiten Lösung der Erfindung ist, dass es sich bei dem dielektrischen Material der Trägerstruktur um eine Keramik, Glaskeramik, organische Materialien, einer Mischung aus Keramik mit organischen Materialien, Low Temperature Cofired Ceramics (LTCC) oder einen Teflon- Verbundwerkstoff handelt. Bei der Auswahl der Materialien für die Trägerstruktur, der aussendenden und empfangenden Antennenelemente, des Speisenetzwerks, der integrierten Sende-/Empfangseinheit und der Regel-/ Auswerteeinheit ist es wichtig, dass die Ausdehnungskoeffizienten der unterschiedlichen Materialien der mehrschichtigen Trägerstruktur nahezu gleich sind. Bei der Auswahl des Materials für die Herstellung einer Gruppenstrahlerantenne ist es notwendig, dass das Material im Hochfrequenzbereich einsetzbar ist, dass das Material resistent gegen aggressive Stoffe ist und dass die Herstellung der Gruppenantenne mit dem Material sich einfach ausgestaltet. Ein Ausführungsbeispiel einer Auswahl von Glaskeramiken und Metallen, die einen minimierten Volumenschwund beim Sintern aufweisen und nahezu gleiche Ausdehnungskoeffizienten besitzen, wird in der Patentschrift DE 42 43 040 C2 beschrieben.
[0016] Eine vorteilhafte Ausführungsform der ersten und zweiten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass die Trägerstruktur aus dem dielektrischen Material auf der zur Abstrahlrichtung abgewandten Seite der Gruppenstrahlerantenne einen Hohlraum bildet. In diesem strukturbedingten Hohlraum können Ablagerungen oder Kondensate des Füllguts entstehen, jedoch wirkt sich diese Einbringung von Material auf die Abstrahlcharakteristik der Gruppenstrahlerantenne kaum aus, da die aussendenden und empfangenden Antennenelemente diesem Hohlraum vorgelagert sind und die Abstrahlrichtung in Richtung Füllgut ausgestaltet ist. Ein Vorteil ist, dass in diesen Hohlraum Elektronik und weitere Sensorik untergebracht werden kann.
[0017] Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der beiden Varianten der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass ein Füllmaterial vorgesehen ist, das den Hohlraum hermetisch versiegelt. Damit sich kein Kondensat und kein Füllgut in dem entstandenen Hohlraum festsetzt, kann der Hohlraum durch ein Füllmaterial hermetisch versiegelt werden. Durch die hermetische Versiegelung wird die verformte Gruppenstrahlerantenne mechanisch stabilisiert und ferner wird die eingebrachte Elektronik und weitere Sensorik von der aggressiven Prozessumgebung geschützt. Der Effekt der mechanischen Stabilisation der Trägerstruktur der Gruppenstrahlerantenne kann noch durch in den Hohlraum eingebrachte Stabilisierungselemente erhöht werden.
[0018] Eine vorteilhafte Ausgestaltung beider Varianten der erfindungsgemäßen Lösung schlägt vor, dass die Trägerstruktur als eine mehrschichtige Trägerstruktur mit mehreren Lagen ausgestaltet ist. Die mehrschichtige Ausführung der Trägerstruktur hat den Vorteil, dass komplexere dreidimensionale Strukturen der aussendenden und empfangenden Antennenelemente, des Speisenetzwerks, der Sende-/Empfangseinheit und der Regel-/Auswerteeinheit ausgestaltet werden können. Des Weiteren können durch die mehrschichtige Ausführung der Trägerstruktur die HF-Eigenschaften des Materials jeder Lage auf die HF-Eigenschaften der darauf befindlichen Strukturen angepasst werden.
[0019] Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung nach der ersten und zweiten Lösung der Erfindung ist darin zu sehen, dass die aussendenden und/oder empfangenden Antennenelemente auf und/oder zwischen zumindest einer Lage der mehrschichtigen Trägerstruktur angeordnet sind. Auf Grund der mehrschichtigen Ausgestaltung der Trägerstruktur können die Antennenelemente auch über mehrere Schichten aufgebaut sein, wodurch die Schichten der Trägerstruktur auf die hochfrequenztechnischen Eigenschaften der jeweiligen aufgebrachten oder eingebrachten Strukturen (z.B. Antennenelemente, Speisenetzwerk, Elektronik) angepasst sind. Durch die mehrschichtige Ausgestaltung der Trägerstruktur sind somit auch komplexere dreidimensionale Strukturen realisierbar.
[0020] Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der ersten und zweiten Variante der erfindungsgemäßen Lösung wird vorgeschlagen, dass eine Schutzschicht vorgesehen ist, die auf die Trägerstruktur oder die mehrschichtige Trägerstruktur aufgebracht wird. Diese Schutzschicht kann aus dem gleichen oder ähnlichen Material wie die Trägerstruktur aufgebracht sein. Beispielsweise wenn die Gruppenstrahlerantenne aus einer mehrschichtigen Glaskeramik aufgebaut ist, wird als Schutzschicht über die aussendenden und empfangenden Antennenelementen im Herstellungsprozess der Gruppenstrahlerantenne eine dünne Glaskeramikschicht aufgebracht, die durch die Materialzusammenstellung in den HF-Eigenschaften, wie z.B. Dämpfung des HF-Signals, temperaturstabiler DK- Wert, und den chemischen Eigenschaften, wie z.B. Gasdichtigkeit, chemische Resistenz, optimiert ist. [0021] Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform beider erfindungsgemäßer Lösungen ist, dass es sich bei der Gruppenstrahlerantenne um eine Streifenleiter-, eine Schlitz-, eine Schleifen-, oder eine Flächenstrahler- Antenne mit entsprechenden aussendenden und empfangenden Antennenelementen oder um eine Kombination daraus handelt.
[0022] Eine Variante der beiden erfindungsgemäßen Lösungen besteht darin, dass die Trägerstruktur mit den aussendenden und/oder empfangenden Antennenelementen zumindest eine Erhebung und/oder zumindest eine Vertiefung in Abstrahlrichtung der Gruppenstrahlerantenne aufweist.
