EP2656434A1 - Diplexer für homodynes fmcw-radargerät - Google Patents

Diplexer für homodynes fmcw-radargerät

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EP2656434A1
EP2656434A1 EP11796947.7A EP11796947A EP2656434A1 EP 2656434 A1 EP2656434 A1 EP 2656434A1 EP 11796947 A EP11796947 A EP 11796947A EP 2656434 A1 EP2656434 A1 EP 2656434A1
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EP
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diplexer
waveguide
shells
coupling zone
transitions
Prior art date
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EP11796947.7A
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EP2656434B1 (de
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Helmut Barth
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Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
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Publication date
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Publication of EP2656434A1 publication Critical patent/EP2656434A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2656434B1 publication Critical patent/EP2656434B1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports
    • H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port
    • H01P5/18—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port consisting of two coupled guides, e.g. directional couplers
    • H01P5/181—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port consisting of two coupled guides, e.g. directional couplers the guides being hollow waveguides
    • H01P5/182—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port consisting of two coupled guides, e.g. directional couplers the guides being hollow waveguides the waveguides being arranged in parallel
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/20—Frequency-selective devices, e.g. filters
    • H01P1/213—Frequency-selective devices, e.g. filters combining or separating two or more different frequencies
    • H01P1/2138—Frequency-selective devices, e.g. filters combining or separating two or more different frequencies using hollow waveguide filters

Definitions

  • the invention relates to a diplexer for a homodyne FMCW radar device.
  • the invention relates to such a diplexer constructed in waveguide technology.
  • diplexers are used to switch two inputs to one output and work as a crossover in this sense.
  • two input channels can be decoupled and separated in the signal direction, for example, to be able to operate on an antenna connected to an output channel. Echo signals that are reflected and received by the impact of transmit signals from the antenna on reflective surfaces can then be redistributed to the associated receivers.
  • signals in the diplexer are to be damped as low as possible, and on the other hand, the decoupling between the two input channels should be as large as possible. This means that signals should only be directed in the desired direction, while the highest possible attenuation occurs in the other direction.
  • Known diplexers for radar technology are arranged in the low-cost range, for example, as a microstrip line coupler directly on printed circuit boards and can be made very small, very precise and cost-effective, so that they are used in consumer products such as mobile phones.
  • Their disadvantages are their low directivity and high losses at moderate
  • Waveguide sections is formed.
  • a waveguide structure of such a diplexer consists in principle of two quasi parallel running waveguide channels, which are each formed of successive waveguide sections, the
  • the waveguide sections of a waveguide channel are
  • phase shift for one frequency must be 0 °
  • phase shift for the other frequency must be 180 °.
  • the frequency spacing between the two transmission frequencies is specified constructively by the diplexer.
  • detour lines are dimensioned at a multiple of the wavelength, since even smaller phase differences then multiply and the diplexer thereby obtains a narrower transmission curve.
  • the transmission frequencies are given by the fact that the same
  • Waveguide length for which one frequency must be an even integer multiple and for the second frequency an odd multiple of half wavelength is also becomes permeable to other frequencies, which are usually suppressed by an additional filter. Another reason for using a multiple wavelength is that it reduces the installed frequency spacing between the two transmission frequencies.
  • FMCW radar devices with a waveguide-type diplexer are particularly suited for broadband applications such as distance measurement and level measurement in industrial process instrumentation, because they are characterized by high performance and relatively easy adaptation to the desired frequencies ,
  • the invention is therefore an object of the invention to provide a diplexer for a homodyne FMCW radar device, which due to small dimensions of his
  • Waveguide structure can be easily and inexpensively manufactured.
  • a ratio of the dimensions of the waveguide to the dimensions of the coupling zone and the recesses is selected so that the diplexer shows a broadband behavior and allows propagation of an H20 wave in the coupling zone;
  • each waveguide gate transitions to the waveguide of the transmitter and receiver connected to the diplexer are provided, which transitions in their position and shape are designed so that they support the desired broadband behavior;
  • the diplexer is made of two symmetrical half-shells.
  • the waveguides of the diplexer have a rectangular cross-section.
