WO2007065639A1 - Füllstandradarfrequenzumsetzer - Google Patents

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Daniel Schultheiss
Karl Griessbaum
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Vega Grieshaber Kg
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    • G01S7/03—Details of HF subsystems specially adapted therefor, e.g. common to transmitter and receiver

Definitions

  • the present invention relates to level measurement.
  • the present invention relates to a frequency converter for a level radar, a level radar for determining a level in a tank, the use of such a frequency converter for level measurement and a method for frequency conversion for a level radar.
  • Known level measuring devices have, in addition to an antenna for transmitting or receiving radar or microwaves, a frequency converter which transforms an electromagnetic signal, which was generated by a transmission pulse oscillator, to high frequencies.
  • DE 43 31 353 relates to a radar distance measuring device with a frequency conversion circuit which has a local oscillator, a mixer and an antenna connection.
  • the frequency conversion circuit converts a frequency of the signals received by a radar module by mixing with another frequency of the local oscillator into a higher frequency with which the transmission signals are emitted to an antenna connection.
  • the transmission power depends on the power of the mixer. After leaving the mixer, there is no possibility to amplify the transmission signal again.
  • a frequency converter for a level radar comprising a signal generator unit for generating a frequency-converted electromagnetic transmission signal, a receiver circuit for receiving a reception signal for determining a level, a transmission coupler and a first amplifier for amplifying the frequency-converted transmission signal and / or a reception signal, the transmission coupler having an input for receiving the amplified frequency-converted transmission signal from the signal generator unit, a first output for direct delivery of the transmission signal to an antenna device and for receiving a reception signal from the antenna device, and a second output for delivery of the reception signal to the receiver circuit having.
  • the frequency converter according to the invention thus has an amplifier which amplifies a frequency-converted radio-frequency transmission signal before it is radiated by the antenna or which amplifies the reception signal received by the antenna before it is transformed back to a low frequency.
  • the transmission coupler is a directional coupler which has a symmetrical or an asymmetrical hybrid.
  • Such an asymmetrical hybrid coupler can be designed, for example, as a 90 ° hybrid coupler, which is particularly suitable in connection with a circular waveguide coupling.
  • the antenna device has a circular waveguide coupling, the first output of the transmission coupler being coupled to the circular waveguide coupling for coupling in the transmission signal. The combination of a symmetrical 90 ° hybrid coupler and a circular coupling already results in the further separation of the transmission and reception path.
  • the signal generator unit is designed to generate an electromagnetic transmission signal with a frequency of between 60 gigahertz and 120 gigahertz.
  • the frequency converter can be designed as a 79 gigahertz RF module.
  • higher frequencies are also possible, for example frequencies around 120 gigahertz.
  • the frequency converter comprises a second amplifier for amplifying the received signal, the second amplifier being arranged after the second output.
  • the first amplifier for example, for amplifying the input signal into the transmit coupler and the second amplifier for amplifying the output signal or received signal after it has left the transmit coupler serves.
  • Both amplifiers are on the high frequency side of the frequency converter. This ensures flexible amplification of the input and output signals.
  • the signal generator unit comprises a pulse generator for generating a first electromagnetic signal with a first frequency, a local oscillator for generating a second electromagnetic signal with a second frequency, and a first mixer for frequency converting the first electromagnetic signal from the pulse generator With the help of the second electromagnetic signal from the local oscillator, the first mixer being designed to output the transmission signal.
  • a mixer is therefore provided which receives an input signal from the pulse generator and then mixes this input signal with the aid of a signal from the local oscillator (which can be, for example, between 10 and 25 gigahertz) to higher frequencies. This mixture then results in the transmission signal, which is subsequently amplified and fed into the transmission coupler.
  • the local oscillator which can be, for example, between 10 and 25 gigahertz
  • the frequency converter further comprises a second mixer for frequency converting the received signal with the aid of a third electromagnetic signal from the local oscillator. So both signals are mixed with the same local oscillator.
  • an additional local oscillator can also be provided, which, for example, is rigidly coupled in phase to the other local oscillator, so that both oscillators run synchronously.
  • the second mixer can mix the frequency of the received signal to low frequencies, so that the frequency-converted received signal can then be easily evaluated.
  • the signal generator unit of the frequency converter further comprises a pulse generator for generating the first electromagnetic signal with the first frequency and a first multiplier for multiplying the first electromagnetic signal from the pulse generator and for outputting the multiplied signal as a transmission signal.
  • the signal is multiplied by the creation of harmonics on a non-linear characteristic e.g. on a semiconductor device.
  • a mixer is not required. According to this embodiment, two input signals with different frequencies are not added (by the mixer). Rather, there is only a single input signal which is multiplied (for example by a factor of 4 or by a factor of 8 or by another factor).
  • This provides a simple circuit which can provide a good signal / noise ratio and a higher sensitivity.
  • the frequency converter comprises a third mixer for frequency converting a low-frequency signal from a pulse generator with the aid of the third electromagnetic signal from the local oscillator, whereby a frequency-converted signal is produced.
  • the frequency converter further comprises a third amplifier for amplifying the frequency-converted signal in order to compensate for losses incurred in the third mixer.
  • a fill level radar for determining the fill level in a tank which has an antenna for transmitting and / or receiving electromagnetic waves and a frequency converter described above. Furthermore, the use of a frequency converter according to the invention for level measurement is specified.
  • a method for frequency conversion for a fill level radar comprising generating a frequency-converted electromagnetic transmission signal, amplifying the transmission signal, recording the amplified transmission signal in an input of a transmission coupler, and directly delivering the transmission signal from a first output of the transmission coupler to an antenna device, a reception of a reception signal in the first output of the transmission coupler, a delivery of the reception signal from a second output of the transmission coupler to a receiver circuit and a reception of the reception signal for determining a fill level.