[0023] Eine sehr vorteilhafte Variante der beiden erfindungsgemäßen Lösungen ist darin zu sehen, dass es sich bei der Vertiefung und/oder Erhebung um zumindest eine Kegelform, zumindest eine Pyramidenform, zumindest eine Tetraederform, zumindest eine konkave Form, zumindest eine konvexe Form oder zumindest eine Keilform des Profils der Trägerstruktur handelt. Durch die Ausgestaltung der Erhebungen und Vertiefungen mit geometrischen Formen, die einen sich verjüngenden hervorstehenden Bereich aufweisen, werden die sich auf der Oberfläche befindlichen Kondensattropfen durch die Gravitationskraft und der daraus resultierende Normalkraft angetrieben zu größeren Kondensattropfen zusammen zulaufen. Diese hervorstehenden Bereiche können in einer beliebigen Anzahl auf der Oberfläche der Gruppenstrahlerantenne ausgearbeitet sein. Des Weiteren ist eine Kombination aus verschiedenen Profilen bzw. geometrischen Formen auf einer Trägerstruktur denkbar. Das Kräftegleichgewicht zwischen den Adhäsionskräften der Kondensattropfen und der einwirkenden Gravitation wird aufgehoben, wenn die Kondensattropfen zu schwer werden oder die Auflagefläche auf der Oberfläche durch strukturelle oder chemische Veränderung (z.B. Oberfläche mit Lotus-Effekt) vermindert wird, wodurch die Kondensattropfen von der Oberfläche der Gruppenstrahlerantenne abtropfen.
[0024] Eine vorteilhafte Ausführungsform beider erfindungsgemäßer Varianten besteht darin, dass die Trägerstruktur mit der Erhebung und/oder der Vertiefung zumindest eine Abrisskante oder Abrisspunkt aufweist. Durch die Abrisskante oder den Abrisspunkt wird die Adhäsionskraft der ablaufenden Tropfen des Kondensates aufgehoben und das Kondensat tropft als Tropfen ab. Diese Abrisskante ist meist schon durch die geometrische Ausformung der Trägerstruktur gegeben. Beispielsweise bei einer Ausformung der Trägerstruktur als Kegelstrumpf oder ähnlichen geometrischen Gebilden ist keine Abrisskante sondern nur ein eindimensionaler Abrisspunkt ausgebildet.
[0025] Eine vorteilhafte Ausführungsform beider erfindungsgemäßen Lösungen ist, dass es sich bei dem geschlossenen Raumsystem um einen Behälter handelt.
[0026] Eine sehr vorteilhafte Variante der beiden erfindungsgemäßen Vorrichtungen ist darin zu sehen, dass die aussendenden und/oder empfangenden Antennenelemente und das Speisenetzwerk aus einem leitfähigen Material und/oder einem Metall bestehen. Damit die Hochfrequenzsignale bzw. elektromagnetischen Wellen als Leitungswellen geführt werden können, müssen die Antennenelemente und das Speisenetzwerk aus einem leitfähigen Material bestehen. Hierzu werden meist Strukturen aus einem Metall aufgebracht, jedoch ist es auch möglich beispielsweise leitfähige Bereiche in der Keramik, Glaskeramik herzustellen, indem gewisse leitfähigen Materialien in diese Bereiche eingebracht werden.
[0027] Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der beiden erfindungsgemäßen Vorrichtungen ist, dass auf der zur Abstrahlrichtung abgewandten Seite der Trägerstruktur der Gruppenstrahlerantenne im Hohlraum die Sende -/Empfangseinheit und/oder die Regel-/ Aus werteeinheit ausgestaltet ist. Durch die Ausgestaltung der dünnen Trägerstruktur entsteht auf der dem Füllgut abgewandten Seite ein Hohlraum. Dieser Hohlraum wird dazu benutzt, die HF-Elektronik der Sende -/Empfangseinheit in die Struktur der Gruppenstrahlerantenne zu integrieren. Durch Ausfüllen des Hohlraumes mit einem Füllmaterial wird die Gruppenstrahlerantenne mit integrierter Elektronik druckfest gemacht und versiegelt.
[0028] Eine ergänzende Ausführung der beiden erfindungsgemäßen Vorrichtungen ist, dass die Sende-/Empfangseinheit und/oder die Regel-/Auswerteeinheit in einer Lage der mehrschichtigen Trägerstruktur oder auf der Trägerstruktur integriert ist. Wird die LTCC-Technik für den Aufbau der Gruppenstrahlerantenne verwendet, kann in einigen Lagen der mehrschichtigen Trägerstruktur die Sende-/Empfangseinheit und/oder die Regel-/ Aus werteeinheit ausgestaltet werden. Dies hat den Vorteil, dass Verbindungsleitungen zwischen den einzelnen Elektroniken eingespart werden können und durch die kürzeren Wege das Hochfrequenzsignal verlustfreier erzeugt und weitergeleitet werden kann.
[0029] Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der beiden erfindungsgemäßen Vorrichtungen ist, dass die Einspeisung des Hochfrequenzsignals aus der Sende- /Empfangseinheit in das Speisenetzwerk und/oder die aussendenden und empfangenden Antennenelemente der Gruppenstrahlerantenne über ein Koaxialleitung oder einen Hohlleiter erfolgt. Die Elektronik ist meist außerhalb des Prozessraums angebracht, so dass zwischen der Elektronik und der Gruppenstrahlerantenne 1 eine elektromagnetische Verbindung notwendig ist. Diese Verbindungsmöglichkeit kann über eine Koaxialleitung 27 erfolgen oder über einen Hohlleiter 29, worin das Hochfrequenzsignal 14 geleitet wird.
[0030] Eine vorteilhafte Ausführungsform beider erfindungsgemäßen Lösungen ist, dass die Regel-/Auswerteeinheit 23 mittels der Laufzeitmessung der ausgesendeten zu den empfangenen Hochfrequenzsignalen 14, den Füllstand 4 eines Füllguts 5 in dem offenen oder dem geschlossenen Raumsystem 2 ermittelt. Die Vorrichtung aus der Gruppenstrahlerantenne 1, der Sende-/Empfangseinheit 25 und der Regel- /Aus werteeinheit 23 wird zur Bestimmung des Füllstands 4 in einem Behälter 3 verwendet. Die Vorrichtung arbeitet nach den gebräuchlichen Laufzeit-Messmethode, Die Laufzeit-Messmethode wird grundsätzlich in zwei Ermittlungsverfahren aufgeteilt: Welche sind, die Bestimmung der Zeitdifferenz, die ein ausgesandter hochfrequenter Signalimpuls für eine zurückgelegte Wegstrecke benötigt; ein weiteres weit verbreitetes Ermittlungsverfahren ist die Bestimmung der Frequenzdifferenz des ausgesendeten Hochfrequenzsignals 14,S zum reflektierten, empfangenen Hochfrequenzsignal 14,R (FMCW - Frequency Modulated Continuous Wa ve), wobei die Frequenz des ausgesendeten Hochfrequenzsignals 14,S kontinuierlich verändert wird.
