KR102584914B1 - 트윈 핀을 갖는 레이더 모듈 - Google Patents

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Abstract

레이더 신호 소스, 및 레이더 신호 소스에 연결되고 레이더 신호 소스에 의해 생성된 레이더 신호를 도파관 또는 안테나에 결합하는 커플러를 갖는 마이크로파 칩을 포함하는 플랜트 모니터링을 위해 구성된 레이더 모듈.

Description

트윈 핀을 갖는 레이더 모듈
관련 출원에 대한 참조
본 출원은 2019년 4월 2일에 출원된 독일 특허 출원 제 10 2019 204 671.1 호에 대한 우선권을 주장하며, 이는 그 전체가 참조로 본원에 통합된다.
본 발명은 플랜트 모니터링 및 프로세스 자동화를 위한 레이더 측정 기술에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 플랜트 모니터링을 위한 레이더 모듈, 이러한 레이더 모듈을 갖는 레이더 측정 장치 및 레벨 측정, 레벨 한계 측정, 물류 자동화 또는 제조 자동화를 위한 레이더 모듈의 사용에 관한 것이다.
레이더 측정 장치는 예를 들어, 레벨 측정, 포인트 레벨 측정 또는 오브젝트 감지의 분야에서의 프로세스 자동화, 특히 모니터링 플랜트에 사용된다.
방출될 레이더 신호는 레이더 신호 소스를 갖는 레이더 모듈에 의해 생성되고 도파관 또는 안테나에 결합되며, 이것으로부터 레이더 신호는 모니터링될 오브젝트 또는 제품 방향으로 방사된다.
이 목적을 위한 도파관 커플링의 일반적인 설계에는 금속 핀, 핀, 패치 안테나 또는 유사한 구조가 있다. 일반적으로 마이크로파 신호는 캐리어 플레이트의 회로 부품(예를 들어, 마이크로스트립 구조)과의 본드 연결을 통해 연결된다.
이러한 레이더 측정 장치는 특히 W-대역 또는 K-대역 주파수용으로 설계될 수 있다.
본 발명의 목적은 플랜트 모니터링에 적합한 대안적인 레이더 모듈을 제공하는 것이다.
이 목적은 특허 독립항의 대상(subject matter)에 의해 해결된다. 본 발명의 추가 실시예는 종속항에서 그리고 실시예에 대한 다음 설명에서 비롯된다.
본 발명의 제1 측면은 마이크로파 칩을 포함하는 플랜트 모니터링을 위해 구성된 레이더 모듈에 관한 것이다. 마이크로파 칩은 75GHz보다 큰 주파수를 갖는 레이더 신호를 생성하도록 구성된 레이더 신호 소스를 포함한다. 또한, 레이더 신호 소스에 연결되는 커플러(이하 커플링 소자라고도 함)를 갖는다. 본 발명은, 플랜트 모니터링을 위해 구성된 레이더 모듈로서, 마이크로파 칩을 포함하며, 상기 마이크로파 칩은, 75GHz보다 큰 주파수를 갖는 레이더 신호를 생성하도록 구성된 레이더 신호 소스, 상기 레이더 신호 소스에 연결된 커플러를 갖고, 상기 커플러는 서로 대향하여 배열되고 금속으로 만들어진 2개의 핀들을 포함하며, 상기 2개의 핀들 중 하나는 전기적 연결부를 통해 상기 레이더 신호 소스에 연결되는, 레이더 모듈를 제공한다.
시스템 모니터링은 예를 들어 레벨 또는 한계 레벨 측정일 수 있다. 레이더 모듈은 또한 기계의 위험 지역을 모니터링하고, 예를 들어 위험 지역 모니터링의 일부로 오브젝트를 감지하거나 인식하고, 또는 컨베이어 벨트에서 오브젝트를 감지 및 계산하고 또는 컨베이어 벨트 상의 벌크 재료의 질량 흐름을 결정하도록 설정될 수 있다.
자동화 기술이라는 용어는 인간의 개입 없이 기계 및 플랜트의 작동을 위한 조치를 포함하는 기술의 하위 분야로 이해될 수 있다. 관련 플랜트 모니터링 및 프로세스 자동화의 한 가지 목표는 화학, 식품, 제약, 석유, 제지, 시멘트, 해운 또는 광업 산업에서 플랜트의 개별 구성 요소의 상호 작용을 자동화하는 것이다. 이를 위해 기계적 안정성, 오염에 대한 둔감성, 극한 온도 및 극한 압력과 같은 공정 산업의 특정 요건에 특히 적합한 다양한 센서를 사용할 수 있다. 이러한 센서에서 측정된 값은 일반적으로 레벨, 한계 레벨, 유량, 압력 또는 밀도와 같은 프로세스 파라미터를 모니터링하고 전체 플랜트에 대한 설정을 수동 또는 자동으로 변경할 수 있는 제어실로 전송된다.