  • This provides a method by which the sensitivity of the measurement can be increased, for example by amplifying the transmission signal on the high-frequency side of the frequency converter.
  • the transmission signal can thus be amplified once again after the frequency conversion.
  • the step of generating the frequency-converted electromagnetic signal comprises a first frequency conversion using a first mixer.
  • the evaluation of the received signal to determine a fill level can comprise a second frequency conversion with a second mixer.
  • a signal multiplication can be provided, which is used to generate the electromagnetic transmission signal in such a way that harmonics arise due to a non-linear characteristic curve of a component.
  • An input-side mixer for generating a high-frequency signal is therefore not necessary.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a frequency converter.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a frequency converter according to one
  • Embodiment of the present invention shows a schematic illustration of a frequency converter according to a further exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of a frequency converter according to a further exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of a fill level radar according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 shows a schematic illustration of a frequency converter according to a further exemplary embodiment of the present invention.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a frequency converter.
  • the frequency converter has a transmit pulse oscillator 101 (Tx oscillator).
  • the electromagnetic signal with the frequency fl generated there is passed on to a transmission coupler 102, which then forwards it to a mixer 103.
  • a local oscillator 107 generates another signal with the frequency f2, which is also fed to the mixer 103.
  • the high-frequency transmission signal is then output by the high-pass filter 104 to the antenna 105.
  • the antenna 105 then emits the signal in the direction of the filling material.
  • the receive signal is then output from the transmit coupler 102 to the preamplifier 106.
  • the received signal is then fed from the preamplifier 106 to a sampling mixer 109, which additionally receives a signal from a sampling oscillator 108.
  • the output signal of the sampling mixer 109 then goes to an IF Amplifier 110 and can then be evaluated subsequently, for. B. to determine the level.
  • the transmission power in this system is approximately -5 to 0 dBm depending on the mixer used.
  • the maximum insertable attenuation is about 75 to 80 dB.
  • the frequency converter 200 has a signal generator unit 217, a receiver circuit 216, an amplifier 204, amplifier 207, a local oscillator 202 and a transmission coupler 206.
  • the signal generator unit 217 in this case comprises a pulse generator 201 for generating electromagnetic waves or electromagnetic pulses.
  • the generated signal 218 with the frequency f 1 is then passed on to a mixer 203, which also receives a signal 219 with the frequency f2 from a local oscillator 202.
  • This transmit signal 220 is then amplified by the amplifier 204 and then passed on to the transmit coupler 206 as an amplified signal 213.
  • the transmit coupler 206 is designed, for example, as a symmetrical or an asymmetrical hybrid coupler or as a circulator.
  • the signal 213 passes through the transmission coupler 206 with relatively low attenuation and is passed on to an antenna system 205 as signal 223.
  • the antenna system 205 is designed for transmitting / receiving high-frequency signals and comprises, for example, a waveguide for transmitting the signals from the transmission coupler 206 to the antenna and back.
  • the antenna system 205 emits a measuring pulse 210, which is then emitted by the object or medium to be measured (which is, for example, a filling good surface 212 acts) is reflected as the received signal 211.
  • the received signal 211 is subsequently picked up again by the antenna system 205 and transmitted to the transmit coupler 206.
  • the transmit coupler 206 now outputs the received signal at the output 214.
  • the amplifier 207 amplifies the received signal 214 and passes it on to the receiver circuit 216.
  • two amplifiers 204, 207 need not be provided. Rather, only a single amplifier, for example amplifier 204 or else only amplifier 207, can also be provided, depending on whether the input signal 220 or the output signal 214 is to be amplified. In any case, the amplifier (s) are arranged on the high-frequency side of the frequency converter 200.
  • the receiver circuit 216 includes a mixer 208, a sampling mixer 225, a pulse generator 226 and an IF amplifier 227.
  • a further amplifier (not shown in FIG. 2) can be connected between the second mixer 208 and the sampling mixer 225.
  • the local oscillators 202, 221 can be different oscillators. However, they can also be designed as a single oscillator which feeds the mixers 203, 208.
  • the oscillator 202 can either be arranged in the receiver circuit 216 or in the signal generator unit 217, or else separately.
  • the amplified received signal with the frequency f3 is then fed into the second mixer 208, which is also fed by the local oscillator 202 with signal 222 at a frequency f2.
  • the sampled, time-stretched signal 229 is then amplified again by the amplifier 227 and is available at the IF output 209 as an IF signal for evaluation and for determining the fill level.
  • the system constructed in this way achieves a significantly higher sensitivity.
  • the maximum attenuation that can be inserted in the measuring section is up to about 95 dB, depending on the amplifier application.
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a frequency converter according to a further exemplary embodiment of the present invention.
  • the frequency converter 200 shown in FIG. 3 also has a bandpass 302 and is arranged between the first mixer 203 and the pulse generator 201. 3, which is designed as a 79 gigahertz RF module, has a second bandpass 303. This second bandpass 303 is arranged between the first mixer 203 and the first amplifier 204.
  • the first amplifier 204 has a DC supply 311, which can either be continuously supplied with voltage or can be supplied with the pulsed input signal of the pulse generator 201.
  • the pulsed operation results in a significantly lower power consumption than in continuous operation.
  • a circular waveguide coupling 301 is provided in order to couple signals from the transmitter coupler 206 or to emit them to the transmitter coupler 206 (from the antenna).
  • the transmitter coupler 206 is designed as a 90 ° hybrid.
