WO2021160387A1 - Vorrichtung und verfahren zur transmissionsmessung von reflektierten mikrowellen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur transmissionsmessung von reflektierten mikrowellen Download PDF

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WO2021160387A1
WO2021160387A1 PCT/EP2021/051131 EP2021051131W WO2021160387A1 WO 2021160387 A1 WO2021160387 A1 WO 2021160387A1 EP 2021051131 W EP2021051131 W EP 2021051131W WO 2021160387 A1 WO2021160387 A1 WO 2021160387A1
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radiation
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reflected
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PCT/EP2021/051131
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Ewa FELBER
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Tews Elektronik Gmbh & Co. Kg
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N22/00—Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N22/00—Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more
    • G01N22/04—Investigating moisture content

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for transmission measurement with reflected microwaves.
  • the measurement method is based on the fact that physical parameters of an object are determined with the aid of transmitted microwave radiation.
  • the microwaves enter the measurement object and are reflected on it or on a reflector on the back of the measurement object.
  • the known measuring method is described by way of example in EP 1 407254 B1.
  • the measurement method is used for a number of objects to be measured, such as wood, tobacco and food, in order to determine the moisture content. Precise knowledge of the moisture content is often important for the production process and allows reliable control of the output quality for the product.
  • the physical principle on which the measurement is based is based on the complex-valued relative permittivity of the measurement object.
  • the relationship between the complex permittivity and optical parameters, such as the refractive index and absorption coefficient can be represented.
  • the dielectric properties of a material result from the fact that the real part of the complex permittivity describes the ability of a material to store electrical energy and the imaginary part describes a loss of dielectric energy in the medium.
  • An arrangement and a measuring method are known from the document EP 1 407 254 B1 already mentioned, in which two antennas are incorporated.
  • a transmitting antenna directs the transmitted microwave radiation onto the measurement object, while a second, independent receiving antenna receives the reflected radiation and forwards it for analysis.
  • Such a structure with two antennas is necessary because the use of only one antenna leads to crosstalk between the antenna input and output, which falsifies the reflected radiation. This crosstalk between the input and output of the antennas makes an expensive structure with two separate antennas necessary.
  • the present invention is based on the object of providing a device and a measuring method which require a structure that is as simple as possible. According to the invention, the object is achieved by a device for transmission measurement with the features of claim 1 and a method for transmission measurement with the features of claim 13. Advantageous refinements form the subject of the subclaims.
  • the device according to the invention is provided and intended for the transmission measurement of a measurement object.
  • the device measures microwaves reflected by the measurement object, be it the microwaves reflected on the surface or after passing through the measurement object.
  • the reflected microwaves are measured and evaluated.
  • the device according to the invention has a microwave generator which makes microwaves available with a preset frequency or in a predetermined frequency band. A fixed frequency or a frequency that changes over time can be used.
  • the device according to the invention also has a transmitting and receiving unit which is connected to the microwave generator and which transmits microwave radiation to the measurement object and receives reflected radiation from it.
  • the transmitting and receiving unit preferably has a directional characteristic directed towards the object to be measured, which allows large portions of the microwaves present to be directed towards the object to be measured.
  • the device according to the invention also has a reflector on a side of the measurement object facing away from the transmitting and receiving unit, which reflector has a polarizer with which the polarization of the reflected radiation is rotated with respect to the incident radiation.
  • the polarizer serves to distinguish the microwave radiation reflected at the polarizer or reflector from other radiation, in particular from radiation reflected from the surface of the material to be measured.
  • the device has a modulator for the transmission and Receiving unit that determines an amplitude and a phase position between emitted and reflected radiation.
  • the modulator allows a comparison between the radiation that has passed through the measurement object and the radiation emitted. In this way, both the attenuation and the displacement of the radiation can be recorded and thus calculated back in a manner known per se for the complex, relative permittivity and thus for variables in the measurement object, such as moisture and density.
  • a modulator according to the invention allows the signals to be separated with sufficient accuracy. This is seen as a great advantage compared to the solution used in the prior art, in which a signal path with an attenuation element and a phase shifter is provided in order to match the characteristics of this channel exactly to the characteristics of the measurement channel (compare, for example, [0030], EP 1 407254 Bl).
  • the device according to the invention is preferably designed in such a way that the transmitting and receiving unit has a common antenna.
  • a common antenna illustrates the effort that is required in terms of hardware and evaluation for this device.
  • the use of a modulator, and in particular a Q / I modulator makes it possible to suppress crosstalk between the input and output signals when using a common antenna.
  • the Q / I modulator also known as a Q / I demodulator, allows the phase F and the amplitude A to be calculated from the EQ signals.