  • the depressions are arranged in a further embodiment of the invention.
  • the diplexer is composed of two half-shells, the structure being made of waveguides,
  • the structure is manufactured essentially with a milling cutter with a diameter of the order of 1 mm.
  • the two are
  • Injection molded parts which may be in particular plastic injection molded parts.
  • Yet another embodiment of the invention relates to a level measuring device comprising a diplexer according to the invention.
  • Fig. 1 is a general schematic diagram of a diplexer with waveguide coupler in the
  • Fig. 2 is a perspective view of a structure of a
  • FIG. 3 shows a schematic diagram of the idealized diplexer according to the invention
  • Fig. 4 is a schematic diagram of a structure of the diplexer according to the invention with
  • Fig. 5 is a perspective view of a structure of a practical
  • FIG. 6 shows two half shells of the diplexer according to FIG. 3 with a milled-in structure.
  • FIG. 1 a diplexer 1 with two waveguide channels 12 and 14 is shown in FIG. 1, which are each formed from two waveguide sections 12a, 12b and 14a, 14b.
  • the waveguide channels 12 and 14 or the waveguide sections 12a, 12b, 14a, 14b are connected in a waveguide coupler 16.
  • a first port 18a, a second port 18b, a third port 18c and a fourth port 18d are found at the waveguide sections 12a, 12b and 14a, 14b.
  • the direction of the electric field E that is to say the direction of polarization at the first port 18a and at the fourth port 18d, is illustrated by an arrow 20 in each case.
  • the first port 18a and the fourth port 18d are the port gates which, as such, are themselves such
  • FIG. 2 is a perspective view of a structure of FIG.
  • Embodiment of the diplexer 30 according to the invention which is formed from two symmetrical half-shells 32 and 34.
  • a separation or cutting plane of the diplexer 30 according to the invention is formed from two symmetrical half-shells 32 and 34.
  • two waveguide channels 36 and 38 with a preferably rectangular cross-section and horizontal polarization, which are guided close to each other and parallel, are separated by a partition wall 42 so that a first end is provided at the waveguide sections 36a, 36b and 38a, 38b Gate 40a, a second gate 40b, a third gate 40c and a fourth gate 40d are formed.
  • the partition wall 42 is pierced in a section labeled "breakthrough 44" and constitutes a coupling zone 46 between the waveguide channels 36 and 38. Since the desired broadband behavior of the inventive diplexer 30 only at a certain ratio of waveguide dimensions to the Dimensions of the coupling zone 46 and the recesses 48, 50 adjusts are the
  • transitions 52a-52d are introduced at each waveguide port 40a-40d, which are designed in their position and shape so that they support the desired broadband behavior of the diplexer 30.
  • FIG. 3 Slot coupler in the plane of the electric field E 54 is illustrated in Fig. 3 in a schematic diagram.
  • the per se by an ideally "infinite" thin partition 42 separate waveguide channels 36, 38 are connected in the coupling zone 46 by means of the opening 44.
  • H10 mode waves can propagate in both the y and x directions.
  • An edge designated by "e1" in FIG. 3 forms a strong impurity for the field of an H10 mode wave coming from the first port 38a, which causes a vortex of the E field in the coupling zone 46 before the second gate 40b leads.
  • FIG. 3 The upper part of the illustration in FIG. 3 illustrates the coupling zone 46 (see FIG. 2) in the z-direction.
  • Waveguide structure makes it possible to easily create a diplexer for broadband applications.
  • Each of the impurities excites non-propagating evanescent waves that act as energy storage and to realize the electrical
  • the coupling zone lies in the z-direction designated in FIG. 3, so that both H20-mode and H01-mode waves are excited. How this can be used in a controlled manner is based on parameters of the structure shown in Fig. 4 of a particular embodiment of the
  • the particular manufacturing friendliness of the diplexer 30 according to the invention results from the realization of two symmetrical half shells, which can be made compact relative to the wavelength of the useful frequency. It has been shown that when using aluminum injection molded half shells
  • FIGS. 5 and 6 show in perspective the structure of a practical embodiment of the
  • Fig. 5 illustrates the individual structures cut into a block for each half-shell
  • Fig. 6 shows, on an enlarged scale, the blocks of the half-shells
  • the diplexer according to the invention is particularly suitable for a

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Diplexer (30) für ein homodynes FMCW-Radargerät, der sich durch kleine Abmessungen seiner Hohlleiter-Struktur auszeichnet und deshalb einfach und kostengünstig gefertigt werden kann. Die Hohlleiterstrukturen des Diplexers (30) können aus zwei Halbschalen (32, 34) herausgeschnittenen werden, und die letzteren zum Diplexer (30) zusammengefügt werden. Verschiedene Materialien für die Halbschalen (32, 34) sind denkbar.