  • the two mixers 203, 208 are fed by the local oscillator 202 (which generates frequencies of, for example, between 10 and 25 gigahertz) and a multiplier 304.
  • the multiplier 304 has a DC supply 312, which can also be permanently connected to the supply voltage or is supplied with the pulsed input signals of the two pulse generators 201 and 226.
  • the backmixed low-frequency signal is output from the second mixer 208 to the sampling mixer 225.
  • Signals 228 are also fed to the sampling mixer 225 from a pulse generator 226.
  • a bandpass 306 can be connected between the sampling mixer 225 and the pulse generator 226.
  • the output signals of the sampling mixer 225 are amplified via the amplifier 227 and are available at the IF output 209 for further processing and evaluation.
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of a frequency converter according to a further exemplary embodiment of the present invention.
  • the frequency converter of FIG. 4 has a bandpass 302, one
  • the multiplier 403 ensures the multiplication of signals by generating harmonics on the non-linear characteristic curve of a semiconductor component (eg transistor or diode).
  • the received signal 214 is fed to the sampling mixer 225, which in this example must be designed for the high frequency f3.
  • the sampling mixer 225 also receives a signal 309, which is generated by the pulse generator 226 and is fed to a second multiplier 401 after filtering by bandpass 306. After a corresponding multiplication, the signal passes through a further bandpass 402 before it is then fed into the sampling mixer 225.
  • This provides a simple circuit which enables the transmit signal 220 to be amplified after frequency multiplication to high frequencies.
  • 5 shows a schematic illustration of a fill level radar according to a further exemplary embodiment of the present invention.
  • the fill level radar 500 here has a signal generator unit 217, an amplifier 204, a transmitter coupler 206 and a receiver circuit 216. Furthermore, an antenna device 205 with a circular waveguide coupling 301 is provided.
  • FIG. 6 shows a schematic illustration of a frequency converter according to a further exemplary embodiment of the present invention.
  • the frequency converter shown in FIG. 6 works like the system described in FIG. 3. However, sampling mixer 225, which operates at the lower frequency in FIG. 3, is removed.
  • the lower frequency microwave pulse (e.g. 1 OGHz) is instead sent to mixer 604 (which corresponds to mixer 208 of Fig. 3) to the higher frequency of e.g. 80GHz mixed up.
  • This signal can now also be raised in level with the amplifier 602 in order to compensate for the losses incurred in the mixer 208.
  • This signal is then reduced together with the signal received and amplified in amplifier 207 in sampling mixer 601 to the IF.
  • the advantage in this system is that the reception branch only has to be mixed once (in 601).
  • the losses in the second mixer (208 from FIG. 3 or 604 from FIG. 6) can be compensated for by the amplifier 602.
  • the mixing losses which occur in FIG. 3 at mixer 208 are approx. 10 ... 15dB.
  • the sensitivity of the system described above to the system in FIG. 3 can also improve by this value.
  • the performance of the sampling mixer 601 changes only slightly as a result of the tuning to the high frequency compared to the sampling mixer 225 from FIG. 3, which operates at the lower frequency.

Abstract

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Frequenzumsetzer für ein Füllstandradar angegeben, welcher eine Signalgeneratoreinheit, eine Empfängerschaltung, einen Sendekoppler und einen Verstärker aufweist. Der Verstärker dient hierbei der Verstärkung des Sendesignals auf der hochfrequenten Seite des Frequenzumsetzers. Zur Frequenzumsetzung können ein Mischer oder ein Vervielfacher vorgesehen sein.

Description

Füllstandradarfrequenzumsetzer
Verwandte Anmeldungen Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der US Provisional Patentanmeldung Nr. 60/742,410, eingereicht am 5. Dezember 2005, sowie der
US Provisional Patentanmeldung Nr. 60/774,403, eingereicht am 17. Februar 2006, deren Inhalte hierin durch Referenz inkorporiert werden. Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft die Füllstandmessung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Frequenzumsetzer für ein Füllstandradar, ein Füllstandradar zur Bestimmung eines Füllstands in einem Tank, die Verwendung eines derartigen Frequenzumsetzers zur Füllstandmessung sowie ein Verfahren zum Frequenz- umsetzen für ein Füllstandradar.
Hintergrund der Erfindung
Bekannte Füllstandmessgeräte weisen neben einer Antenne zum Aussenden bzw. Empfangen von Radar- oder Mikrowellen einen Frequenzumsetzer auf, welcher ein elektromagnetisches Signal, welches von einem Sendepulsoszillator erzeugt wurde, zu hohen Frequenzen transformiert.
Die DE 43 31 353 betrifft ein Radar-Abstandsmessgerät mit einer Frequenzumsetzungsschaltung, welche einen Lokaloszillator, einen Mischer und einen Antennenan- Schluss aufweist. Die Frequenzumsetzungsschaltung setzt eine Frequenz der von einem Radarmodul empfangenen Signale durch Mischung mit einer anderen Frequenz des Lokaloszillators in eine höhere Frequenz um, mit der die Sendesignale an einen Antennenanschluss abgegeben werden. Die Sendeleistung ist hierbei von der Leistung des Mischers abhängig. Nach Verlassen des Mischers besteht keine Möglichkeit, das Sendesignal noch einmal zu verstärken. Darstellung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Frequenzumsetzung für ein Füllstandradar anzugeben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Frequenzumsetzer für ein Füllstandradar angegeben, der Frequenzumsetzer umfassend eine Signalgeneratoreinheit zur Erzeugung eines frequenzumgesetzten elektromagnetischen Sendesignals, eine Empfängerschaltung zum Empfangen eines Empfangssignals zur Bestimmung eines Füllstands, einen Sendekoppler und einen ersten Verstärker zum Verstärken des frequenzumgesetzten Sendesignals und/oder eines Empfangsignals, wobei der Sendekoppler einen Eingang zur Aufnahme des verstärkten frequenzumgesetzten Sendesignals von der Signalgeneratoreinheit, einen ersten Ausgang zur direkten Abgabe des Sendesignals an eine Antennenvorrichtung und zur Aufnahme eines Empfangssignals von der Antennenvorrichtung, und einen zweiten Ausgang zur Abgabe des Empfangssignals an die Empfängerschaltung aufweist.