  • These EQ signals are the output signals of two mixers that are in quadrature to each other.
  • the EQ outputs of the Q / I modulator have a phase shift of 90 °, so that the phase position and / or the amplitude can be determined from the EQ signals preferably over wide ranges, regardless of the operating point.
  • the crosstalk leads to one DC offset of the I / Q signals, which can be measured and eliminated when the system is calibrated for the first time.
  • a reference signal is applied to the modulator which originates from the microwave generator, just like the signal for the transmitting and receiving unit.
  • the microwave generator also preferably has an oscillator, the signal of which is applied to a splitter, the output signals of which serve as reference signals and as input signals for the transmitting and receiving unit.
  • a phase-locked loop which provides a stable frequency, is preferably provided for the reference signal and / or the input signal to the transmitting and receiving unit.
  • An oscillator is preferably used for two phase-locked loops so that their signals are phase-synchronized.
  • Signal processing for the reference signal and / or for the input signal of the transmitting and receiving unit can preferably also be present. With signal processing, the signals can be processed with regard to amplitude, frequency and phase position in each channel or in just one channel.
  • the signal processing has one or more of the following assemblies: amplifier, low-pass filter and attenuator. It is preferred in the case that two signal processing operations are provided.
  • phase shifter can be provided for the reference signal and / or the input signal of the transmitting and receiving unit.
  • the phase shifter can be provided as a separate component or the desired phase shift is set in the phase-locked loop in a digital manner.
  • This phase shifter can, for example, be set when the device is calibrated for the first time so that the offsets of the I and Q signals caused by crosstalk between the input and output of the Microwave antenna originate to diminish / reduce and / or keep the same. This allows the crosstalk to be removed more easily.
  • the reflector which reflects the incident microwave radiation with a phase shift, is preferably designed as a 4 (2n + 1) lambda wave plate. Such a wave plate is often referred to as a lambda 1/4 reflector for short.
  • the reflector rotates the phase position by 90 ° with respect to the incident phase, which results in a maximum degree of separation of the phase position.
  • the Q / I modulator has two mixers that are in quadrature to one another. These mixers are each fed via an input signal, with a signal that is 90 ° out of phase with one of the mixers. In this way, the mixers generate two signals rotated by 90 ° against each other, which are applied to the mixers fed by an input signal.
  • the Q / I modulator reliably generates values for I and Q signals that are converted into phase and amplitude independently of the operating point.
  • the object according to the invention is also achieved by a method for measuring the transmission of a measurement object.
  • the process measures and evaluates reflected microwaves.
  • microwave radiation is sent to the measurement object and reflected radiation is received from it with an antenna.
  • the polarization of the reflected radiation is rotated with respect to the incident radiation after passing through the measurement object and the reflected radiation is received, the amplitude and / or phase position between the emitted and reflected radiation being determined.
  • the special point is that sending of the microwave radiation and receiving the reflected microwave radiation is carried out by a transmitting and receiving unit.
  • the amplitude and / or phase position of the reflected radiation is determined in a Q / I modulator, a reference signal for the Q / I modulator preferably being applied for this purpose.
  • the reference signal and the signal of the reflected radiation allow the Q / I modulator to precisely determine the change in amplitude and / or phase of the reflected radiation.
  • FIG. 3 shows a more detailed view of the measuring device from FIG. 2,
  • Fig. 4a, b the mode of operation of an I / Q demodulator
  • FIG. 1 shows a transmitting and receiving unit 10 which directs microwave radiation 12 onto a measurement object 14.
  • the incident microwave radiation 12 is reflected on a reflector 16 and received as reflected radiation 18 by the transmitting and receiving unit.
  • Input signals 20 and output signals 22 are connected to the antenna (not shown) of the transmitting and receiving unit 10.
  • crosstalk of the signals takes place between input 20 and output 22. This means that the input signals make a direct contribution to the measured output signals.
  • the antenna used in the transmitting and receiving unit 10 is an antenna which has a very good directional characteristic, so that much of the signal is emitted in the direction of the material to be measured and crosstalk 24 is relatively small. If, on the other hand, the crosstalk signal 24 were large, then it would be a problem in digitization. In such a case, the large offset would fill the bits of the AD converter and thereby impair their availability for the measurement signal and thus reduce the overall achievable accuracy.
  • FIG. 2 shows the transmitting and receiving unit 10 with the reflector 16.
  • FIG. 2 shows an oscillator 26, the output signal 28 of which is applied to a splitter 30.
  • the splitter 30 divides the applied output signal 28 and applies a reference signal 32 to the Q / I modulator or Q / I demodulator 34.
  • the second output signal of the splitter 30 is applied as input signals 36 to the transmitting and receiving unit 10.