[0031] Die Erfindung und ausgewählte Ausführungsbeispiele werden anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Zur Vereinfachung sind in den Zeichnungen identische Teile mit dem gleichen Bezugszeichen versehen worden. Es zeigt:
[0032] Fig. 1 : eine schematische Draufsicht einer ersten Ausführungsform als Patch- Gruppenstrahlerantenne,
[0033] Fig. 2 : eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform gemäß der Kennzeichnung A-B in Fig. 1,
[0034] Fig. 3 : eine schematische Draufsicht einer zweiten Ausführungsform als Mi- crostreifen-Gruppenstrahlerantenne,
[0035] Fig. 4 : eine Schnittansicht der zweiten Ausführungsform gemäß der Kennzeichnung C-D in Fig. 3,
[0036] Fig. 5 : eine weitere Schnittansicht der zweiten Ausführungsform gemäß der Kennzeichnung C-D in Fig. 3,
[0037] Fig. 6 : eine schematische Gesamtdarstellung eines auf einem Behälter montierten Messgerätes mit einer erfindungsgemäßen Gruppenstrahlerantenne, und
[0038] Fig. 7 : LTCC-Prozessfolge zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Gruppenstrahlerantenne.
[0039] In Fig. 1 wird ein Ausführungsbeispiel von der Gruppenstrahlerantenne 1 als eine sog. Patch-Gruppenantenne mit Flächenstrahlerelementen aufgezeigt. Antennen mit einer gerichteten Abstrahlcharakteristik 20 bzw. einer Richtwirkung, können durch eine Zusammenfassung von Einzelstrahlern bzw. einzelnen Antennenelementen 6 zu einem Array oder einer Matrix synthetisiert werden. Die Flächenstrahlerelemente der aussendenden und empfangenden Antennenelemente 6 sind beispielsweise konzentrisch bzw. radialsymmetrisch angeordnet. Aufgrund der Ausgestaltung der aussendenden und empfangenden Antennenelemente 6 lässt sich die Änderung in der Richtwirkung bzw. Abstrahlcharakteristik 20 durch die Formgebung der Gruppenstrahlerantenne 1, die in der Schnittansicht in Fig. 2 ersichtlich ist, kompensieren. Die magnetischen Flächenstromdichten in der Koppelaperturschicht 31 und den Antennen- elementen 6 ist bekannt, sodass mit Hilfe der Greenschen Funktionen daraus die Abstrahlcharakteristik des Fernfeldes der Gruppenantenne bestimmt werden kann. Die Änderung der Größe der Flächenstrahlerelemente hat eine Auswirkung auf die Abstrahlcharakteristik 20 der einzelnen aussendenden und empfangenden Antennenelemente 6 und hat somit durch die Überlagerung der einzelnen Abstrahlcharakteristiken 19 der einzelnen Antennenelementen 6 auch einen Effekt auf die Richtcharakteristik 20 und die Wellenfront 15 der gesamten Gruppenstrahlerantenne 1 im Fernfeld. Die Flächenstrahlerelemente weisen beispielsweise eine quadratische Fläche auf, die in der Fig. 2 durch die Draufsicht auf eine halbkugelförmige Formgebung der Gruppenstrahlerantenne 1 als trapezförmige Flächen dargestellt sind. Auf die Darstellung der Schutzschicht 13 über der Lage 12 mit den aussendenden und empfangenden Antennenelementen 6 wurde aus Gründen der Darstellbarkeit in der Fig. 1 verzichtet.
[0040] In Fig. 2 ist eine Schnittansicht der Gruppenstrahlerantenne 1 aus Fig. 1 gemäß der Kennzeichnung A-B gezeigt. In die mehrschichtige Trägerstruktur 11 sind die aussendenden und empfangenden Antennenelemente 6, das Speisenetzwerk 24 und die Sende-/Empfangseinheit 25 in den spezifischen Lagen 12 der mehrschichtigen Trägerstruktur 11 integriert. Die einzelnen Strukturen und Antennenelemente, die auf die Lagen 12 der mehrschichtigen Trägerstruktur 11 aufgebracht sind, werden über Durch- kontaktierungen (Vias), die im Herstellungsprozess in die Lagen 12 eingebracht wurden, untereinander über die Lage 12 hinweg elektrisch kontaktiert. Die Materialien jeder Lage 12 in der mehrschichtigen Trägerstruktur 11 sind auf die hochfrequenztechnischen und mechanischen Eigenschaften der eingebrachten Strukturen und Antennenelemente 6 angepasst. Eine weitere Möglichkeit, die nicht in Fig. 2 gezeigt ist, wird durch aperturgekoppelte Strukturen realisiert. Die Kopplung beispielsweise zwischen Speisenetzwerk 24 und aussendenden und empfangenden Antennenelementen 6 erfolgt durch schmale Koppelaperturen, die aus einer mit Masse belegten, metallisierten Koppelaperturschicht 31 heraus gearbeitet sind. Aufgrund der Schlitzkopplung ist das Speisenetzwerk 24 vollständig durch die Massefläche abgeschirmt, was zu sehr guten Strahlungseigenschaften bezüglich Nebenkeulen Niveaus sowie der Kreuzpolarisation des Messsignals 14 führt.
