EP2656434B1 - Diplexer für homodynes fmcw-radargerät - Google Patents

Diplexer für homodynes fmcw-radargerät Download PDF

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EP2656434B1
EP2656434B1 EP11796947.7A EP11796947A EP2656434B1 EP 2656434 B1 EP2656434 B1 EP 2656434B1 EP 11796947 A EP11796947 A EP 11796947A EP 2656434 B1 EP2656434 B1 EP 2656434B1
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EP
European Patent Office
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diplexer
waveguide
waveguide channels
coupling zone
depressions
Prior art date
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EP11796947.7A
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English (en)
French (fr)
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EP2656434A1 (de
Inventor
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
Application filed by Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Endress and Hauser SE and Co KG
Publication of EP2656434A1 publication Critical patent/EP2656434A1/de
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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 with moderate adaptation.
  • the frequency spacing between the two transmission frequencies is specified constructively by the diplexer.
  • detour lines are dimensioned with a multiple of the wavelength, since then also smaller phase differences multiply and the diplexer thereby obtains a narrower transmission curve.
  • the transmission frequencies are given by the fact that the same waveguide length for one frequency must have a even integer multiple and for the second frequency an odd multiple of half the wavelength.
  • the diplexer 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 ,
  • a diplexer with planar waveguides is in the patent US 3,999,151 described. Due to the cross-shaped arrangement of Hohlleoter ausrrenz the coupling region is a very compact design, but at very low bandwidth, the diplexer possible.
  • a diplexer with a likewise large bandwidth is in the publication GB 2 449 825 A described.
  • the large bandwidth is achieved by additional recesses are recessed on the inner walls of the waveguide channels.
  • the invention is therefore an object of the invention to provide a diplexer for a homodyne FMCW radar device, which can be easily and inexpensively manufactured because of small dimensions of its waveguide structure.
  • the recesses are configured approximately cuboid.
  • the depressions are cylindrical.
  • the diplexer is composed of two half-shells, with the structure of waveguides, recesses and transitions being milled out of the half-shells.
  • the structure is manufactured essentially with a milling cutter with a diameter of the order of 1 mm.
  • the two half-shells from which the diplexer is composable as injection molded parts, which may be in particular plastic injection molded parts.
  • Yet another embodiment of the invention provides that the sectional plane of the half-shells lies in the plane of the electric field strength E.
  • Yet another embodiment of the invention relates to a level measuring device comprising a diplexer according to the invention.
  • a diplexer 1 with two waveguide channels 12 and 14 are shown, 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.
  • 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.
  • Fig. 2 is a perspective view of a structure of an embodiment of the diplexer 30 according to the invention, which is formed from two symmetrical half-shells 32 and 34.
  • a separation or sectional plane of the half-shells 24 and 26 is the plane of the electric field strength E that is in Fig. 2 by an arrow labeled "54" is indicated.