자동화 기술의 한 하위 분야는 물류 자동화와 관련이 있다. 거리 및 각도 센서의 도움으로 건물 내 또는 개별 물류 시설 내 프로세스가 물류 자동화 분야에서 자동화된다. 일반적인 응용 프로그램에는 공항의 수하물 및 화물 취급 영역, 교통 모니터링 영역(유료 시스템), 소매점, 소포 유통 또는 건물 보안 영역(접근 제어)의 물류 자동화 시스템이 포함된다. 상기 나열된 예시의 공통점은 각각의 응용에서 오브젝트의 크기 및 위치에 대한 정확한 측정과 함께 존재 감지가 필요하다는 것이다. 이를 위해 ToF(Time-of-Flight) 원리에 따라 거리를 측정하는 레이저, LED, 2D 카메라 또는 3D 카메라를 사용하는 광학 측정 방법을 기반으로 하는 센서를 사용할 수 있다.
자동화 기술의 또 다른 하위 분야는 공장/생산 자동화와 관련이 있다. 이에 대한 응용 사례는 자동차 제조, 식품 생산, 제약 산업 또는 일반적으로 포장 분야와 같은 다양한 산업에서 찾을 수 있다. 공장 자동화의 목표는 기계, 생산 라인 및/또는 로봇에 의한 제품 생산을 자동화하는 것, 즉, 사람의 참여 없이 실행되도록 하는 것이다. 이 과정에서 사용되는 센서와 오브젝트의 위치와 크기를 감지할 때 측정 정확도와 관련된 특정 요건은 이전 물류 자동화의 예와 유사하다.
고주파에서의 사용은 커플러가 구성 요소인 안테나 커플러 또는 도파관 및 커플러뿐만 아니라 안테나의 전체 치수를 감소시킨다. 따라서 레이더 신호 커플링의 모든 구성 요소는 마이크로파 칩에 직접 통합될 수 있다.
마이크로파 칩의 레이더 신호 소스에 의해 생성된 레이더 신호를 도파관으로 또는 직접 안테나로 커플링하는 것은 마이크로파 칩에서 직접 수행된다. 특히, 레이더 신호 소스는 75GHz 이상, 또는 150GHz 이상, 대안적으로 200GHz 이상, 특히 240GHz 이상의 주파수의 레이더 신호를 생성하도록 배열된다.
일 실시예에 따르면, 커플러는 서로 대향하여 배치되고 예를 들어 서로에 대해 거울 대칭을 갖는 2개의 핀을 갖는다. 2개의 핀은 레이더 신호 소스에서 생성된 전송 신호를 전자기파로 변환한 다음 도파관 또는 안테나 혼으로 전파한다. 레이더 신호 소스와 핀 사이의 연결도 마이크로파 칩에서 이루어지므로 레이더 신호 소스(RF 발생기)에서 라인으로, 라인에서 각 핀으로의 간섭 전환을 크게 방지하여 간섭 반사를 줄인다.
일 실시예에 따르면, 2개의 핀은 대칭 레이더 신호를 방사하도록 배열된다.
커플링 특성을 개선하기 위해 커플링 섹션에 하나 이상의 스테이지가 제공될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 레이더 모듈은 2개의 핀을 둘러싸는 프레임을 가지며, 따라서 프레임은 외부의 기계적 영향으로부터 2개의 핀을 보호한다. 프레임은 도파관에 연결하거나 안테나에 직접 연결하는 데 사용된다. 프레임 내부 및 주변에 마이크로파 칩의 일부인 유전체가 제공될 수 있다. 예를 들어 이것은 칩의 최상층이다.
다른 실시예에 따르면, 2개의 핀은 적어도 부분적으로 유전체로 채워진 공진 캐비티로도 지칭될 수 있는 캐비티에 의해 에워싸여 있다.
다른 실시예에 따르면, 캐비티는 대기 가스로 채워진다.
다른 실시예에 따르면, 커플러는 커플러 핀 또는 패치 안테나이다.
다른 실시예에 따르면, 커플러와 레이더 신호 소스는 공통 기판을 통해 상호 연결된다. 기판은 마이크로파 칩의 층이다. 레이더 신호 소스와 커플러 사이의 신호 연결은 가능한 한 적은 감쇠로 설정될 수 있으므로 레이더 모듈의 감도가 가능한 한 적게 영향을 받는다. 커플러를 레이더 신호 소스에 연결하기 위해 제공되는 본딩 와이어가 없기 때문에 본딩 와이어의 길이 및 배치의 변동은 레이더 모듈의 성능에 부정적인 영향을 미치지 않는다.