  • the antenna of the transmitting and receiving unit 10 transmits the applied input signal 36 as microwave radiation 12 and also receives the reflected microwave radiation 18.
  • An input signal 40 is applied to the Q / I demodulator 34 via the output connection.
  • the demodulator the mode of operation of which will be explained below, generates a Q signal 42 and an I signal 44.
  • FIG. 3 shows the structure from FIG.
  • the oscillator 26 and the splitter 30 can be constructed in detail from a reference oscillator 46 which feeds two PLL (phase locked loops) 48a, 48b.
  • the phase locked loops 48a, 48b are also referred to as “phase locked loops” and, starting from the reference oscillator 46, generate two synchronized oscillations, which corresponds to the two output signals of the splitter in FIG.
  • FIG. 3 additionally shows a phase shifter 50 in the path leading to the transmitting and receiving unit, which phase shifter can be built into the phase locked loop, for example.
  • the phase shifter 50 can be integrated into one or both phase locked loops 48a, 48b.
  • the task of the phase shifter 50 is to reduce an offset between the Q and I signals when the device is set or calibrated, so that signal components originating from the crosstalk are also reduced.
  • FIG. 3 also shows a signal processing unit 52a and 52b, each of which consists of an amplification element 54, a low-pass filter 56 and an attenuator 58.
  • the signal conditioners 52a and 52b can in principle be designed differently.
  • the processed signals are applied as reference signal 32 and as input signal 40 to the Q / I demodulator 34 in order to generate the Q and I signals 42, 44.
  • FIG. 4 a shows an input signal 60 which is divided in a splitter 62 into two signals which are present at the mixer 64 and 66.
  • the signal for the mixer 64 is shifted by 90 ° in the splitter 62 with a phase shifter 74; such a splitter is also referred to as a quadrature hybrid splitter.
  • a reference signal RF which is divided into the reference signals 68 and 70 in a splitter 69.
  • Mixers 66 and 64 give the I and Q signal off.
  • FIG. 4b shows the two I and Q signals shifted by 90 ° relative to one another, which can be used for further evaluation.
  • FIG. 5 shows a preferred embodiment from the prior art according to EP 1 407 254 B1. Accordingly, a switch 115 is provided with which a microwave source 100 is switched.
  • the switch 115 defines the mean frequency of a microwave source 100 which changes linearly over time.
  • a coupler 102 divides the signal into 50% each.
  • the reference signal 108a runs via the reference branch to an attenuator and phase shifting device 103, the output of which is applied to the receiver 101 as a reference signal 108b.
  • the phase shifting device 103 compensates for the differences with respect to the measured signal 110b both in the case of an empty measurement and in the case of a measurement with the material to be measured.
  • the compensation values are preferably compared with one another in order to determine a signal change due to the material to be measured.
  • a measurement signal 110a goes to a transmitting antenna 104, from where it strikes the sample or the measurement object 114.
  • FIG. 6 shows the path of the microwave radiation in detail.
  • the transmitting and receiving unit 10 emits microwave radiation which first covers a distance in the air before it passes through the material to be measured 14.
  • the material to be measured 14 lies on a reflector 16, which in turn is made up of at least three layers.
  • a polarizer 76 which for example consists of parallel electrically conductive metal rods / threads, a spacer 78 and a metal plate 80 on which the The microwave radiation that has passed through is reflected. The phase rotation takes place with the passage through the polarizer 76.
  • the behavior of the signal at the reflector occurs, for example, as a lambda 1/4 rotation.
  • the occurring polarization of the incident microwave radiation can be broken down into a component across and along the grid direction of the polarizer at any time.
  • the component parallel to the stripes is given a reflection coefficient of -1, i.e. H. thrown back rotated by 180 °.
  • the components perpendicular to the polarizer do not see it.
  • This part of the radiation is then reflected on the metal plate with a conventional phase inversion of 180 °. This relationship results in a total change in polarization of 90 °.
  • FIG. 7 shows possible signal paths of the microwave radiation which must be taken into account for an evaluation.
  • Application II shows the signal path from an incident beam 82 and a reflected beam 84.
  • the incident microwave beam 82 and the reflected microwave beam 84 are shown spatially spaced from one another. This is intended to indicate that representation II is a superposition of several transmission paths in which the microwave radiation can also run back and forth within the material to be measured before it is reflected back to the transmitting and receiving unit 10 as a whole.
  • IVA and IVB show the case of the reflection of the microwave radiation at the transmitting and receiving unit 10.
  • the incident microwave radiation is first reflected within the material to be measured before it is reflected from this exit at the transmitting and receiving unit 10 and finally received as a measuring beam and to be evaluated.