[0041] Die mehrschichtige Trägerstruktur 11 hat eine Formgebung als Kugelabschnitt mit einem großen Radius wodurch das Kondensat 33 angetrieben durch die Gravitationskraft G abläuft. Zum Schutz und zur Verminderung der Adhäsionskräfte des Kondensats 33 ist auf die Lage 12 mit den aussendenden und empfangenden Antennenelementen 6 eine Schutzschicht 13 aufgebracht. Diese Schutzschicht 13 kann in der Art und Weise modifiziert werden, beispielsweise mit einer hydrophobe Oberfläche, so dass der Kontaktwinkel der Kondensattropfen möglichst groß ist und die Auflagefläche des Kondensattropfens 33 verringert wird. Durch die Verringerung der Auflagefläche des Kondensattropfens 33 wird auch die Adhäsionskraft, die den Kondensattropfen 33 auf der Oberfläche festhält, kleiner. An dem räumlich gesehen tiefsten Punkt der Schutzschicht 13 ist eine Abrisskante oder Abrisspunkt 18 für Kondensattropfen 33 ausgearbeitet, wovon die auf der Schutzschicht 13 ablaufenden Tropfen abtropfen. Es sind auch weitere Formgebungen der Trägerstruktur 10 umsetzbar, wie z.B. Kegelform, Keilform, Wellenform, und es ist auch angedacht, diese auch mehrfach in der Trägerstruktur 10 auszubilden. Durch die Formgebung der dünnen Trägerstruktur 10 oder mehrschichtigen Trägerstruktur 11 entsteht auf der zur Abstrahlrichtung 19 abgewandten Seite der Gruppenstrahlerantenne 1 ein Hohlraum 21, der wegen der Bildung von Kondensattropfen 33 hermetisch mit einem Füllmaterial 22 versiegelt ist.
[0042] Über eine Verbindungsleitung 28 kommuniziert die in die mehrschichtige Trägerstruktur 11 integrierte Sende-/Empfangseinheit 25 mit der Regel-/Auswerteeinheit 23. Diese Verbindungsleitung 28 wird beispielsweise in einem eingegossenen Rohr, das auch zur Befestigung der Gruppenstrahlerantenne 1 und als Leitung der elektrischen Masse 32 dient, geführt. Die Regel-/ Auswerteeinheit 23 ist über einen Feldbus 26 mit einer entfernten Leitstelle oder weiteren Messgeräten 7 verbunden. Über diesen Feldbus 26 wird das Messgerät 7 nach der Zweileitertechnik auch mit Energie versorgt. Es kann natürlich auch eine zusätzliche Energieversorgungsleitung vorgesehen werden, was aber in Fig. 2 nicht explizit gezeigt ist.
[0043] In Fig. 3 wird ein Ausführungsbeispiel einer Gruppenstrahlerantenne 1 als eine
Microstrip-Antenne bzw. Mikrostreifenleiterantenne aufgezeigt. Die aussendenden und empfangenden Antennenelemente 6 sind symmetrisch angeordnet und verändern von innen nach außen die Größe. Aufgrund der Größenänderung der aussendenden und empfangenden Antennenelemente 6 lässt sich die Formgebung der Gruppenstrahlerantenne 1 und die damit zusammenhängende veränderte Abstrahlcharakteristik 20 und die veränderte Wellenfront 15 des Hochfrequenzsignalimpulses 14 der Gruppenstrahlerantenne 1, kompensieren. Die Hochfrequenzsignale werden beispielsweise über eine Einkopplungsstruktur 30 und ein Speisenetzwerk 24 an die aussendenden und empfangenden Antennenelementen 6 weiter geleitet. Das Hochfrequenzsignal 14 wird von den aussendenden Antennenelementen 6 in den Freiraum abgestrahlt. Über der Lage 12 mit den aussendenden und empfangenden Antennenelementen 6 ist andeutungsweise eine weitere Lage 12 als Koppelaperturschicht bzw. Koppelaperturblende 31 angebracht. Diese Koppelaperturblende 31 ist in den meisten Fällen aus einem leitfähigen Material ausgestaltet oder mit einem leitfähigen Material beschichtet und hat an den Stellen, wo sich in der unteren Lage 12 die aussendenden und empfangenden Antennenelemente 6 befinden, Ausnehmungen vorgesehen. Auf die Darstellung der Schutzschicht 13 über der Lage 12 mit den aussendenden und emp- fangenden Antennenelementen 6 wurde aus Gründen der Darstellbarkeit in der Fig. 3 verzichtet.
[0044] In Fig. 4 ist eine mögliche Schnittansicht der Gruppenstrahlerantenne 1 aus Fig. 3 gemäß der Kennzeichnung C-D gezeigt. Das Profil 8 der Gruppenstrahlerantenne 1 ist als eine Kegelform ausgebildet. Die aussendenden und empfangenden Antennenelemente 6 sind auf der dem Füllgut 5 zugewandten Seite der Trägerstruktur 10 aufgebracht und werden über ein Speisenetzwerk 24 mit dem Hochfrequenzsignal 14 gespeist. Auf der dem Füllgut 5 abgewandten Seite der Trägerstruktur 10 ist einen elektrische Masseschicht 32 aufgebracht, die einen elektrischen Kontakt mit dem Rohr hat, in dem die Verbindungsleitung 28 geführt wird. Über die aussendenden und empfangenden Antennenelemente 6 ist eine Schutzschicht 13 angebracht, die die leitenden Strukturen vor Korrosion und Ansatz durch die aggressiven Medien bzw. Füllgut 5 schützt. In der Sende-/Empfangseinheit 25 wird der auszusendende Hochfrequenzsignalimpuls 14 erzeugt und das reflektierte Hochfrequenzsignal 14 wieder empfangen und vorverarbeitet. Diese Sende-/Empfangseinheit 25 ist in dieser Ausführungsform räumlich von der Regel- Auswerteeinheit 23 getrennt auf einer separaten Platine aufgebracht, die in den Hohlraum 21 eingebracht und zum Schütze mit dem Füllmaterial 22 hermetisch versiegelt ist. Über eine Verbindungsleitung 28 ist die Sende-/Empfangseinheit 25 mit der Regel-/Auswerteeinheit 23 verbunden und gleichzeitig über eine Koaxialleitung 27 über eine Einkopplungsstruktur 30 mit dem Speisenetzwerk 24 verbunden. Die Verbindungsleitung ist bei einer analogen Messsignalübermittlung beispielsweise als Koaxialleitung 27 ausgeführt, wird jedoch das Messsignal 14 schon in der Sende-/Empfangseinheit 25 vorverarbeitet und digitalisiert, ist eine einfache Datenleitung ausreichend. Bei der Einkopplungsstruktur 30 handelt es sich in dieser Ausführung beispielsweise um eine Koaxialsteckverbindung. Die Regel- /Aus werteeinheit 23 kommuniziert über den Feldbus 26 mit einer entfernten Leitstelle oder weiteren Messgeräten 7.