Somit weist der erfindungsgemäße Frequenzumsetzer also einen Verstärker auf, welcher ein frequenzumgesetztes Hochfrequenz-Sendesignal verstärkt, bevor es von der Antenne abgestrahlt wird, oder der das von der Antenne empfangene Empfangssignal verstärkt, bevor es auf eine niedrige Frequenz rücktransformiert wird.
Durch diese zusätzliche Verstärkung können ein besseres Signal/Rauschverhältnis sowie eine höhere Empfindlichkeit erzielt werden. Insbesondere können somit auch Messungen für weniger günstige Füllgüter möglich sein, bei denen ansonsten das reflektierte Signal zu klein wäre, um akzeptable, brauchbare Messergebnisse zu erzielen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Sendekoppler ein Richtkoppler, welcher einen symmetrischen oder einen unsymmetri- sehen Hybrid aufweist. Ein solcher unsymmetrischer Hybridkoppler kann beispielsweise als 90°- Hybridkoppler ausgeführt sein, welcher sich insbesondere in Verbindung mit einer zirkulären Hohlleitereinkopplung eignet. Gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist die Antennenvorrichtung eine zirkuläre Hohlleitereinkopplung auf, wobei der erste Ausgang des Sendekopplers mit der zirkulären Hohlleitereinkopplung zur Einkopplung des Sendesignals gekoppelt ist. Die Kombination aus einem symmetrischen 90°-Hybridkoppler und einer zirkulären Einkopplung ergibt als weiteren Vorteil bereits die Auftrennung von Sende- und Empfangsweg. Hierdurch kann auf teure Bauteile wie z.B. einen Zirkulator verzichtet und gleichzeitig die volle Generatorleistung an die Antenne weitergeleitet werden. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Signalgeneratoreinheit zum Erzeugen eines elektromagnetischen Sendesignals mit einer Frequenz von zwischen 60 Gigahertz und 120 Gigahertz ausgeführt.
Beispielsweise kann der Frequenzumsetzer als 79 Gigahertz HF-Modul ausgeführt sein. Es sind aber auch höhere Frequenzen möglich, beispielsweise Frequenzen um 120 Gigahertz.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst der Frequenzumsetzer einen zweiten Verstärker zum Verstärken des Empfangssignals, wobei der zweite Verstärker nach dem zweiten Ausgang angeordnet ist.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind nun also zwei Verstärker vorgesehen, wobei der erste Verstärker beispielsweise zum Verstärken des Eingangssignals in den Sendekoppler und der zweite Verstärker zum Verstärken des Ausgangssignals bzw. empfangenen Signals nach Austritt aus dem Sendekoppler dient. Beide Verstärker liegen auf der Hochfrequenzseite des Frequenzumsetzers. Somit ist eine flexible Verstärkung der Ein- bzw. Ausgangssignale gewährleistet.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst die Signalgeneratoreinheit einen Pulsgenerator zum Erzeugen eines ersten elektromagnetischen Signals mit einer ersten Frequenz, einen Lokaloszillator zum Erzeugen eines zweiten elektromagnetischen Signals mit einer zweiten Frequenz, und einen ersten Mischer zum Frequenzumsetzen des ersten elektromagnetischen Signals von dem Pulsgenerator mit Hilfe des zweiten elektromagnetischen Signals von dem Lokalos- zillator, wobei der erste Mischer zur Ausgabe des Sendesignals ausgeführt ist.
Es ist also ein Mischer vorgesehen, welcher ein Eingangssignal von dem Pulsgenerator erhält und dieses Eingangssignal dann mit Hilfe eines Signals von dem Lokaloszillator (welches beispielsweise zwischen 10 und 25 Gigahertz liegen kann) zu höheren Frequenzen mischt. Aus dieser Mischung resultiert dann das Sendesignal, wel- ches nachfolgend verstärkt wird und in den Sendekoppler eingespeist wird.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst der Frequenzumsetzer weiterhin einen zweiten Mischer zum Frequenzumsetzen des Empfangssignals mit Hilfe eines dritten elektromagnetischen Signals von dem Lo- kaloszillator. Es werden also beide Signale mit dem gleichen Lokaloszillator gemischt.
Beispielsweise kann auch ein zusätzlicher Lokaloszillator vorgesehen sein, der beispielsweise in der Phase starr mit dem anderen Lokaloszillator gekoppelt ist, so dass beide Oszillatoren synchron laufen.
Beispielsweise kann der zweite Mischer die Frequenz des Empfangssignals zu niedrigen Frequenzen mischen, so dass das frequenzumgesetzte Empfangssignal dann einfach ausgewertet werden kann. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst die Signalgeneratoreinheit des Frequenzumsetzers weiterhin einen Pulsgenerator zum Erzeugen des ersten elektromagnetischen Signals mit der ersten Frequenz und einen ersten Vervielfacher zum Vervielfachen des ersten elektromagnetischen Signals von dem Pulsgenerator und zur Ausgabe des vervielfachten Signals als Sendesignal.