  • the hollow structures per se are shown in gray, which are each introduced into a surrounding block of suitable material, preferably milled into it, so that the symmetrical half-shell 32 and 34 are created in this way.
  • FIG. 2 illustrated, two closely spaced and parallel guided waveguide channels 36 and 38 having a preferably rectangular cross-section and horizontal polarization separated by a partition wall 42 so that end to the waveguide sections 36a, 36b and 38a, 38b, a first 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 the waveguide dimensions are not arbitrary selectable.
  • 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 The principle of operation of in Fig. 2 shown structure of a slot coupler in the plane of the electric field E 54 is in Fig. 3 illustrated in a schematic diagram. For explanation will also be on Fig. 2 directed.
  • 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 in Fig. 3 The edge labeled "e1" forms a strong impurity for the field of an H10 mode wave coming from the first port 38a, resulting in a vortex of the E field in the coupling zone 46 before the second gate 40b leads.
  • the invention proposes the in Fig. 2 illustrated construction of the diplexer 30 from the two in the E- plane joined half-shells 34, 36 before.
  • a diplexer for broadband applications.
  • a plurality of waveguide modes are exploited in order to achieve broadband behavior of the diplexer 30.
  • couplers of this type unusual excitation of the H20 mode by well-defined edges, imperfections and in particular by depressions in the common coupling zone 46.
  • Each of the impurities excited non-propagating evanescent waves that act as energy storage and the realization of electrical Properties are set in a specific relationship to each other.
  • the latter is determined by targeted variation of the impurity parameters by means of programs known per se for the three-dimensional full-wave analysis of such a diplexer.
  • the coupling zone lies in the in Fig. 3 designated z direction, so that both H20 mode and H01 mode waves are excited. How this can be used in a controlled way is based on parameters of the Fig. 4 illustrated structure of a particular embodiment of the diplexer 30 according to the invention explained.
  • H20, H01 and H10 mode waves have different propagation velocities which lead to common interferences, which are the location for vortexing Fig. 3 ) influence.
  • An optimization of the height ak of the coupling zone 46 makes it possible to reduce the turbulence ("vortex" in FIG Fig. 3 ) of the E- field in front of the fourth gate 40d to achieve the desired behavior.
  • turbulence "vortex" in FIG Fig. 3 ) of the E- field in front of the fourth gate 40d
  • Fig. 4 Parameter (after Fig. 4 ) Dimensions in mm a 3.1 b 1.3 s 0.8 l 7.0 ak 5.56 bk 3.04 lk 3.94 bp 0.4 lp 0.5 This achieves a diplexer characterized by a nearly symmetrical power distribution and good insulation with good adaptation to the gates over a bandwidth of about 20%.
  • 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 found that when using aluminum injection-molded half-shells, the overall design of the structure can be designed so that it can be manufactured with a small milling cutter diameter, for example of the order of 1 mm. This results in short processing time and a relatively high precision.
  • FIGS. 5 and 6 shows in perspective the structure of a practical embodiment of the diplexer 30 according to the invention. While Fig. 5 shows the individual structures cut into a block for each half-shell, shows Fig. 6 on an enlarged scale, the structures cut out of the blocks of the half-shells and joined to the diplexer 30 as such.
  • the diplexer according to the invention is particularly suitable for use in a level measuring device with radar signals.