[0045] In Fig. 5 ist eine weitere mögliche Schnittansicht der Gruppenstrahlerantenne 1 aus Fig. 3 gemäß der Kennzeichnung C-D gezeigt. Das Profil 8 der Gruppenstrahlerantenne 1 ist wiederum als eine Kegelform ausgebildet. Der Aufbau der Gruppenstrahlerantenne 1 hat jedoch zumindest zwei grundlegende Unterschiede zu der Schnittansicht der Gruppenstrahlerantenne 1 in Fig. 4. Der erste Unterschied ist, dass die Sende-/Empfangseinheit 25 direkt an die Regel-/Auswerteeinheit 23 gekoppelt ist und dass das Hochfrequenzsignal 14 durch elektromagnetische Wellen über einen Hohlleiter 29 an eine Einkopplungsstruktur übertragen wird. Und der zweite Unterschied ist, dass die aussendenden und empfangenden Antennenelemente 6 als Leiterstrukturen in einer Lage 12 der Trägerstruktur 10 ausgestaltet sind und über dieser Lage 12 eine Koppelaperturschicht 31 aus einem leitfähigen Material oder leitfähigen Materialbeschichtung mit Ausnehmungen an der Stelle der aussendenden und empfangenden Antennenelemente 6 angebracht ist. Diese Ausnehmungen sind so ausgestaltet, dass ein Hochfrequenzsignal 14 bzw. eine elektromagnetische Welle mit einer bestimmten Mode und/oder Frequenz abgestrahlt wird, wodurch sich die Abstrahlcharakteristik 20 der Gruppenstrahlerantenne 1 auch über die Größe der Ausnehmungen dieser Koppelaperturschicht 31 verändern und einstellen lässt. Eine Gruppenstrahlerantenne 1 mit einer solchen Koppelaperturschicht 31 ist aus der EP 1 083 423 Al und der DE 101 08 993 Al bekannt.
[0046] Die Übertragung des Messsignals 14 von der Sende-/Empfangseinheit 25 bzw. der HF-Elektronik und dem Speisenetzwerk 24 und den aussendenden und empfangenden Antennenelementen 6 wird, wie schon oben erwähnt, über elektromagnetische Wellen, die in einen Wellenleiter bzw. Hohlleiter 29 geführt werden, ermöglicht. In der Sende- /Empfangseinheit 25 wird hierbei der Hochfrequenzsignalimpuls 14 erzeugt und über eine Erregerstifteinkopplung in den Hohlleiter 29 als Sendeimpuls S ausgestrahlt. Der Hohlleiter 29 leitet den Hochfrequenzsignalimpuls 14 bis zu einer bidirektionalen Ein- kopplungsstruktur 30, die die freistrahlenden elektromagnetischen Wellen im Freiraum in leitungsgebundene elektromagnetische Welle umwandelt und diese an das Speisenetzwerk 24 weitergibt. Auf die gleiche Art und Weise wird das Reflexionssignal R bzw. das reflektierte Hochfrequenzsignal 14 in die andere Richtung übertragen.
[0047] In der Fig. 6 ist ein Messgerät 7, das nach der Impulslaufzeit-Messmethode den
Füllstand 4 eines Füllguts 5 in einem Behälter 3 ermittelt, aufgezeigt. Das Messgerät 7 ist auf den Behälter 3 angebracht, und die Gruppenstrahlerantenne 1 mit den aussendenden und empfangenden Antennenelementen 6 ist durch eine Öffnung in den Messraum des Behälters 5 eingeführt.
[0048] Die Impulslaufzeit-Messmethode arbeitet nach folgendem Messprinzip: Über die aussendenden und empfangenden Antennenelemente 6 der Gruppenstrahlerantenne 1 werden Hochfrequenzsignalimpulse 14 bzw. ein Sendeimpuls S ausgesandt, die sich im freien Raum des Behälters 3 in der Luft oder dem Schutzgas näherungsweise mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Diese Hochfrequenzsignalimpulse 14 werden an im Abstrahlungskegel der Gruppenstrahlerantenne 1 befindlichen Materialien mit einem höheren DK- Wert als dem der Luft oder des Schutzgases teilweise oder vollständig zurückreflektiert. Über die gemessene Laufzeit des ausgesendeten Hochfrequenzsignals 14 bzw. ein Sendeimpuls S zum reflektierten Hochfrequenzsignal 14 bzw. Reflexionssignal R wird durch eine Umrechnung über die Formel der Wellengeschwindigkeit die zurückgelegte Strecke ermittelt. Diese Differenzstrecke entspricht der Höhe des Behälters 3 minus den Füllstand 4 des Füllguts 5 im Behälter 3. Da die Höhe des Behälters 3 bzw. die Position der Einkopplung des Hochfrequenzsignals 14 bekannt ist, lässt sich somit der Füllstand 4 im Behälter 3 bestimmen. In der Sende-/Empfangseinheit 25 des Messgerätes 7 werden die Hochfrequenzsignalimpulse 14 erzeugt und über das Speisenetzwerk 24 und die Koaxialleitung 27 an die entsprechenden aussendenden Antennenelemente 6 in der Trägerstruktur 10 der Gruppenstrahlerantenne 1 weitergeleitet. Ausgesendete Hochfrequenzsignale 14, die beispielsweise wieder an der Oberfläche des Füllguts 5 reflektiert worden sind, werden von empfangenden Antennenelementen 6 der Gruppenstrahlerantenne 1 über die Speisestruktur 24 und der Koaxialleitung an die Sende-/Empfangseinheit 25 geleitet, in der die empfangenen Hochfrequenzsignale 14 elektronisch vorverarbeitet werden. Die empfangenen Hochfrequenzsignale 14 werden in der Sende-/Empfangseinheit 25 über ein Abtastverfahren bzw. sequentiellen Abtastung mit zwei in der Frequenz leicht versetzten Hochfrequenzimpulsfolgen in ein zeitgedehntes niederfrequenteres Zwi- schenfrequenzsignal umgewandelt. Das auf diese Weise herunter gemischte reflektierte Messsignal 14 kann