추가 실시예에 따르면, 레이더 모듈은 도파관 및/또는 안테나를 포함한다. 결합기는 레이더 신호를 도파관 및/또는 안테나에 결합하도록 배열되고, 도파관은 결합된 레이더 신호를 전달하도록 배열된다. 안테나는 결합된 레이더 신호를 방사하고 에코를 다시 수신하도록 배열된다.
추가 실시예에 따르면, 안테나는 혼 안테나이며, 선택적으로 도파관 형태의 커넥터를 갖는다.
다른 실시예에 따르면, 레이더 모듈은 200GHz 이상의 전송 주파수를 갖는 레이더 신호를 생성하도록 설계된다.
추가 실시예에 따르면, 공진 챔버(resonance chamber)의 직경은 1.5mm 미만이다.
다른 측면은 상기 그리고 이하에서 설명되는 레이더 모듈을 포함하는 레이더 측정 장치에 관한 것이다.
다른 측면은 레벨 측정, 포인트 레벨 측정, 물류 자동화 또는 제조 자동화를 위한 위와 아래에 설명된 레이더 모듈의 사용에 관한 것이다.
이하에서는 도면을 참조하여 실시예를 설명한다. 도면의 그림은 개략적이며 실제 크기와 맞지 않다(not to scale). 도면의 다음 설명에서 동일한 참조 부호가 사용되는 경우, 이는 동일하거나 유사한 요소를 지정한다.
도 1은 일 실시예에 따른 레이더 모듈을 도시한다.
도 2는 도 1의 레이더 모듈의 평면도를 도시한다.
도 3은 일 실시예에 따른 레이더 모듈의 사시도를 도시한다.
도 4는 상기 그리고 이하에 설명된 레이더 모듈을 가진 레이더 측정 장치를 도시한다.
도 1은 일 실시예에 따른 레이더 측정 장치의 레이더 모듈(100)의 작은 부분을 도시한다. 레이더 모듈은 특히 공장 모니터링을 위한 공정 자동화 분야에서 사용된다.
이는 레이더 신호 소스(102)가 형성되는 마이크로파 칩(101)을 갖는다. 커플러(103)는 예를 들어 서로 대향하여 배열되는 2개의 핀(105, 106)의 형태로 제공된다. 레이더 신호 소스는 전기적 연결부(116)를 통해 2개의 핀 중 하나(105)에 의해 레이더 신호 소스(102)에 연결된다.
칩 자체는 금속 프레임(107)에 의해 형성되고 그 캐비티 내에 커플러(103)가 위치되는 공진 캐비티를 형성한다. 프레임은 커플러를 도파관에 연결하거나 안테나에 직접 연결하는 데 사용된다.
프레임(107) 및 커플러(103/105)는 적어도 실질적으로 금속으로 만들어지고, 예를 들어, 마이크로파 칩(101)의 유전체 층에 적어도 부분적으로 내장된다. 커플러(103)가 유전층에 완전히 매립되도록 유전체 층은 대략적으로 커플러(103)의 단부면의 높이까지 또는 그 이상으로 연장할 수 있다.
공진 챔버의 단면은 그 깊이보다 더 큰 폭, 예를 들어 대략 2배 더 큰 폭을 갖는 직사각형일 수 있다.
단계(109, 110)는 공진 챔버(특히 도 2 참조)의 더 좁은 2개의 측면에 제공될 수 있으며, 이에 의해 커플링 특성이 개선될 수 있다.
도 2는 프레임(107)에 전도성으로 연결된 접지면(115)에 위치된 제2 핀(106)을 갖는 도 1의 레이더 모듈의 평면도를 도시한다.
대향 배치된 핀(105, 106) 사이에는 유전체로 적어도 부분적으로 채워질 수 있는 캐비티(108)가 있다.
도 3은 프레임(107)의 베이스가 프레임(107)의 상부보다 좁게 만들어진 레이더 모듈(100)의 다른 실시예를 도시한다. 하부에서, 리세스는 프레임의 반대쪽, 긴 측면에 제공된다. 제1 핀(105)에 대한 전기적 연결부(116)는 이러한 리세스들 중 하나를 통과한다.
도 3은 마이크로파 칩(101)의 3개의 층 또는 플라이를 도시한다. 참조 번호 111은 유전체 층을 나타내며, 그 아래 및 그 위에는 각각 금속 층(112, 113)이 있다. 금속 층(113) 위에는 다른 유전체 층이 파선(114)까지 제공되어 형성될 수 있으므로, 예를 들어, 프레임(107)이 그로부터 돌출한다.
연속 도파관 또는 직접 안테나가 이 프레임(107)에 연결된다.