  • Variant 4b shows the alternative in which first of all, the reflected microwave beam is reflected and thrown back at the transmitting and receiving unit 10, in order then to be thrown back and forth within the material to be measured and finally being received by the transmitting and receiving unit.
  • the actual signal course of the measured signal is of course a superposition of all possible courses.
  • a corresponding attenuation can be provided on the transmitting and receiving unit 10, which attenuates a reflection of the microwave radiation therefrom to the material to be measured and back. This improves the quality of the measurement signal.
  • the evaluation of the Q signal 42 and the I signal 44 can take place directly and separately with regard to the amplitude A and the phase F. The following applies:
  • the essential improvement occurs through the use of the transmitting and receiving unit 10 with the use of a single, dual polarized antenna.
  • a polarization rotation is provided here in order to receive the reflected signals. Since the crosstalk signals between The input and output of the signals are present and form a direct current offset, this can be set when the system is initially calibrated.
  • Receiver a reference signal a measurement signal b measurement signal

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Abstract

Vorrichtung zur Transmissionsmessung eines Messobjekts durch Messung und Auswertung von reflektierten Mikrowellen, die folgendes aufweist: - Einen Mikrowellengenerator, - Eine Sende- und Empfangseinheit, die mit dem Mikrowellengenerator verbunden ist und Mikrowellenstrahlung auf das Messobjekt sendet und reflektierte Strahlung) von diesem empfängt, - einen Reflektor auf einer von der Sende- und Empfangseinheit abgewandten Seite des Messobjekts, der einen Polarisator aufweist, der die Polarisation der reflektierten Strahlung gegenüber der einfallenden Strahlung dreht und - einen Modulator für die Sende- und Empfangseinheit, der eine Amplitude und/oder Phasenlage zwischen ausgesendeter und reflektierter Strahlung bestimmt.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur
Transmissionsmessung von reflektierten Mikrowellen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Transmissionsmessung mit reflektierten Mikrowellen.
Das Messverfahren beruht darauf, dass physikalische Parameter eines Objekts mit Hilfe von transmittierter Mikrowellenstrahlung bestimmt werden. Die Mikrowellen treten in das Messobjekt ein und werden an diesem oder an einem Reflektor auf der Rückseite des Messobjekts reflektiert.
Das bekannte Messverfahren wird beispielhaft in EP 1 407254 Bl beschrieben. Das Messverfahren wird für eine Reihe von Messobjekten, wie beispielsweise Holz, Tabak und Lebensmittel eingesetzt, um den Feuchtegehalt zu bestimmen. Eine genaue Kenntnis des Feuchtegehalts ist für den Ablauf des Produktionsprozesses oftmals wichtig und erlaubt eine zuverlässige Steuerung der Ausgangsqualität für das Produkt.
Das der Messung zugrundeliegende physikalische Prinzip beruht auf der komplexwertigen relativen Permittivität des Messobjekts. Über die Kramers-Kronig- Relation kann beispielsweise der Zusammenhang zwischen der komplexen Permittivität und optischen Kenngrößen, wie Brechungsindex und Absorptionskoeffizient dargestellt werden. Grob gesprochen, ergeben sich die dielektrischen Eigenschaften eines Materials dahingehend, dass der Realteil der komplexen Permittivität die Fähigkeit eines Materials zur Speicherung von elektrischer Energie bezeichnet und der Imaginärteil einen Verlust von dielektrischer Energie in dem Medium beschreibt. Durch Messung dieser beiden Größen kann der Wassergehalt und die Dichte des Materials sehr genau bestimmt werden. Gmndsätzlich können auch andere Stoffe als Wasser in dem Messobjekt ausgewertet werden.
Allgemein hat sich für die Messung bewährt, einen Reflektor für die transmittierte Strahlung vorzusehen. Diese Strahlung wird nach Durchtritt durch das Medium von dem Reflektor zu einer Empfangsantenne zurückgeworfen. Hierfür ist vorgesehen, einen Lambda-l/4-Polarisator oder genauer einen !4 * (2n + 1 )(n N)-Lambda- Polarisator zu verwenden, mit dem die Polarisation der reflektierten Strahlung gegenüber der der einfallenden Strahlung gedreht wird. Auf diese Weise ist es möglich, zwischen der an der Oberfläche des Messobjekts reflektierten Strahlung und der nach dem Durchtritt durch das Messobjekt reflektierten Strahlung zu unterscheiden, da diese eine unterschiedliche Polarisation besitzen.