Description

Diplexer für homodynes FMCW-Radargerät
Die Erfindung betrifft einen Diplexer für ein homodynes FMCW-Radargerät. Die Erfindung betrifft insbesondere einen solchen Diplexer, der in Hohlleitertechnik aufgebaut ist.
Diplexer dienen bei Radargeräten dazu, zwei Eingänge an einen Ausgang zu schalten und arbeiten in diesem Sinne als Frequenzweiche. So können zwei Eingangskanäle entkoppelt und in Signalrichtung aufgetrennt werden, um sie beispielsweise an einer mit einem Ausgangskanal verbundenen Antenne betreiben zu können. Echosignale, die durch das Auftreffen von Sendesignalen von der Antenne auf reflektierende Oberflächen zurückgeworfen und empfangen werden, können dann wieder an die dazugehörigen Empfänger verteilt werden. Einerseits sollen Signale im Diplexer möglichst gering bedämpft werden, und andererseits soll die Entkopplung zwischen beiden Eingangs-Kanälen möglichst groß sein. Das heißt, dass Signale nur in die gewünschte Richtung geleitet werden sollen, während in der anderen Richtung eine möglichst hohe Dämpfung auftritt.
Bekannte Diplexer für die Radartechnik werden im Low Cost-Bereich zum Beispiel als Mikrostreifenleitungs-Koppler direkt auf Leiterplatten angeordnet und können damit sehr klein, sehr präzise und kostengünstig ausgeführt werden, so dass sie in Consumer-Produkten wie beispielsweise Mobiltelefonen Anwendung finden. Ihre Nachteile sind ihre geringe Richtwirkung und hohe Verluste bei mäßiger
Anpassung.
Andererseits sind Diplexer bekannt, deren Leitungsstruktur aus
Hohlleiter-Abschnitten gebildet wird. Eine Hohlleiterstruktur eines solchen Diplexers besteht im Prinzip aus zwei quasi parallel laufenden Hohlleiter-Kanälen, die jeweils aus aufeinander folgenden Hohlleiter-Abschnitten gebildet werden, den
Leistungsteilern. Die Hohlleiter-Abschnitte eines Hohlleiter-Kanals sind
üblicherweise durch eine Koppelzone getrennt. Nach dem ersten Leistungsteiler durchlaufen beide Leistungshälften unterschiedliche Weglängen und erhalten somit eine unterschiedliche Phasenlage. Der zweite Leistungsteiler arbeitet als Summierglied, wenn beide Leistungshälften trotz unterschiedlicher Weglängen eine gleiche Phasenlage haben. Ist die Phasenlage aber unterschiedlich, dann erfolgt eine Abschwächung der Leistung. Ist die Phasenlage gegensätzlich, dann wird die Leistung ausgelöscht. Ein wirkungsvoller Diplexer muss also in den Leitungslängen so dimensioniert werden, dass auf der jeweiligen Ausgangsleitung in der einen Frequenz eine Summierung erfolgt und in der anderen Frequenz eine Auslöschung. Ein Diplexer arbeitet dann am effektivsten, wenn die abstimmbare Umwegleitung folgende Bedingungen gleichzeitig erfüllt:
- die Phasenverschiebung für eine Frequenz muss 0° betragen;
- die Phasenverschiebung für die andere Frequenz muss 180° betragen.