anschließend im niederfrequenten Bereich von der Regel- /Aus werteeinheit 23 ausgewertet werden und Laufzeit bzw. Laufweg des ausgesandten Hochfrequenzsignals 14 ermittelt werden. Die Regel-/Aus werteeinheit 23 hat ebenso die Aufgabe die Kommunikation mit einer beispielsweise entfernten Leitstelle oder einem anderen Messgerät 7 über den Feldbus 26 zu regeln. Die durch die besondere Formgebung der Gruppenstrahlerantenne 1 hervorgerufene Veränderung der Wellenfront 15 und der Abstrahlcharakteristik 20 kann mittels der Anpassung der Phasenlage des Hochfrequenzsignals 14 der aussendenden Antennenelemente 6 elektronisch kompensiert werden. Diese elektronische Kompensation kann einerseits durch die Sende-/Empfangseinheit 25 erfolgen, in die beispielsweise eine elektronische Phasen- Verzögerungsschaltung integriert ist. Diese elektronische Phasen- Verzögerungsschaltung, die von der Regel-/ Auswerteeinheit 23 gesteuert wird, erzeugt Phasenunterschiede in den Hochfrequenzsignalen 14, die über das Speisenetzwerk 24 und eine Koaxialleitung 27 an die entsprechenden aussendenden Antennenelemente 6 weitergeleitet werden. Da für jede Phasenlage des Hochfrequenzsignals 14 ein eigenes Speisenetzwerk 24 und Koaxialleitung 27 notwendig ist, ist es vorteilhaft, wie z.B. in Fig. 2 und Fig. 4 gezeigt, die Sende-/Empfangseinheit in der Trägerstruktur 10 oder im Hohlraum 21 der Gruppenstrahlerantenne 1 zu integrieren, um Verdrahtungsaufwand bzw. Koaxialleitungen 27 einzusparen. Diese elektronische Phasen- Verzögerungsschaltung lässt sich beispielsweise in einem Messaufbau über den Feldbus 26 durch die Regel-/ Aus werteeinheit 23 einstellen, in dem die Abstrahlcharakteristik 20 bzw. Richtwirkung der Gruppenstrahlerantenne 1 ermittelt wird, ein Strukturprofil der Phasenverzögerung errechnet wird und das Strukturprofil in einer Speichereinheit der Regel-/Auswerteeinheit 23 abgelegt wird. In dem Messaufbau wird beispielsweise der Fehler von der vorgegebenen Abstrahlcharakteristik 19 oder der vorgegebenen Wellenfront 15 der geformten Gruppenstrahlerantenne 1 ermittelt und somit die Phasenkorrekturwerte der unterschiedlichen aussendenden und empfangenden Antennenelemente 6 bestimmt und abgespeichert. Es ist auch möglich nicht die Sende-/Empfangseinheit 25 selbst in der Trägerstruktur 10 oder dem Hohlraum 21 zu integrieren, sondern nur die elektronische Phasen- Verzögerungsschaltung, die über eine Koaxialleitung 27 von der Sende -/Empfangseinheit 25 das phasengleiche Hochfrequenzsignal 14 erhält. Die elektronische Kompensation der Phasenlage kann andererseits auch durch eine Zurückrechnung der einzelnen Messsignale 14 der Antennenelemente 6 in der Regel- Auswerteeinheit 23 erfolgen. Hierzu werden die Messsignale 14 der einzelnen Antennenelemente 6 miteinander verglichen und danach in der Phasenlage zueinander korrigiert. Diese Technik der elektronischen Kompensation der Wellenfront oder Abstrahlcharakteristik erfordert eine hohe Rechenleistung und benötigt dadurch auch mehr Zeit als die übrigen Kompensationsmethoden.
[0050] Durch die spezielle Formgebung der Gruppenstrahlerantenne 1 entstehen Vertiefungen und/oder Erhebungen 16 in der geometrischen Form der Gruppenstrahlerantenne 1, wodurch zumindest ein zum Füllgut gerichteter hervorstehender Bereich 17 entsteht. Durch die Gravitation G, die auf die Kondensattropfen 33 einwirkt, laufen diese an den hervorstehenden Bereichen zusammen und können dort an einer Abrisskante oder einem Abrisspunkt 18 sie festhaltende Adhäsionskräfte überwinden und wieder von der Oberfläche abtropfen.
[0051] In Fig. 7 wird die Prozessfolge der Herstellung einer Gruppenstrahlerantenne (1) mit einer unplanaren Trägerstruktur in der LTCC-Technik (Low Temperature Cofired Ceramics) aufgezeigt. Die Prozessfolge der Herstellung lässt sich grob in folgende Stationen untergliedern:
- A. Vorbereitung: Die im Schlickerguss auf Trägerfolie hergestellte Folie (Tape) wird als Ausgangsmaterial bezogen. Für die Weiterverarbeitung wird sie abgerollt und auf die Abschnittgröße (Coupon) zugeschnitten („Blanking"). Um Schrumpfung bei den im Folgenden notwendigen Trocknungsprozessen zu vermeiden, werden die Abschnitte der Folie getempert.
- B. Stanzen: Für Durchkontaktierungen (Vias), Kavitäten, Koppelaperturen und Positionslöcher werden die Abschnitte (Coupons) der Folie mit einem Werkzeug ausgestanzt oder mit dem Laser (z.B. YAG-Laser) heraus gearbeitet. Für die Justage der verschiedenen Prozessschritte zueinander werden Registrierbohrungen eingebracht. Schließlich wird die Trägerfolie entfernt.
- C. Füllen: Die so entstandenen Bohrungen für Durchkontaktierungen (Vias) werden im Schablonendruck bzw. Siebdruckverfahren und spezieller Vakuumtechnik mit Leiterbahnpaste verfüllt, um nach dem Sintern leitfähige Ver- bindungen zwischen den einzelnen Lagen der Folie zu bilden. Vor dem nächsten Verarbeitungsschritt muss die Paste im Ofen getrocknet werden.