Aus dem bereits erwähnten Dokument EP 1 407 254 Bl ist eine Anordnung und ein Messverfahren bekannt, bei dem mit zwei Antennen eingearbeitet wird. Eine Sendeantenne richtet die ausgesendete Mikrowellenstrahlung auf das Messobjekt, während eine zweite, hiervon unabhängige Empfangsantenne die reflektierte Strahlung empfängt und für eine Analyse weiterleitet. Ein solcher Aufbau mit zwei Antennen ist erforderlich, da bei der Verwendung von nur einer Antenne es zu einem Übersprechen zwischen Antenneneingang und -ausgang kommt, durch das die reflektierte Strahlung verfälscht wird. Dieses Übersprechen zwischen Eingang und Ausgang der Antennen macht einen kostspieligen Aufbau mit zwei getrennten Antennen notwendig.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Messverfahren bereitzustellen, die einen möglichst einfacheren Aufbau benötigen. Erfmdungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Transmissionsmessung mit den Merkmalen aus Anspruch 1 und ein Verfahren zur Transmissionsmessung mit den Merkmalen aus Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen bilden den Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorgesehen und bestimmt zur Transmissionsmessung eines Messobjekts. Die Vorrichtung misst von dem Messobjekt reflektierte Mikrowellen, sei es die an der Oberfläche oder nach dem Durchtritt durch das Messobjekt reflektierten Mikrowellen. Die reflektierten Mikrowellen werden gemessen und ausgewertet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt einen Mikrowellengenerator, der Mikrowellen mit einer vorgestellten Frequenz oder in einem vorbestimmten Frequenzband zur Verfügung stellt. Es kann mit einer festen oder einer mit der Zeit veränderlichen Frequenz gearbeitet werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt ferner eine Sende- und Empfangseinheit, die mit dem Mikrowellengenerator verbunden ist und Mikrowellenstrahlung auf das Messobjekt sendet und reflektierte Strahlung von diesem empfängt. Die Sende- und Empfangseinheit besitzt bevorzugt eine auf das Messobjekt gerichtete Richtungscharakteristik, die es erlaubt, große Anteile der anliegenden Mikrowellen auf das Messobjekt zu richten. Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt ferner einen Reflektor auf einer von der Sende- und Empfangseinheit abgewandten Seite des Messobjekts, der einen Polarisator aufweist, mit dem die Polarisation der reflektierten Strahlung gegenüber der einfallenden Strahlung gedreht wird. Der Polarisator dient durch die Drehung bzw. durch die Veränderung der Polarisation dazu, die am Polarisator bzw. Reflektor zurückgeworfene Mikrowellenstrahlung von anderer Strahlung, insbesondere von an der Oberfläche des Messguts reflektierter Strahlung zu unterscheiden. Ferner besitzt die Vorrichtung einen Modulator für die Sende- und Empfangseinheit, der eine Amplitude und eine Phasenlage zwischen ausgesendeter und reflektierter Strahlung bestimmt. Der Modulator erlaubt den Vergleich zwischen der durch das Messobjekt hindurchgetretenen Strahlung und der ausgesendeten Strahlung. Auf diese Art und Weise kann sowohl die Dämpfung als auch die Verschiebung der Strahlung erfasst werden und damit in an sich bekannter Weise auf die komplexe, relative Permittivität und somit auf Größen im Messobjekt, wie beispielsweise Feuchte und Dichte, zurückgerechnet werden.
Die erfindungsgemäße Verwendung eines Modulators erlaubt es, die Signale hinreichend genau zu trennen. Hierin ist ein großer Vorteil gegenüber der im Stand der Technik verwendeten Lösung zu sehen, bei der ein Signalpfad mit einem Dämpfungselement und einem Phasenschieber vorgesehen ist, um die Charakteristik dieses Kanals genau an die Charakteristik des Messkanals anzupassen (vergleiche beispielsweise [0030], EP 1 407254 Bl).
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist bevorzugt so ausgebildet, dass die Sende- und Empfangseinheit eine gemeinsame Antenne aufweist. Eine gemeinsame Antenne verdeutlicht den Aufwand, der hardwaretechnisch und auch auswertetechnisch für diese Vorrichtung erforderlich ist. Die Verwendung eines Modulators und insbesondere eines Q/I-Modulators erlaubt es, das Übersprechen zwischen Eingangs- und Ausgangssignal bei der Verwendung einer gemeinsamen Antenne zu unterdrücken. Der Q/I-Modulator, auch als Q/I-Demodulator bezeichnet, erlaubt es, die Phase F und die Amplitude A aus den EQ-Signalen zu berechnen. Diese EQ-Signale sind die Ausgangssignale von zwei Mischern, die in Quadratur zueinander stehen. Dies führt dazu, dass die EQ-Ausgänge des Q/I-Modulators eine Phasenverschiebung von 90° aufweisen, so dass die Phasenlage und/oder die Amplitude aus den EQ-Signalen bevorzugt über weite Bereiche, unabhängig vom Arbeitspunkt, bestimmt werden können. Das Übersprechen führt zu einem Gleichstrom-Offset der I/Q-Signale, das sich bei einer ersten Kalibration des Systems messen und beseitigen lässt.