Der Frequenzabstand zwischen den beiden Sendefrequenzen wird durch den Diplexer konstruktiv vorgegeben. Üblicherweise werden Umwegleitungen mit einem Vielfachen der Wellenlänge dimensioniert, da sich auch kleinere Phasendifferenzen dann vervielfachen und der Diplexer dadurch eine schmalere Durchlasskurve erhält. Damit sind die Sendefrequenzen dadurch vorgegeben, dass die gleiche
Hohlleiterlänge für die eine Frequenz ein gerades ganzzahliges Vielfaches und für die zweite Frequenz ein ungeradzahliges Vielfaches von der halben Wellenlänge haben muss. Der Diplexer wird dadurch aber auch für andere Frequenzen durchlässig, die üblicherweise durch ein zusätzliches Filter unterdrückt werden. Ein weiterer Grund für die Nutzung einer mehrfachen Wellenlänge ist, dass damit der installierte Frequenzabstand zwischen den beiden Sendefrequenzen verringert wird. FMCW-Radargeräte mit einem Diplexers mit einer Hohlleiter-Struktur sind für breitbandige Anwendungen, wie zum Beispiel der Abstandsmessung und der Füllstandsmessung im Rahmen der Industriellen Prozessmesstechnik besonders geeignet, da sie sich durch eine hohe Leistungsfestigkeit auszeichnen und eine relativ einfache Anpassung an die gewünschten Frequenzen ermöglichen.
Aus der Veröffentlichung "Compact Top-Wall Hybrid/Coupler design for Extreme Broad Bandwidth Applications" von Ralf Beyer und Uwe Rosenberg, Microwave Symposium Digest, MTT-S International 12-17 June 2005, ISBN 0-7803-8846-1/05, Seiten 1227-1230 ist ein Diplexer der oben beschriebenen Art bekannt, der für breitbandige Nutzung ausgelegt und der aus zwei Halbschalen zusammengesetzt ist. Er weist jedoch in einer Koppelzone zwischen den Hohlleiterabschnitten einen Hohlleiterschlitzkoppler auf, der beispielsweise für die in der Industriellen
Prozessmesstechnik gewünschten Frequenzen von größer 50 GHz relativ groß sein muss, wobei er andererseits extrem schmale Koppelschlitze haben muss, die schwer zu fertigen sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Diplexer für ein homodynes FMCW-Radargerät zu schaffen, der wegen kleiner Abmessungen seiner
Hohlleiter-Struktur einfach und kostengünstig gefertigt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Diplexer für
homodynes FMCW-Radargerät mit einer Struktur, die
- zwei eng aneinander und parallel geführten Hohlleiter mit horizontaler
Polarisation und endseitigen Hohlleitertoren;
- eine Koppelzone in einem Durchbruch einer Trennwand zur Verbindung der Hohlleiter-Kanäle; und
- Vertiefungen im Bereich der Koppelzone, die senkrecht zu den Hohlleiter angeordnet sind;
umfasst,
- wobei ein Verhältnis der Abmessungen der Hohlleiter zu den Abmessungen der Koppelzone und der Vertiefungen so gewählt ist, dass der Diplexer ein breitbandiges Verhalten zeigt und eine Ausbreitung einer H20-Welle in der Koppelzone ermöglicht;
- wobei an jedem Hohlleitertor Übergänge zu den Hohlleiter der am Diplexer angeschlossen Sender und Empfänger vorgesehen sind, welche Übergänge in ihrer Lage und Form so gestaltet sind, dass sie das gewünschte breitbandige Verhalten unterstützen; und
- wobei der Diplexer aus zwei symmetrischen Halbschalen gefertigt ist.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weisen die Hohlleiter des Diplexers einen Rechteckquerschnitt auf. Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Vertiefungen
näherungsweise quaderförmig ausgestaltet.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind die Vertiefungen
zylinderförmig ausgestaltet.
In noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der Diplexer aus zwei Halbschalen zusammengesetzt, wobei die Struktur aus Hohlleitern,
Vertiefungen und Übergängen aus den Halbschalen herausgefräst sind.
Nach einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Struktur im Wesentlichen mit einem Fräser mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 1 mm gefertigt wird. Bei noch weiteren Ausführungsformen der Erfindung sind die zwei
Halbschalen, aus denen der Diplexer zusammensetzbar ist, als
Spritzgussteile, die insbesondere Kunststoff-Spritzgussteile sein können.