- D. Siebdruck: Leiterbahnen, Widerstände und Kondensatoren werden durch ein Siebdruckverfahren mit den entsprechenden Leiterbahnpasten auf der Oberfläche erzeugt. Für Strukturen mit geringer Auflösung kann eine photo- strukturierbare Paste aufgebracht werden, die sich photolithographisch strukturieren lässt. Auch hier muss nach jedem Druckvorgang oder Herstellungsvorgang das aufgebrachte Material getrocknet werden.
- E. Stapeln, Heften: Die so entstandenen Einzellagen müssen in der richtigen Orientierung zueinander gestapelt werden. Dies geschieht durch das Einbringen von Passstiften in die vorkonfektionierten Positionslöcher bzw. Registrierbohrungen. Die Lagen werden durch punktförmige Erhitzung oder mit Lösungsmitteltropfen aneinander geheftet, um die Registrierung bis zum Laminieren zu erhalten.
- F. Laminieren: In einer Laminierpresse (uniaxial oder isostatisch) werden die Lagen durch Druck (ca. 3000 psi) und Temperatur (ca. 8O0C) innig miteinander verbunden. Die organischen Binder in der Folie spielen dabei die Hauptrolle.
- G. Thermisches isostatisches Pressen: In einer isostatischen Presse werden die miteinander verbundenen Lagen durch Druck und Temperatur in die gewünschte Form gepresst. Spezielle Hilfsmittel und Pressformwerkzeuge ermöglichen, dass der Lagenstapel seine gewünschte Form einnimmt und die Kavitäten, Leiterbahnen und sonstigen heraus gearbeiteten Strukturen nicht deformiert werden. Dieser Verfahrensschritt kann auch mit dem vorhergehenden Verfahrensschritts des Laminierens F gemeinsam ausgeführt werden, jedoch muss darauf geachtet werden, dass sich die einzelnen Lagen nicht durch die Formgebung zueinander verschieben.
- H. Ausbrennen und Sintern: Unter Einhaltung eines auf die verwendeten Materialien angepassten Temperatur-Zeit-Profils werden zuerst im Sinterofen bei ca. 400 - 500 0C die organischen Anteile von der Folie und den Pasten ausgebrannt. Danach erfolgt der Verglasungsprozess bzw. das Sintern des Verbundes zur Glaskeramik bei ca. 880-9000C. Unter Verwendung von Glaskeramik-Komposite, die nur eine geringe Volumenschrumpfung aufweisen, kann die geformte Trägerstruktur in dem Pressformwerkzeug gesintert werden, wodurch eine höhere Formtreue der geformten Gruppen- strahlerantenne zu gewährleisten ist. Zur Verbesserung der Stabilität des geformten Materials und zur Verminderung von Eigenspannungen im Material durch die Formgebung können einzelne Lagen 12 in die Stapelfolge der mehrschichtigen Trägerstruktur 11 integriert sein, die eine bestimmte Strukturierung aufweisen. Durch die Strukturierung des Materials, z.B. als Wabenstrukturen, Kreisstrukturen, Dreieckstrukturen und Vieleckstrukturen, entstehen Versteifungen in der Stapelfolge der mehrschichtigen Trägerstruktur 11, die die mehrschichtige Trägerstruktur 11 stabilisieren. Außerdem werden Spannungen, die im Material durch die Formgebung entstehen können, durch die strukturierten Lagen 12 kompensiert und neutralisiert. [0053] Bezugszeichenliste
1. Gruppenstrahlerantenne
2. offenes oder geschlossenes Raumsystem
3. Behälter
4. Füllstand
5. Füllgut
6. Antennenelemente
7. Messgerät
8. Profil
9. dielektrisches Material
10. Trägerstruktur
11. mehrschichtige Trägerstruktur
12. Lage
13. Schutzschicht
14. Hochfrequenzsignale, Hochfrequenzsignalimpuls, Messsignal
15. Wellenfront
16. Vertiefung und/oder Erhebung
17. hervorstehender Bereich
18. Abrisskante, Abrisspunkt
19. Abstrahlrichtung
20. Abstrahlcharakteristik, Richtcharakteristik, Richtwirkung
21. Hohlraum
22. Füllmaterial
23. Regel-/Aus werteeinheit
24. Speisenetzwerk
25. Sende -/Empfangseinheit
26. Feldbus
27. Koaxialleitung
28. Verbindungsleitung
29. Hohlleiter
30. Einkopplungsstruktur 31. Koppelaperturschicht, Koppelaperturblende, Koppelapertur
32. Masse, Masseschicht
33. Kondensat, Kondensattropfen [0054] S Sendeimpuls
[0055] R Reflexionssignal
[0056] G Gravitation, Gravitationskraft

Claims

Ansprüche
[0001] 1. Vorrichtung zum Aussenden und/oder Empfangen von Hochfrequenzsignalen
(14) in einem offenen oder einem geschlossenen Raumsystem (2), wobei die Vorrichtung als Gruppenstrahlerantenne (1) ausgestaltet ist, die die Hochfrequenzsignale (14) mit einer vorgegebenen Ausformung der Wellenfront (15) aussendet und empfängt, wobei es sich bei der Gruppenstrahlerantenne (1) um eine Trägerstruktur (10) mit aussendenden und/oder empfangenden Antennenelementen (6) handelt, wobei die Trägerstruktur (10) aus einem dielektrischen Material (9) ausgestaltet ist, wobei eine Sende-/Empfangseinheit (25) vorgesehen ist, wobei zumindest ein Speisenetzwerk (24) für die Übermittlung der Hochfrequenzsignale (14) zwischen der Sende-/Empfangseinheit (25) und den aussendenden und/oder empfangenden Antennenelementen (6) ausgestaltet ist, und wobei zumindest eine Regel-/ Auswerteeinheit (23) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgebung der Trägerstruktur (10) in Abstrahlrichtung (19) der Gruppenstrahlerantenne (1) von einer planaren Formgebung abweicht, und dass die Regel-/Auswerteeinheit (23) die Abweichungen der aktuellen Form der Wellenfront (15) von der vorgegebenen Ausformung der Wellenfront (15), die aufgrund der Formgebung der Trägerstruktur (10) mit den aussendenden und/ oder empfangenden Antennenelementen (6) auftreten, kompensiert.