In einer bevorzugten Weiterbildung liegt an dem Modulator ein Referenzsignal an, das aus dem Mikrowellengenerator stammt, genau wie das Signal für die Sende- und Empfangseinheit.
Weiter bevorzugt weist der Mikrowellengenerator einen Oszillator auf, dessen Signal an einem Splitter anliegt, dessen Ausgangssignale als Referenzsignale und als Eingangssignale für die Sende- und Empfangseinheit dienen. Ferner ist bevorzugt für das Referenzsignal und/oder das Eingangssignal zur Sende- und Empfangseinheit eine Phasenregelschleife (PLL) vorgesehen, die eine stabile Frequenz bereitstellt. Bevorzugt wird ein Oszillator für zwei Phasenregel schleifen eingesetzt, damit deren Signale phasensynchron laufen. Bevorzugt kann auch eine Signalaufbereitung für das Referenzsignal und/oder für das Eingangssignal der Sende- und Empfangseinheit vorliegen. Mit der Signalaufbereitung können in jedem Kanal oder in nur einem Kanal die Signale im Hinblick auf Amplitude, Frequenz und Phasenlage aufbereitet werden. Die Signalaufbereitung besitzt hierzu eine oder mehrere der folgenden Baugruppen: Verstärker, Tiefpass und Dämpfer. Bevorzugt sind in dem Fall, dass zwei Signalaufbereitungen vorgesehen sind.
Zusätzlich kann ein Phasenschieber für das Referenzsignal und/oder das Eingangssignal der Sende- und Empfangseinheit vorgesehen sein. Der Phasenschieber kann als ein separates Bauteil vorgesehen oder die gewünschte Phasenverschiebung wird auf digitale Art und Weise in der Phasenregelschleife eingestellt. Dieser Phasenschieber kann beispielsweise bei einer erstmaligen Kalibrierung der Vorrichtung so eingestellt werden, damit die Offsets der I und Q Signale, die vom Übersprechen zwischen dem Ein- und Ausgang der Mikrowellenantenne stammen, zu vermindern/reduzieren und/oder gleich zu halten. Dadurch kann das Übersprechen einfacher entfernt werden.
Der Reflektor, der unter Phasendrehung die einfallende Mikrowellenstrahlung reflektiert, ist bevorzugt als eine !4 (2n + 1)-Lambda-Wellenplatte ausgebildet. Eine solche Wellenplatte wird oft auch kurz als Lambda- 1/4-Reflektor bezeichnet. Durch den Reflektor, wird die Phasenlage um 90° gegenüber der einfallenden Phase gedreht, was eine maximale Trennschärfe der Phasenlage mit sich bringt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Q/I-Modulator zwei Mischer auf, die in Quadratur zueinander stehen. Diese Mischer werden jeweils über ein Eingangssignal gespeist, wobei an einem der Mischer ein um 90° phasenverschobenes Signal anliegt. Auf diese Weise erzeugen die Mischer zwei um 90° gegeneinander verdrehte Signale, die an den über ein Eingangssignal gespeisten Mischern anliegen.