Wieder eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die
Schnittebene der Halbschalen in der Ebene der elektrischen Feldstärke E
liegt.
Noch eine andere Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Füllstandsmeßgerät, das einen erfindungsgemäßen Diplexer umfasst.
Die besonderen Vorteile des Diplexers nach der Erfindung sind,
■ dass sich gerade für sehr hohe Frequenzen kleine
Hohlleiter-Strukturabmessungen ergeben,
■ dass die Hohlleiter-Struktur daher fertigungsfreundlich
■ und in Frästechnik und kostengünstig gefertigt werden kann.
Nachfolgend wird die Erfindung genauer erläutert und beschriebenen, wobei auf die in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung verwiesen wird. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine allgemeine Prinzipskizze eines Diplexers mit Hohlleiter-Koppler in der
Ebene des elektrischen Feldes;
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer Struktur eines
Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Diplexers;
Fig. 3 eine Prinzipskizze des idealisierten, erfindungsgemäßen Diplexers;
Fig. 4 eine Prinzipskizze einer Struktur des erfindungsgemäßen Diplexers mit
Parametern;
Fig. 5 eine perspektivische Darstellung einer Struktur eines praktischen
Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Diplexers; und
Fig. 6 zwei Halbschalen des Diplexers nach Fig. 3 mit eingefräster Struktur.
Zur Vereinfachung werden nachfolgend gleiche Bezugszeichen für gleiche Element und Module des erfindungsgemäßen Diplexers verwendet.
Zur Veranschaulichung des elektrischen Feldes und als Ausgangsbasis für den erfindungsgemäßen Diplexer ist in Fig. 1 ein Diplexer 1 mit zwei Hohlleiter-Kanälen 12 und 14 dargestellt, die jeweils aus zwei Hohlleiter-Abschnitten 12a, 12b und 14a, 14b gebildet werden. Die Hohlleiter-Kanäle 12 und 14 bzw. die Hohlleiter-Abschnitte 12a, 12b, 14a, 14b sind in einem Hohlleiter-Koppler 16 verbunden. Endseitig finden sich an den Hohlleiter-Abschnitten 12a, 12b und 14a, 14b ein erstes Tor 18a, ein zweites Tor 18b, ein drittes Tor 18c und ein viertes Tor 18d. Die Richtung des elektrischen Feldes E, also die Polarisationsrichtung am ersten Tor 18a und am vierten Tor 18d wird jeweils durch einen Pfeil 20 veranschaulicht. Das erste Tor 18a und das vierte Tor 18d sind die Anschlusstore, die, wie an sich bei solchen
Diplexern bekannt, mittels hier nicht dargestellten Hohlleiter(-Abschnitten) mit einem Sender und Empfänger verbunden sind.
Fig. 2 ist eine perspektivische Darstellung einer Struktur eines
Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Diplexers 30, der aus zwei symmetrischen Halbschalen 32 und 34 gebildet wird. Vorzugsweise ist beim erfindungsgemäßen Diplexers 30 eine Trennungs- bzw. Schnittebene der
Halbschalen 24 und 26 die Ebene der elektrischen Feldstärke E, die in Fig. 2durch einen mit "54" bezeichneten Pfeil angedeutet wird. Aus zeichnungstechnischen Gründen sind in Fig. 2 die an sich hohlen Strukturen grau dargestellt, die jeweils in einen umgebenden Block aus geeignetem Material eingebracht, vorzugsweise dort hineingefräst werden, so dass auf diese Weise die symmetrischen Halbschale 32 und 34 geschaffen werden.