Landscapes

  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)

Description

  • 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.
  • Ein Diplexer mit planar angeordneten Hohlleitern ist in der Patentschrift US 3,999,151 beschrieben. Durch die kreuzförmige Anordnung der Hohlleoter ausrhalb des Koppelbereichs ist eine sehr kompakte Ausgestaltung, bei allerdings sehr geringer Bandbreite, des Diplexers möglich.
  • 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.
  • Ein Diplexer mit einer ebenfalls großen Bandbreite ist in der Veröffentlichungsschrift GB 2 449 825 A beschrieben. Hier wird die große Bandbreite dadurch erreicht, dass an den Innenwänden der Hohlleiterkanäle zusätzliche Vertiefungen eingelassen sind.
  • Eine weitere Möglichkeit, die Bandweite eines Diplexers zu erhöhen, wird in der Veröffentlichungsschrift GB 2 313 714 A aufgezeigt. Hierzu ist oberhalb des Koppelraums des dort gezeigten Diplexers ein weiterer Resonatorraum angeordnet, der durch einen vordefiniert dimesnionierten Schlitz mit dem Koppelraum verbunden ist.
  • Ein einfach herstellbarer Diplexer mit hoher Bandweite ist in der Veröffentlichungsschrift EP 0 872 910 A2 beschrieben. Die hohe Bandbreite wird dadurch erreicht, dass in dem Diplexer neben dem Grundwellentyp (H10) die nächsthöheren Wellentypen (H11 und E11) ausbreitungsfähig sind. Hierzu ist der Koppelraum des Diplexer mindestens 2,5 mal breiter ausgelegt, als der Querschnitt der jeweils angrenzenden Hohlleiter. Damit verbunden ist jedoch eine vergleichsweise hoher Platzverbrauch des Koppeliraums.
  • 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 Kuppelzone in einem Durchbruch einer Trennwand zur Verbindung der Hohlleiter-Kanäle; und
    • Vertiefungen im Bereich der Kuppelzone, 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 beschrieben 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 Elemente 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. 2 durch 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 lk in z-Richtung der Vertiefungen 48, 50 (siehe Fig. 2) sowie durch Anpassung der Übergangszonen lp, 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
    l 7,0
    ak 5,56
    bk 3,04
    lk 3,94
    bp 0,4
    lp 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. rechteckige oder zylindrische Vertiefungen.
  • Der erfindungsgemäße Diplexer eignet sich in besonderer Weise für eine Verwendung in einem Füllstandsmeßgerät mit Radarsignalen. Bezugszeichenliste
    10 Diplexer 40a-d Tore
    12 1. Hohlleiter-Kanal 42 Trennwand
    14 2. Hohlleiter-Kanal 44 Durchbruch
    12a,b Hohlleiter-Abschnitte von (12) 46 Koppelzone
    14a,b Hohlleiter-Abschnitte von (14) 48 1. Vertiefung
    16 Hohlleiter-Koppler 50 2. Vertiefung
    18a-d Tore 52a-d Übergänge an den Toren
    20 Richtung E (Pfeil) 54 Richtung E (Pfeil)
    30 Diplexer
    32 1. Halbschale
    34 2. Halbschale
    36 1. Hohlleiter-Kanal
    36a,b Hohlleiter-Abschnitte von (36)
    38 2. Hohlleiter-Kanal
    38a,b Hohlleiter-Abschnitte von (38)

Claims (6)

  1. Diplexer für ein homodynes FMCW-Radargerät, der aus zwei Halbschalen (32, 34) gefertigt ist, mit einer Struktur, die
    - zwei parallel in einer Ebene und mit einem Abstand (bp) geführte Hohlleiter-Kanäle (36, 38) mit einem Rechteckquerschnitt und jeweils zwei endseitigen Hohlleitertoren (40a-d), und
    - eine Koppelzone (46) aus einem Durchbruch (44) in einer Trennwand (42) zur Verbindung der Hohlleiter-Kanäle (36, 38)
    umfasst,
    wobei ein elektrisches Feld (E) einer Welle in etwa entlang einer Querschnittsebene der Hohlleiter-Kanäle (38, 38) und in der Ebene, in der die Hohlleiter-Kanäle (36, 38) geführt sind, verläuft, und
    wobei die Struktur im Bereich der Koppelzone (46) Vertiefungen (48, 50) umfasst, die senkrecht zu der Ebene, in der die Hohlleiter-Kanäle (36, 38) geführt sind, angeordnet sind,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Vertiefungen (48, 50) quaderförmig ausgestaltet sind, wobei ein Verhältnis der Abmessungen der Hohlleiter-Kanäle (36, 38) zu den Abmessungen der Koppelzone (46) und der Vertiefungen (48, 50) so gewählt ist, dass der Diplexer (30) eine Ausbreitung einer H20-Mode der Welle in der Koppelzone ermöglicht.
  2. Diplexer nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    seine Struktur aus Hohlleiter-Kanälen (36, 38), Vertiefungen (48, 50) und Übergänge (52a-d) aus den Halbschalen (32, 34) herausgefräst sind.
  3. Diplexer nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Struktur im Wesentlichen mit einem Fräser mit einem Durchmesser von etwa 1 mm gefertigt werden kann.
  4. Diplexer nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die zwei Halbschalen (32, 34) Spritzgussteile sind.
  5. Diplexer nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Halbschalen (32, 34) Kunststoff-Spritzgussteile sind.
  6. Füllstandsmeßgerät, das einen Diplexer (30) nach einem der vorgehenden Ansprüche umfasst.
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