Die Signalvervielfachung erfolgt durch die Entstehung von Oberwellen an einer nicht-linearen Kennlinie z.B. an einem Halbleiterbauelement. Ein Mischer ist nicht erforderlich. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel werden nicht zwei Eingangssignale mit verschiedenen Frequenzen (durch den Mischer) addiert. Vielmehr gibt es nur ein einzelnes Eingangssignal, welches vervielfacht wird (beispielsweise um den Faktor 4 oder um den Faktor 8 oder um einen anderen Faktor).
Hierdurch wird eine einfache Schaltung bereitgestellt, welche ein gutes Sig- nal/Rauschverhältnis und eine höhere Empfindlichkeit bereitstellen kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst der Frequenzumsetzer einen dritten Mischer zum Frequenzumsetzen eines niederfrequenten Signals von einem Pulsgenerator mit Hilfe des dritten elektromagnetischen Signals von dem Lokaloszillator, wodurch ein frequenzumgesetztes Signal entsteht.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst der Frequenzumsetzer weiterhin einen dritten Verstärker zum Verstärken des frequenzumgesetzten Signals, um im dritten Mischer angefallene Verluste auszugleichen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Füllstandradar zur Bestimmung des Füllstands in einem Tank angegeben, welches eine Antenne zum Aussenden und/oder Empfangen von elektromagnetischen Wellen und einen oben beschriebenen Frequenzumsetzer aufweist. Weiterhin ist die Verwendung eines erfindungsgemäßen Frequenzumsetzers zur Füllstandmessung angegeben.
Weiterhin ist ein Verfahren zum Frequenzumsetzen für ein Füllstandradar angege- ben, das Verfahren umfassend ein Erzeugen eines frequenzumgesetzten elektromagnetischen Sendesignals, ein Verstärken des Sendesignals, eine Aufnahme des verstärkten Sendesignals in einem Eingang eines Sendekopplers, eine direkte Abgabe des Sendesignals von einem ersten Ausgang des Sendekopplers an eine Antennenvorrichtung, eine Aufnahme eines Empfangssignals im ersten Ausgang des Sende- kopplers, eine Abgabe des Empfangssignals von einem zweiten Ausgang des Sendekopplers an eine Empfängerschaltung und ein Empfangen des Empfangssignals zur Bestimmung eines Füllstands.
Hierdurch wird ein Verfahren bereitgestellt, durch welches die Empfindlichkeit der Messung erhöht werden kann, indem zum Beispiel das Sendesignal auf der Hochfrequenzseite des Frequenzumsetzers verstärkt wird.
Das Sendesignal kann somit nach der Frequenzumsetzung noch einmal zusätzlich verstärkt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst der Schritt des Erzeugens des frequenzumgesetzten elektromagnetischen Signals eine erste Frequenzumsetzung mit einem ersten Mischer. Weiterhin kann das Auswerten des Empfangssignals zur Bestimmung eines Füllstands eine zweite Frequenzumsetzung mit einem zweiten Mischer umfassen.
Alternativ hierzu kann eine Signalvervielfachung vorgesehen sein, welche eingesetzt wird, um das elektromagnetische Sendesignal derart zu erzeugen, dass Oberwellen aufgrund einer nicht-linearen Kennlinie eines Bauteiles entstehen. Ein eingangsseitiger Mischer zur Erzeugung eines Hochfrequenzsignals ist somit nicht erforderlich.
Weitere Ausfuhrungsbeispiele, Aufgaben und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden werden mit Verweis auf die Figuren bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Frequenzumsetzers.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Frequenzumsetzers gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Frequenzumsetzers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Frequenzumsetzers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Füllstandradars gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Frequenzumsetzers gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich. Detaillierte Beschreibung von exemplarischen Ausführungsformen
In der folgenden Figurenbeschreibung werden für die gleichen oder ähnlichen Elemente die gleichen Bezugsziffern verwendet. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Frequenzumsetzers. Der Frequenzumsetzer weist einen Sendepulsoszillator 101 (Tx Oszillator) auf. Das dort erzeugte elektromagnetische Signal mit der Frequenz fl wird an einen Sendekoppler 102 weitergegeben, der es nachfolgend an einen Mischer 103 weiterleitet. Ein Lokaloszillator 107 erzeugt ein weiteres Signal mit der Frequenz f2, welches ebenfalls dem Mischer 103 zugeführt wird. Aus dem Signal des Sendepulsoszillators 101 und dem Signal des Lokaloszillators 107 erzeugt der Mischer 103 nun ein in der Frequenz hochgemischtes Signal mit der Frequenz ß = fl + f2, welches dann an ein Hochpassfilter 104 weitergegeben wird. Vom Hochpassfilter 104 wird das hochfre- quente Sendesignal dann an die Antenne 105 abgegeben. Die Antenne 105 strahlt das Signal dann in Richtung Füllgut ab.
Das vom Füllgut reflektierte Signal wird von der Antenne 105 aufgenommen und an das Hochpassfilter 104 geleitet. Dieses leitet das Empfangssignal dann an den Mi- scher 103 weiter, welcher das Empfangssignal mit der Frequenz ß zusammen mit dem Lokaloszillator mit der Frequenz f2 wieder in den ursprünglichen niedrigeren Frequenzbereich des Sendepulsoszillators auf die Frequenz fl = ß - f2 zurückmischt und an den Sendekoppler 102 übergibt. Im Mischer 103 hat hierbei eine Rücktransformation des Empfangssignals zurück zu niedrigen Frequenzen stattgefunden.