Wie Fig. 2 veranschaulicht, werden zwei eng aneinander und parallel geführte Hohlleiter-Kanäle 36 und 38 mit einem vorzugsweise rechteckigem Querschnitt und horizontaler Polarisation durch eine Trennwand 42 getrennt, so dass endseitig an den Hohlleiter-Abschnitten 36a, 36b und 38a, 38b ein erstes Tor 40a, ein zweites Tor 40b, ein drittes Tor 40c und ein viertes Tor 40d gebildet werden. Die Trennwand 42 ist in einem mit "Durchbruch 44" bezeichneten Abschnitt durchbrochen und stellt eine Koppelzone 46 zwischen den Hohlleiter-Kanälen 36 und 38 dar. Da sich das gewünschte breitbandige Verhalten des erfindungsgemäßen Diplexers 30 nur bei einem bestimmten Verhältnis von Hohlleiter-Abmessungen zu den Abmessungen der Koppelzone 46 und der Vertiefungen 48, 50 einstellt, sind die
Hohlleiterabmessungen nicht willkürlich wählbar. Genauere Erläuterungen zu diesen Verhältnissen werden unten im Zusammenhang mit der Fig. 4 angegeben. Um nun von den sich ergebenden Hohlleiterabmessungen auf die von einem System vorgegebenen Hohlleiterquerschnitte zur Verbindung mit Sendern und Empfängern zu kommen, werden an jedem Hohlleitertor 40a - 40d so genannte Übergänge 52a - 52d eingeführt, die in ihrer Lage und Form so gestaltet sind, dass sie das gewünschte breitbandige Verhalten des Diplexers 30 unterstützen. Die prinzipielle Funktionsweise der in Fig. 2 dargestellten Struktur eines
Schlitzkopplers in der Ebene des elektrischen Feldes E 54 wird in Fig. 3 in einer Prinzipskizze veranschaulicht. Zur Erläuterung wird auch auf Fig. 2 verwiesen. Die an sich durch eine idealerweise "unendlich" dünne Trennwand 42 getrennten Hohlleiter-Kanäle 36, 38 werden in der Koppelzone 46 mittels des Durchbruchs 44 verbunden. In der Koppelzone 46 können sich H10-Mode-Wellen sowohl in y- als auch in x-Richtung ausbreiten. Eine in Fig. 3 mit "e1 " bezeichnete Kante bildet für das Feld einer vom ersten Tor 38a kommenden H10-Mode-Welle eine starke Störstelle, die zu einer Verwirbelung ("vortex") des E-Felds in der Koppelzone 46 vor dem zweiten Tor 40b führt. Durch eine Kombinationen verschiedenen
Frequenzen mit verschiedenen Ausdehnungen der Koppelzonen 46 kann durch die Verwirbelung ("vortex") die Ausbreitung der H10-Mode-Welle in das zweite Tor 40b verhindert werden, da dadurch auch mögliche von einer weiteren mit "e2" bezeichnete Kante am anderen Ende der Koppelzone 46 angeregte Wellen am Zurücklaufen gehindert werden. Dieses Verhalten gilt so jedoch nur für
schmalbandige Anwendungen. Außerdem ist es wegen der wenigen Freiheitsgrade in der Auslegung des Diplexers 30 außerordentlich schwierig, eine symmetrische (-3dB) Kopplung zu den Ausgangs-Toren 40c und 40d zu erreichen.
Der obere Teil der Darstellung in Fig. 3 veranschaulicht die Koppelzone 46 (siehe Fig. 2) in z-Richtung.
Ein anderes Problem des oben beschriebenen, idealen Schlitzkopplers ist seine praktische Ausführung und Realisation, da ein solcher Koppler in der praktischen Umsetzung immer eine endliche Dicke der Trennwand 42 (siehe Fig. 2) aufweist, je dicker die Trennwand 42 gewählt, desto einfacher ist der Diplexer zu fertigen, aber desto mehr weicht er von der idealen, oben beschriebenen Funktionsweise ab.
Um jedoch die Probleme mit endlicher Dicke der Trennwand 42 (siehe Fig.
2) und die damit entstehenden Probleme mit weiteren Kanten in der
Koppelzone 46 zu lösen, schlägt die Erfindung den in Fig. 2
veranschaulichten Aufbau des Diplexers 30 aus den zwei in der E-Ebene zusammengefügten Halbschalen 34, 36 vor. Unter Beachtung der
nachfolgend beschriebenen, aufeinander abgestimmten Verhältnisse der
Hohlleiter-Struktur ist es möglich, auf einfache Weise einen Diplexer für breitbandige Anwendungen zu schaffen. Dazu werden mehrere
Hohlleitermoden ausgenutzt, um breitbandiges Verhalten des Diplexers 30 zu erreichen. Neu ist vor allem die bei Kopplern dieser Art unübliche
Anregung der H20-Mode durch genau definierte Kanten, Störstellen und insbesondere durch Vertiefungen in der gemeinsamen Koppelzone 46.