[0002] 2. Vorrichtung zum Aussenden und/oder Empfangen von ochfrequenzsignalen
(14) in einem offenen oder einem geschlossenen Raumsystem (2), wobei die Vorrichtung als Gruppenstrahlerantenne (1) ausgestaltet ist, die die Hochfrequenzsignale (14) mit einer vorgegebenen Ausformung der Wellenfront (15) aussendet und empfängt, wobei es sich bei der Gruppenstrahlerantenne (1) um eine Trägerstruktur (10) mit aussendenden und/oder empfangenden Antennenelementen (6) handelt, wobei die Trägerstruktur (10) aus einem dielektrischen Material (9) ausgestaltet ist, wobei eine Sende-/Empfangseinheit (25) vorgesehen ist, wobei zumindest ein Speisenetzwerk (24) für die Übermittlung der Hochfrequenzsignale (14) zwischen der Sende-/Empfangseinheit (25) und den aussendenden und/oder empfangenden Antennenelementen (6) ausgestaltet ist, und wobei zumindest eine Regel-/ Auswerteeinheit (23) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, -dass die Formgebung der Trägerstruktur (10) in Abstrahlrichtung (19) der Gruppenstrahlerantenne (1) von der planaren Formgebung abweicht, - dass die aussendenden und/oder empfangenden Antennenelemente (6) und/oder das Speisenetzwerk (24) für die einzelnen aussendenden oder empfangenden Antennenelemente (6) der Gruppenstrahlerantenne (1) der Art auf und/oder in der Trägerstruktur (10) ausgestaltet und/oder angeordnet sind, dass die Ab- weichungen der aktuellen Form der Wellenfront (14) von der vorgegebenen Ausformung der Wellenfront (14), die aufgrund der Formgebung der Trägerstruktur (10) auftreten, zumindest näherungs weise kompensiert sind.
[0003] 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur (10) aus dem dielektrischen Material (9) besteht, welches zumindest in einem der Verarbeitungsschritte eines Herstellungsprozesses der Gruppen- strahlerantenne (1) formbar ausgestaltet ist.
[0004] 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Formgebung der Trägerstruktur (10), die aus dem dielektrischen Material (9) besteht, aus zusammengesetzten planaren Teilstücken ausgestaltet ist.
[0005] 5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem dielektrischen Material (9) der Trägerstruktur (10) um eine Keramik, Glaskeramik, organische Materialien, einer Mischung aus Keramik mit organischen Materialien, Low Temperature Cofired Ceramics (LTCC) oder einen Teflon- Verbundwerkstoff handelt.
[0006] 6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur (10) aus dem dielektrischem Material (9) auf der zur Abstrahlrichtung (19) abgewandten Seite der Gruppen- strahlerantenne (1) einen Hohlraum (21) bildet.
[0007] 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein
Füllmaterial (22) vorgesehen ist, das den Hohlraum (21) hermetisch versiegelt.
[0008] 8. Vorrichtung nach Anspruch 1 ,2 ,3 ,5, oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass
Trägerstruktur (10) als eine mehrschichtige Trägerstruktur (11) mit mehreren Lagen (12) ausgestaltet ist.
[0009] 9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die aussendenden und/oder empfangenden Antennenelemente (6) auf und/oder zwischen zumindest einer Lage (12) der mehrschichtigen Trägerstruktur (11) angeordnet sind.
[0010] 10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schutzschicht (13) vorgesehen ist, die auf Trägerstruktur (10) oder die mehrschichtige Trägerstruktur (10) aufgebracht wird.
[0011] 11. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Gruppenstrahlerantenne (1) um eine Streifenleiter-, eine Schlitz-, eine Schleifen-, eine logarithmischen Spiral- oder eine Flächenstrahler- Antenne mit entsprechenden aussendenden und empfangenden Antennenelementen (6) oder um eine Kombination daraus handelt.
[0012] 12. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur (10) mit den aussendenden und/oder empfangenden Antennenelementen (6) zumindest eine Erhebung und/oder zumindest eine Vertiefung (16) in Abstrahlrichtung (19) der Gruppenstrahlerantenne (1) aufweist.
[0013] 13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Vertiefung und/oder Erhebung (16) um zumindest eine Kegelform, zumindest eine Pyramidenform, zumindest eine Tetraederform, zumindest eine konkave Form, zumindest eine konvexe Form oder zumindest eine Keilform des Profils (8) der Trägerstruktur (10) handelt.
[0014] 14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur (10) mit der Erhebung und/oder der Vertiefung (16) zumindest eine Abrisskante oder Abrisspunkt (18) aufweist.
[0015] 15. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem geschlossenen Raumsystem (2) um einen Behälter (3) handelt.
[0016] 16. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 9, 11, oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die aussendenden und/oder empfangenden Antennenelemente (6) und/oder das Speisenetzwerk (24) aus einem leitfähigen Material und/oder einem Metall bestehen.
[0017] 17. Vorrichtung nach Anspruch 1,2, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf der zur Abstrahlrichtung (19) abgewandten Seite der Trägerstruktur (10) der Gruppenstrahlerantenne (1) im Hohlraum (21) die Sende-/Empfangseinheit (25) und/oder die Regel-/ Auswerteeinheit (23) ausgestaltet ist.
[0018] 18. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Sende -/Empfangseinheit (25) und/oder die Regel-/ Auswerteeinheit (23) in einer Lage (12) der mehrschichtigen Trägerstruktur (11) oder auf der Trägerstruktur (10) integriert ist.
[0019] 19. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspeisung des Hochfrequenzsignals aus der Sende-/Empfangseinheit (25) in das Speisenetzwerk (24) und/oder die aussendenden und empfangenden Antennenelemente (6) der Gruppenstrahlerantenne (1) über eine Koaxialleitung (27) oder einen Hohlleiter (29) erfolgt.
[0020] 20. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Regel-/Aus werteeinheit (23) mittels des Laufzeitmessverfahrens der ausgesendeten zu den empfangenen Hochfrequenzsignalen (14), den Füllstand (4) eines Füllguts (5) in dem offenen oder dem geschlossenen Raumsystem (2) ermittelt.
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