Vom Sendekoppler 102 wird das Empfangssignal dann an den Vorverstärker 106 abgegeben. Vom Vorverstärker 106 wird das Empfangssignal dann einem Sampling- Mischer 109 zugeleitet, welcher zusätzlich ein Signal von einem Abtastoszillator 108 empfängt. Das Ausgangssignal des Sampling-Mischers 109 geht dann einem ZF- Verstärker 110 zu und kann dann nachfolgend ausgewertet werden, um z. B. den Füllstand zu bestimmen.
Die Sendeleistung beträgt in diesem System je nach eingesetztem Mischer etwa -5 bis 0 dBm. Die maximal einfügbare Dämpfung beträgt so etwa 75 bis 80 dB.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Frequenzumsetzers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in Fig. 2 zu erkennen, weist der Frequenzumsetzer 200 eine Signalgeneratoreinheit 217, eine Empfängerschal- tung 216, einen Verstärker 204, Verstärker 207, einen Lokaloszillator 202 und einen Sendekoppler 206 auf.
Die Signalgeneratoreinheit 217 umfasst hierbei einen Pulsgenerator 201 zum Erzeugen von elektromagnetischen Wellen bzw. elektromagnetischen Pulsen. Das erzeugte Signal 218 mit der Frequenz f 1 wird dann an einen Mischer 203 weitergeleitet, welcher ebenfalls ein Signal 219 mit der Frequenz f2 von einem Lokaloszillator 202 entgegennimmt. Aus den beiden Eingangssignalen 218, 219 erzeugt der Mischer ein hochfrequentes Ausgangs- bzw. Sendesignal 220 mit der Frequenz f3 = fl + f2. Dieses Sendesignal 220 wird dann von dem Verstärker 204 verstärkt und als verstärktes Signal 213 dann an den Sendekoppler 206 weitergegeben.
Der Sendekoppler 206 ist beispielsweise als symmetrischer oder als unsymmetrischer Hybridkoppler oder als Zirkulator ausgeführt. Das Signal 213 durchläuft den Sende- koppler 206 bei relativ geringer Dämpfung und wird als Signal 223 an ein Antennensystem 205 weitergegeben. Das Antennensystem 205 ist zum Senden/Empfangen von Hochfrequenzsignalen ausgeführt und umfasst beispielsweise einen Hohlleiter zum Übertragen der Signale von Sendekoppler 206 zur Antenne und zurück. Das Antennensystem 205 sendet einen Messpuls 210 aus, welcher dann von dem zu messenden Gegenstand bzw. Medium (bei dem es sich beispielsweise um eine Füll- gutoberfläche 212 handelt) als Empfangssignal 211 reflektiert wird. Das Empfangssignal 211 wird nachfolgend von dem Antennensystem 205 wieder aufgenommen und an den Sendekoppler 206 übertragen. Der Sendekoppler 206 gibt nun das empfangene Signal am Ausgang 214 aus. Der Verstärker 207 verstärkt das Empfangssignal 214 und leitet dieses an die Empfängerschaltung 216 weiter.
Hier ist zu beachten, dass nicht zwei Verstärker 204, 207 vorgesehen sein müssen. Vielmehr kann auch nur ein einzelner Verstärker, beispielsweise Verstärker 204 oder aber auch nur Verstärker 207, vorgesehen sein, je nachdem, ob das Eingangssignal 220 oder das Ausgangssignal 214 verstärkt werden soll. In jedem Fall ist der Verstärker/sind die Verstärker auf der Hochfrequenzseite des Frequenzumsetzers 200 angeordnet.
Die Empfängerschaltung 216 umfasst einen Mischer 208, einen Sampling-Mischer 225, einen Pulsgenerator 226 und einen ZF-Verstärker 227.
Zwischen dem zweiten Mischer 208 und dem Sampling-Mischer 225 kann ein weite- rer Verstärker geschaltet sein (nicht dargestellt in Fig. 2).
Es ist zu beachten, dass die Lokaloszillatoren 202, 221 verschiedene Oszillatoren sein können. Sie können aber auch als ein einzelner Oszillator ausgeführt sein, welcher die Mischer 203, 208 speist.
Der Oszillator 202 kann entweder in der Empfängerschaltung 216 oder in der Signalgeneratoreinheit 217, oder auch separat, angeordnet sein.
In der Empfängerschaltung 216 wird das verstärkte Empfangssignal mit der Fre- quenz f3 dann in den zweiten Mischer 208 eingespeist, welcher auch von dem Lokaloszillator 202 mit Signal 222 mit einer Frequenz f2 gespeist wird. Hier wird nun eine Rückmischung zurück zu einer niedrigeren Frequenz vorgenommen. Das resultierende Signal 224 mit der Frequenz von fl = ß - f2 wird dann an den Sampling- Mischer 225 abgegeben, wo es vom Signal abgetastet wird. Das abgetastete, zeitgedehnte Signal 229 wird dann noch einmal durch den Verstärker 227 verstärkt und steht am ZF-Ausgang 209 als ZF-Signal zur Auswertung und zur Bestimmung des Füllstandes zur Verfügung.