In einer bevorzugten Weiterbildung erzeugt der Q/I-Modulator unabhängig vom Arbeitspunkt, zuverlässig Werte für I- und Q-Signale, die in Phase und Amplitude umgerechnet werden.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls durch ein Verfahren zur Transmissionsmessung eines Messobjekts gelöst. Das Verfahren misst und wertet reflektierte Mikrowellen aus. Hierzu wird Mikrowellenstrahlung auf das Messobjekt gesendet und reflektierte Strahlung von diesem mit einer Antenne empfangen. Die Polarisation der reflektierten Strahlung wird nach Durchlaufen des Messobjekts gegenüber der einfallenden Strahlung gedreht und die reflektierte Strahlung wird empfangen, wobei Amplitude und/oder Phasenlage zwischen ausgesendeter und reflektierter Strahlung bestimmt werden. Der besondere Punkt ist, dass das Senden der Mikrowellenstrahlen und Empfangen der reflektierten Mikrowellenstrahlung von einer Sende- und Empfangseinheit erfolgt. Amplitude und/oder Phasenlage der reflektierten Strahlung wird in einem Q/I-Modulator bestimmt, wobei bevorzugt dazu ein Referenzsignal für den Q/I-Modulator anliegt. Das Referenzsignal und das Signal der reflektierten Strahlung erlauben es dem Q/I-Modulator, die Veränderung in Amplitude und/oder Phase der reflektierten Strahlung genau zu bestimmen.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe einiger Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Sende- und Empfangseinheit, die auf ein Messobjekt gerichtet ist,
Fig. 2 die gesamte Messvorrichtung in einer schematischen, stark vereinfachten Ansicht,
Fig. 3 eine detailliertere Ansicht der Messvorrichtung aus Fig. 2,
Fig. 4a, b die Funktionsweise eines I/Q-Demodulators,
Fig. 5 die Signalwege bei einer Messung mit zwei Antennen im Stand der Technik,
Fig. 6 der Verlauf der Strahlung durch das Messobjekt und den Reflektor,
Fig. 7a, b unterschiedliche Wege für den Strahlenverlauf zwischen Sende- und Empfangseinheit, Messgut und Reflektor. Figur 1 zeigt eine Sende- und Empfangseinheit 10, die eine Mikrowellenstrahlung 12 auf ein Messobjekt 14 richtet. Die einfallende Mikrowellenstrahlung 12 wird an einem Reflektor 16 reflektiert und als reflektierte Strahlung 18 von der Sende- und Empfangseinheit empfangen. Eingangssignale 20 und Ausgangssignale 22 sind mit der Antenne (nicht dargestellt) der Sende- und Empfangseinheit 10 verbunden. Zwischen dem Eingang 20 und dem Ausgang 22 findet wie durch den Pfeil 24 angedeutet, ein Übersprechen der Signale statt. Dies bedeutet, dass die Eingangssignale direkt einen Beitrag zu den gemessenen Ausgangssignalen leisten. Bei der eingesetzten Antenne in der Sende- und Empfangseinheit 10 handelt es sich um eine Antenne, die eine sehr gute Richtcharakteristik besitzt, so dass viel von dem Signal in Richtung Messgut abgestrahlt wird und ein Übersprechen 24 relativ klein ist. Wäre das Übersprechsignal 24 dagegen groß, dann wäre es ein Problem bei der Digitalisierung. Das große Offset würde in einem solchen Fall die Bits des AD- Wandlers ausfüllen und dadurch deren Verfügbarkeit für das Messsignal beeinträchtigen und so die gesamte erzielbare Genauigkeit reduzieren.
Figur 2 zeigt die Sende- und Empfangseinheit 10 mit dem Reflektor 16. Figur 2 zeigt einen Oszillator 26, dessen Ausgangssignal 28 an einem Splitter 30 anliegt. Der Splitter 30 teilt das anliegende Ausgangssignal 28 und legt ein Referenzsignal 32 an den Q/I-Modulator bzw. Q/I-Demodulator 34 an. Das zweite Ausgangssignal des Splitters 30 liegt als Eingangssignale 36 an der Sende- und Empfangseinheit 10 an. Die Antenne der Sende- und Empfangseinheit 10 sendet das anliegende Eingangssignale 36 als Mikrowellenstrahlung 12 aus und empfängt auch die reflektierte Mikrowellenstrahlung 18. Über den Ausgangsanschluss liegt ein Eingangssignal 40 an dem Q/I-Demodulator 34 an. Der Demodulator, dessen Funktionsweise nachfolgend noch erklärt wird, erzeugt ein Q-Signal 42 und ein I- Signal 44. Figur 3 zeigt den Aufbau aus Figur 2 für die Sende- und Empfangseinheit 10 weiter im Detail. Der Oszillator 26 sowie Splitter 30 können im Detail aufgebaut sein aus einem Referenzoszillator 46, der zwei PLL (Phasenregelschleifen) 48a, 48b speist. Die Phasenregelschleifen 48a, 48b werden auch als „phase locked loop“ bezeichnet und erzeugen, ausgehend von dem Referenzoszillator 46, zwei synchronisierte Schwingungen, was den beiden Ausgangssignalen des Splitters in Figur 2 entspricht. Figur 3 zeigt zusätzlich in dem zu der Sende- und Empfangseinheit führenden Pfad einen Phasenschieber 50, der beispielsweise in die Phasenregelschleife mit eingebaut sein kann. Der Phasenschieber 50 kann in eine oder beide Phasenregelschleifen 48a, 48b mit integriert sein. Aufgabe des Phasenschiebers 50 ist es, bei einer Einstellung bzw. Kalibrierung der Vorrichtung ein Offset zwischen den Q- und I-Signalen zu reduzieren, womit auch aus dem Übersprechen stammende Signalanteile reduziert werden.