Jede der Störstellen erregt nicht-ausbreitungsfähige abklingende Wellen, die als Energiespeicher wirken und zur Realisierung der elektrischen
Eigenschaften in ein bestimmtes Verhältnis zueinander gesetzt werden. Letzteres wird durch gezielte Variation der Störstellenparameter mittels an sich bekannten Programmen zur dreidimensionalen Vollwellenanalyse
eines solchen Diplexers ermittelt. Wie bereits oben erwähnt, liegt die Koppelzone in der in Fig. 3 bezeichneten z-Richtung, so dass sowohl H20-Mode- als auch H01 -Mode-Wellen angeregt werden. Wie dies kontrolliert genutzt werden kann, wird anhand von Parametern der in Fig. 4 dargestellten Struktur einer besonderen Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Diplexers 30 erläutert.
In einer mit sich in z-Richtung (vergleiche Fig. 3) sich erstreckenden Höhe ak der Koppelzone 46 (siehe Fig. 2) haben H20-, H01 - und H10-Mode-Wellen
unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten, die zu gemeinsamen
Interferenzen führen, die den Ort für die Verwirbelung ("vortex" in Fig. 3) beeinflussen. Eine Optimierung der Höhe ak der Koppelzone 46 erlaubt es, die Verwirbelung ("vortex" in Fig. 3) des E-Feldes vor dem vierten Tor 40d zu platzieren und so das gewünschte verhalten zu erreichen. Bei weiterer Optimierung kann durch Reduzieren der Breiten bk und der Längen Ik in z-Richtung der Vertiefungen 48, 50 (siehe Fig. 2) sowie durch Anpassung der Übergangszonen Ip, bp der Trennwand 42 in die Koppelzone 46 erreicht werden.
Nachfolgend werden Parameter gemäß Fig. 4 für ein praktisches
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Diplexers 30 für 70 GHz - 85 GHz angegeben:
Parameter (nach Fig. 4) Abmessungen in mm
a 3, 1
b 1 .3
s 0.8
1 7,0
ak 5,56
bk 3,04
Ik 3.94 bp 0,4
ip 0,5
Damit wird ein Diplexer erreicht, der sich durch nahezu symmetrische
Leistungsverteilung und gute Isolation bei guter Anpassung an die Tore über eine Bandbreite von etwa 20% auszeichnet.
Die besondere Fertigungsfreundlichkeit des erfindungsgemäßen Diplexers 30 ergibt sich durch Realisierung aus zwei symmetrischen Halbschalen, die sich - relativ zur Wellenlänge der Nutzfrequenz - kompakt fertigen lassen. Es hat sich gezeigt, dass bei Verwendung von Aluminium-Spritzguss-Halbschalen die
Gesamtgestaltung der Struktur so ausgelegt werden kann, dass sie mit einem geringen Fräserdurchmesser, beispielsweise in der Größenordnung von 1 mm gefertigt werden kann. Dadurch ergeben sich kurze Bearbeitungszeit und eine relativ hohe Präzision. Zur Verdeutlichung wird auf die Fig. 5 und 6 hingewiesen, die in perspektivischen Darstellung die Struktur eines praktischen Ausführungsbeispiels des
erfindungsgemäßen Diplexers 30 zeigen. Während Fig. 5 die einzelnen in einen Block für jede Halbschale eingeschnittenen Strukturen verdeutlicht, zeigt Fig. 6 in einem vergrößerten Maßstab, die aus den Blöcken der Halbschalen
herausgeschnittenen zum Diplexer 30 zusammengefügten Strukturen als solche.