Das so aufgebaute System erreicht eine wesentlich höhere Empfindlichkeit. Die maximal einfügbare Dämpfung in der Messstrecke beträgt je nach Verstärkereinsatz bis zu etwa 95 dB.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Frequenzumsetzers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der in Fig. 3 dargestellte Frequenzumsetzer 200 weist weiterhin einen Bandpass 302 auf und zwischen dem ersten Mischer 203 und dem Pulsgenerator 201 angeordnet ist. Weiterhin weist das Modul der Fig. 3, welches als 79 Gigahertz HF-Modul ausgeführt ist, einen zweiten Bandpass 303 auf. Dieser zweite Bandpass 303 ist zwischen dem ersten Mischer 203 und dem ersten Verstärker 204 angeordnet. Der erste Verstärker 204 weist eine DC-Versorgung 311 auf, die entweder dauernd mit Spannung versorgt werden kann oder aber mit dem gepulsten Eingangssignal des Pulsgenerators 201 versorgt wird. Durch den gepulsten Betrieb ergibt sich ein wesentlich geringerer Stromverbrauch als im Dauerbetrieb. Weiterhin ist eine zirkuläre Hohlleitereinkopplung 301 vorgesehen, um Signale vom Sendekoppler 206 einzukoppeln bzw. an den Sendekoppler 206 (von der Antenne aus) abzugeben. Der Sendekoppler 206 ist hierbei als 90°-Hybrid ausgeführt.
Die beiden Mischer 203, 208 werden von dem Lokaloszillator 202 (welcher Fre- quenzen von beispielsweise zwischen 10 und 25 Gigahertz erzeugt) und einem Vervielfacher 304 gespeist. Der Vervielfacher 304 weist eine DC-Versorgung 312 auf, welche ebenfalls dauernd an der Versorgungsspannung liegen kann oder mit den gepulsten Eingangssignalen der beiden Pulsgeneratoren 201 und 226 versorgt wird.
Vom zweiten Mischer 208 wird das rückgemischte niederfrequentere Signal an den Sampling-Mixer 225 abgegeben. Weiterhin werden dem Sampling-Mixer 225 Signale 228 von einem Pulsgenerator 226 zugeführt. Zwischen Sampling-Mixer 225 und Pulsgenerator 226 kann ein Bandpass 306 geschaltet sein.
Die Ausgangssignale des Sampling-Mixers 225 werden über den Verstärker 227 ver- stärkt und stehen am ZF- Ausgang 209 zur weiteren Verarbeitung und Auswertung zur Verfügung.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Frequenzumsetzers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Frequenzumsetzer der Fig. 4 weist hierbei neben dem Pulsgenerator 201 einen Bandpass 302, einen
Vervielfacher 403 und einen weiteren Bandpass 303 auf. Der Vervielfacher 403 sorgt durch die Entstehung von Oberwellen an der nicht-linearen Kennlinie eines Halbleiterbauelementes (z.B. Transistor oder Diode) für eine Signalvervielfachung. Das vom Pulsgenerator 201 erzeugte Signal hat beispielsweise eine Frequenz von fl = 10 Gigahertz. Das um den Faktor 8 vervielfachte und gefilterte Signal 220 hat beispielsweise eine Frequenz von f3 = 8 * 10 GHz = 80 Gigahertz. Es können aber natürlich auch andere Frequenzen erzeugt werden. Das Empfangssignal 214 wird dem Sampling-Mixer 225 zugeführt, der in diesem Beispiel für die hohe Frequenz f3 ausgelegt sein muss. Der Sampling-Mixer 225 erhält weiterhin ein Signal 309, welches von dem Pulsgenerator 226 erzeugt wird und nach einer Filterung durch Bandpass 306 einem zweiten Vervielfacher 401 zugeführt wird. Nach einer entsprechenden Vervielfachung durchläuft das Signal einen weite- ren Bandpass 402, bevor es dann in den Sampling-Mixer 225 eingespeist wird. Hierdurch wird eine einfache Schaltung bereitgestellt, welche eine Verstärkung des Sendesignals 220 nach einer Frequenzvervielfachung hin zu hohen Frequenzen ermöglicht. Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Füllstandradars gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Das Füllstandradar 500 weist hierbei eine Signalgeneratoreinheit 217, einen Verstärker 204, einen Sendekoppler 206 und eine Empfängerschaltung 216 auf. Weiterhin ist eine Antennenvorrichtung 205 mit einer zirkulären Hohlleitereinkopplung 301 vorgesehen.
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Frequenzumsetzers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der in Fig. 6 dargestellte Frequenzumsetzer arbeitet wie das unter Fig. 3 beschriebene System. Es ist jedoch der Sampling-Mischer 225, der in Fig. 3 bei der niedrigeren Frequenz arbeitet, entfernt.
Der niederfrequentere Mikrowellenpuls (z.B. 1 OGHz) wird stattdessen an dem Mi- scher 604 (welcher dem Mischer 208 der Fig. 3 entspricht) zu der höheren Frequenz von z.B. 80GHz hochgemischt. Dieses Signal kann nun ebenfalls mit dem Verstärker 602 im Pegel angehoben werden, um die im Mischer 208 angefallenen Verluste wieder auszugleichen. Anschließend wird dieses Signal zusammen mit dem empfangenen und in Verstärker 207 verstärkten Signal im Sampling-Mischer 601 auf die ZF heruntergesetzt.
Der Vorteil in diesem System liegt darin, dass im Empfangszweig nur einmal (in 601) gemischt werden muss. Die Verluste im zweiten Mischer (208 aus Fig. 3 bzw. 604 aus Fig. 6) können durch den Verstärker 602 ausgeglichen werden. Die Misch- Verluste die in Fig. 3 an dem Mischer 208 entstehen liegen je nach Qualität bei ca. 10...15dB. Um diesen Wert kann sich auch die Empfindlich des oben beschriebenen Systems gegenüber dem System in Fig. 3 verbessern.
Die Performance des Sampling-Mischers 601 ändert sich durch die Abstimmung auf die hohe Frequenz nur unwesentlich gegenüber dem Sampling-Mischer 225 aus Fig. 3, der bei der niedrigeren Frequenz arbeitet.