레이더 신호의 고주파수(75GHz 이상)로 인해 이중 핀의 기계적 설계는 마이크로파 칩에 쉽게 통합될 수 있을 정도로 작아진다.
레이더 신호는 서로 대향하는 거울 대칭으로 배열된 2개의 핀(105, 106)의 도움으로 공진 챔버(108)를 통해 도파관 또는 안테나로 공급된다. 결과적으로 전자파는 대칭적으로 방출되고 처음부터 도파관 또는 안테나 혼으로 흡수되지 않는다.
마이크로파에 적합한 유전체로 2개의 핀 주위의 공진 캐비티(108)를 채우는 것에 의해, 배열의 기계적 설계는 결과적인 (물리적, 파동) 단축 인자에 의해 감소되고, 따라서 칩 상의 상응하는 공간 및 따라서 비용을 절약한다.
칩에 통합되어 칩과 이중 핀 사이에 칩 외부에 연결 라인이 필요하지 않다. 이는 반사를 방지하여 레이더 모듈의 소위 링잉 동작을 개선하고 비용을 절감할 수 있다.
고주파수에서의 사용은 도파관 커플링 또는 안테나 커플링의 기계적 요소의 치수를 마이크로파 칩에 직접 통합될 수 있는 정도로 감소시킨다.
이중 핀은 그에 따라 구리와 유전체를 배열함으로써 칩 생산 공정 내에서 칩의 다른 요소처럼 구축될 수 있다. 여기서 두 핀 사이의 공간은 공기 중에 남겨두거나 유전체로 채워질 수 있다. 두 가지 옵션 중 어느 것이 선호되는지는 예를 들어 유전체 전도체 또는 채워지지 않은 혼에 공급되는 안테나 유형에 따라 달라질 수 있다.
도 4는 전술한 레이더 모듈(100) 및 이에 연결된 혼 안테나(401)를 갖는 레이더 측정 장치(400)를 도시한다.
또한, 포함(comprising)하는 및 '갖는(having)'은 다른 구성 요소를 배제하지 않으며, 부정 관사 'an' 또는 'a'는 다수를 배제하지 않음에 유의해야 한다. 또한, 상기 실시예 중 하나를 참조하여 설명된 특징 또는 단계는 전술한 다른 실시예의 다른 특징 또는 단계와 조합하여 사용될 수 있음에 유의해야 한다. 청구 범위의 참조 부호는 제한적인 것으로 간주되지 않아야 한다.

Claims (13)

  1. 플랜트 모니터링(plant monitoring)을 위해 구성된 레이더 모듈(100)로서,
    마이크로파 칩(101)을 포함하며, 상기 마이크로파 칩(101)은,
    - 75GHz보다 큰 주파수를 갖는 레이더 신호를 생성하도록 구성된 레이더 신호 소스(102),
    - 상기 레이더 신호 소스에 연결된 커플러(103)를 갖고,
    상기 커플러(103)는 서로 대향하여 배열되고 금속으로 만들어진 2개의 핀들(105, 106)을 포함하며,
    상기 2개의 핀들(105, 106) 중 하나는 전기적 연결부(116)를 통해 상기 레이더 신호 소스(102)에 연결되는, 레이더 모듈(100).
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 2개의 핀들(105, 106)은 서로 대향하는 거울 대칭으로 배열되어 대칭 레이더 신호가 방사되는, 레이더 모듈(100).
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 레이더 모듈은 상기 2개의 핀들(105, 106)을 둘러싸는 프레임(107)을 포함하여 상기 프레임은 외부 기계적 충격으로부터 상기 2개의 핀들을 보호하는, 레이더 모듈(100).
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 2개의 핀들(105, 106)은 캐비티(108)에 의해 에워싸여 있고;
    상기 캐비티는 유전체로 채워져 있는, 레이더 모듈(100).
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 2개의 핀들(105, 106)은 캐비티(108)에 의해 에워싸여 있고;
    상기 캐비티는 대기 가스로 채워져 있는, 레이더 모듈(100).
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 커플러(103) 및 상기 레이더 신호 소스(102)는 공통 기판(111)에 의해 상호 연결되는, 레이더 모듈(100).
  7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 레이더 모듈은 도파관 및/또는 안테나(401)를 포함하고;
    상기 커플러(103)는 레이더 신호를 도파관 또는 안테나에 커플링하도록 구성되고;
    상기 도파관은 커플링된 상기 레이더 신호를 릴레이(relay)하도록 구성되는, 레이더 모듈(100).
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 안테나는 혼(horn) 안테나인, 레이더 모듈(100).
  9. 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 레이더 모듈(100)을 포함하는 레이더 측정 장치(400).
  10. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    레벨 측정, 포인트 레벨 측정, 물류 자동화, 또는 제조 자동화를 위해 사용되는, 레이더 모듈(100).
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
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