Andere Spritzgussmaterialen als das oben genannte Aluminium für die Halbschalen des Diplexers 30 sind denkbar, wie beispielsweise Kunststoff. Ebenso denkbar sind andere Formen für die Vertiefungen 48, 50 (siehe Fig. 2) als die in den Fig. 2 und 4 dargestellten, wie z.B. recheckige oder zylindrische Vertiefungen.
Der erfindungsgemäße Diplexer eignet sich in besonderer weise für eine
Verwendung in einem Füllstandsmeßgerät mit Radarsignalen. Bezugszeichenliste Diplexer 40a-d Tore
1. Hohlleiter-Kanal 42 Trennwand
2. Hohlleiter-Kanal 44 Durchbruch
a,b Hohlleiter-Abschnitte von (12) 46 Koppelzone
a,b Hohlleiter-Abschnitte von (14) 48 1. Vertiefung
Hohlleiter-Koppler 50 2. Vertiefung
a-d Tore 52a-d Übergänge an den Toren Richtung £ (Pfeil) 54 Richtung £ (Pfeil) Diplexer
1. Halbschale
2. Halbschale
. Hohlleiter-Kanal
a, b Hohlleiter-Abschnitte von (36)
2. Hohlleiter-Kanal
a, b Hohlleiter-Abschnitte von (38)

Claims

Patentansprüche
1 . Diplexer für ein homodynes FMCW-Radargerät mit einer Struktur, die
- zwei eng aneinander und parallel geführten Hohlleiter-Kanälen (36, 38) mit horizontaler Polarisation und endseitigen Hohlleitertoren (40a-d);
- eine Koppelzone (46) aus einem Durchbruch (44) in einer Trennwand (42) zur Verbindung der Hohlleiter-Kanäle (36, 38); und
- Vertiefungen (48, 50) im Bereich der Koppelzone (46), die senkrecht zu den Hohlleitern-Kanälen (36, 38) angeordnet sind;
umfasst,
- wobei ein Verhältnis der Abmessungen der Hohlleiter zu den Abmessungen der Koppelzone (46) und der Vertiefungen (48, 50) so gewählt ist, dass der Diplexer (30) ein breitbandiges Verhalten zeigt und eine Ausbreitung einer H20-Welle in der Koppelzone ermöglicht;
- wobei an den Hohlleitertoren (40a-d) Übergänge (52a-d) zu den am Diplexer angeschlossen Sender und Empfänger vorgesehen sind, welche Übergänge (52a-d) in ihrer Lage und Form so gestaltet sind, dass sie das gewünschte breitbandige Verhalten unterstützen; und
- wobei der Diplexer (30) aus zwei symmetrischen Halbschalen (32, 34) gefertigt ist.
2. Diplexer nach Anspruch 1 , bei dem die Hohlleiter-Kanäle (36, 38) einen Rechteckquerschnitt aufweisen.
3. Diplexer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die
Vertiefungen (48, 50) näherungsweise quaderförmig ausgestaltet sind.
4. Diplexer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die
Vertiefungen (48, 50) zylinderförmig ausgestaltet sind.
5. Diplexer nach einem der vorgehenden Ansprüche 1 bis 4, der aus zwei Halbschalen (32, 34) zusammengesetzt ist, wobei seine Struktur aus
Hohlleiter-Kanälen (36, 38), Vertiefungen (48, 50) und Übergängen (52a-d) aus den Halbschalen (32, 34) herausgefräst sind.
6. Diplexer nach Anspruch 5, bei dem die Struktur im Wesentlichen mit einem Fräser mit einem Durchmesser von etwa 1 mm gefertigt werden kann.
7. Diplexer nach einem der vorgehenden Ansprüche 1 bis 6, der aus zwei Halbschalen (32, 34) zusammensetzbar ist, die Spritzgussteile sind.
8. Diplexer nach Anspruch 7, bei dem die Halbschalen (32, 34)
Kunststoff-Spritzgussteile sind.
9. Diplexer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die
Schnittebene der Halbschalen (32, 34)die Ebene der elektrischen
Feldstärke E (54) ist.
10. Füllstandsmeßgerät, das einen Diplexer (30) nach einem der vorgehenden Ansprüche 1 -9 umfasst.
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