Ergänzend sei daraufhinzuweisen, dass„umfassend" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und„eine" oder„ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei dar- auf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Frequenzumsetzer für ein Füllstandradar, der Frequenzumsetzer (200) umfassend: eine Signalgeneratoreinheit (217) zum Erzeugen eines frequenzumgesetzten elektromagnetischen Sendesignals (220);
eine Empfängerschaltung (216) zum Empfangen eines Empfangssignals zur Bestimmung eines Füllstands;
einen Sendekoppler (206); und
einen ersten Verstärker (204) zum Verstärken des frequenzumgesetzten Sen- designals (220) und/oder eines Empfangssignals;
wobei der Sendekoppler (206) einen Eingang (213) zur Aufnahme des verstärkten frequenzumgesetzten Sendesignals (220) von der Signalgeneratoreinheit (217), einen ersten Ausgang (223) zur direkten Abgabe des Sendesignals an eine Antennenvorrichtung (205) und zur Aufnahme des Empfangssignals von der Anten- nenvorrichtung (205), und einen zweiten Ausgang (214) zur Abgabe des Empfangssignals an die Empfängerschaltung (216) aufweist.
2. Frequenzumsetzer nach Anspruch 1,
wobei der Sendekoppler (206) als Richtkoppler ausgeführt ist, der einen symmetrischen oder einen unsymmetrischen Hybridkoppler aufweist.
3. Frequenzumsetzer nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die Antennenvorrichtung (205) eine zirkuläre Hohlleitereinkopplung (301) aufweist; und
wobei der erste Ausgang (223) des Sendekopplers (206) mit der zirkulären
Hohlleitereinkopplung (301) zur Einkopplung des Sendesignals gekoppelt ist.
4. Frequenzumsetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Signalgeneratoreinheit (217) zum Erzeugen eines elektromagneti- sehen Sendesignals (220) mit einer Frequenz von zwischen 60 Gigahertz und 120 Gigahertz ausgeführt ist.
5. Frequenzumsetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend:
einen zweiten Verstärker (207) zum Verstärken des Empfangssignals;
wobei der zweite Verstärker (207) nach dem zweiten Ausgang (214) angeordnet ist.
6. Frequenzumsetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die Signalgeneratoreinheit (217) umfassend:
einen Pulsgenerator (201) zum Erzeugen eines ersten elektromagnetischen
Signals mit einer ersten Frequenz;
einen Lokaloszillator (202) zum Erzeugen eines zweiten elektromagnetischen Signals mit einer zweiten Frequenz; und
einen ersten Mischer (203) zum Frequenzumsetzen des ersten elektromagne- tischen Signals von dem Pulsgenerator (201) mit Hilfe des zweiten elektromagnetischen Signals (219) von dem Lokaloszillator (202);
wobei der erste Mischer (203) zur Ausgabe des Sendesignals (220) ausgeführt ist. 7. Frequenzumsetzer nach Anspruch 6, weiterhin umfassend:
einen zweiten Mischer (208) zum Frequenzumsetzen des Empfangssignals mit Hilfe eines dritten elektromagnetischen Signals (222) von dem Lokaloszillator (202). 8. Frequenzumsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die Signalgeneratoreinheit (217) umfassend:
einen Pulsgenerator (201) zum Erzeugen des ersten elektromagnetischen Signals mit der ersten Frequenz; und
einen ersten Vervielfacher (403) zum Vervielfachen des ersten elektromagne- tischen Signals von dem Pulsgenerator (201) und zur Ausgabe des vervielfachten Signals als Sendesignal (220).
9. Frequenzumsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiterhin umfassend:
einen dritten Mischer (604) zum Frequenzumsetzen eines niederfrequenten Signals (228) von einem Pulsgenerator (226) mit Hilfe des dritten elektromagnetischen Signals (222) von dem Lokaloszillator (202), wodurch ein frequenzumgesetz- tes Signal (603) entsteht.
10. Frequenzumsetzer nach Anspruch 9, weiterhin umfassend:
einen dritten Verstärker (602) zum Verstärken des frequenzumgesetzten Signals (603), um im dritten Mischer (604) angefallene Verluste auszugleichen.
11. Füllstandradar zur Bestimmung eines Füllstands in einem Tank, das Füllstandradar umfassend:
eine Antenne (205) zum Aussenden und / oder Empfangen von elektromagnetischen Wellen;
einen Frequenzumsetzer (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
12. Verwendung eines Frequenzumsetzers (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Füllstandmessung.
13. Verfahren zum Frequenzumsetzen für ein Füllstandradar, das Verfahren umfassend die Schritte:
Erzeugen eines frequenzumgesetzten elektromagnetischen Sendesignals (220);
Verstärken des Sendesignals (220);
Aufnahme des verstärkten Sendesignals (220) in einem Eingang eines Sende- kopplers (206);
direkte Abgabe des Sendesignals von einem ersten Ausgang des Sendekopp- lers (206) an eine Antennenvorrichtung (205);
Aufnahme eines Empfangssignals im ersten Ausgang das Sendekopplers
(206);
Abgabe des Empfangssignals von einem zweiten Ausgang (214) des Sendekopplers (206) an eine Empfängerschaltung (216);
Auswerten des Empfangssignals zur Bestimmung eines Füllstands.
14. Verfahren nach Anspruch 13,
wobei das Erzeugen des frequenzumgesetzten elektromagnetischen Sendesignals (220) eine erste Frequenzumsetzung mit einem ersten Mischer (203) umfasst. 15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14,
wobei das Auswerten eines Empfangssignals zur Bestimmung eines Füllstands eine zweite Frequenzumsetzung mit einem zweiten Mischer (208) umfasst.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15,
wobei das Erzeugen des elektromagnetischen Sendesignals (220) eine Signalvervielfachung umfasst..
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