Figur 3 zeigt ferner eine Signalaufbereitung 52a und 52b, die jeweils aus einem Verstärkungsglied 54, einem Tiefpassfilter 56 und einem Dämpfungsglied 58 bestehen. Die Signalaufbereitungen 52a und 52b können grundsätzlich unterschiedlich ausgebildet sein. Die aufbereiteten Signale liegen als Referenzsignal 32 und als Eingangssignal 40 an dem Q/I-Demodulator 34 an, um das Q- und das I- Signal 42, 44 zu erzeugen.
Der Q/I-Demodulator 34 wird mit Bezug auf die Figuren 4a, b näher erläutert. Figur 4a zeigt ein Eingangssignal 60, das in einem Splitter 62 in zwei Signale geteilt wird, die an dem Mischer 64 und 66 anliegen. Das Signal für die Mischer 64 wird im Splitter 62 mit einem Phasenschieber 74 um 90° verschoben, ein solcher Splitter wird auch als Quadratur-Hybrid-Splitter bezeichnet. An dem zweiten Eingang der beiden Mischer 64, 66 liegt ein Referenzsignal RF an, das in einem Splitter 69 in die Referenzsignale 68 und 70 aufgeteilt wird. Die Mischer 66 und 64 geben das I- und Q-Signal aus. Figur 4b zeigt die beiden um 90° gegeneinander verschobenen I- und Q-Signale, die zur weiteren Auswertung herangezogen werden können.
Figur 5 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung aus dem Stand der Technik gemäß EP 1 407 254 Bl. Demnach ist ein Schalter 115 vorgesehen, mit dem eine Mikrowellenquelle 100 geschaltet wird.
Der Schalter 115 definiert die mittlere Frequenz einer sich linear mit der Zeit ändernden Mikrowellenquelle 100. Ein Koppler 102 teilt das Signal in jeweils 50 % auf. Über den Referenzzweig läuft das Referenzsignal 108a zu einer Dämpfer- und Phasenschiebeeinrichtung 103, deren Ausgang als Referenzsignal 108b an dem Empfänger 101 anliegt. Die Phasenschiebeeinrichtung 103 kompensiert sowohl bei einer Leermessung als auch bei einer Messung mit Messgut die Unterschiede gegenüber dem gemessenen Signal 110b. Bevorzugt werden die Kompensationswerte miteinander verglichen, um eine Signaländerung durch das Messgut zu ermitteln. Ein Messsignal 110a geht an eine Sendeantenne 104, von wo aus es auf die Probe bzw. das Messobjekt 114 trifft. Hier trifft es dann auf einen Polarisator 116, um als reflektiertes Mikrowellensignal auf die Empfängerantenne 106 zu treffen, von wo aus es an dem Receiver 108 anliegt. Deutlich zu erkennen ist, dass sowohl eine Sendeantenne 104 als auch eine Empfängerantenne 106 vorzusehen ist.
Figur 6 zeigt den Gang der Mikrowellenstrahlung im Detail. Die Sende- und Empfangseinheit 10 sendet Mikrowellenstrahlung aus, die zunächst eine Strecke in der Luft zurücklegt, bevor sie durch das Messgut 14 tritt. Das Messgut 14 liegt auf einem Reflektor 16, der wiederum aus mindestens drei Schichten aufgebaut ist. Ein Polarisator 76, der beispielsweise aus parallelen elektrisch leitenden Metallstäben/- fäden besteht, einem Abstandshalter 78 und einer Metallplatte 80, an der die Reflektion der durchgetretenen Mikrowellenstrahlung erfolgt. Die Phasendrehung erfolgt hierbei mit dem Durchtritt durch den Polarisator 76.
Das Verhalten des Signals an dem Reflektor tritt beispielsweise als eine Lambda- 1/4-Drehung auf. Die auftretende Polarisation der einfallenden Mikrowellenstrahlung kann zu jedem Zeitpunkt in eine Komponente quer und längs der Gitterrichtung des Polarisators zerlegt werden. Die Komponente parallel zu den Streifen wird mit einem Reflexionskoeffizienten von -1, d. h. um 180° gedreht zurückgeworfen. Die Komponenten senkrecht zu dem Polarisator dagegen sehen diesen nicht. Dieser Teil der Strahlung wird dann an der Metallplatte mit einer herkömmlichen Phasenumkehr von 180° reflektiert. Aus diesem Zusammenhang ergibt sich insgesamt eine Änderung der Polarisation um 90°.
Figur 7 zeigt mögliche Signalwege der Mikrowellenstrahlung, die für eine Auswertung zu berücksichtigen sind. Die Anwendung II zeigt hierbei den Signalweg von einem einfallenden Strahl 82 und einem zurückgeworfenen Strahl 84. In dem Beispiel II sind einfallender Mikrowellenstrahl 82 und reflektierter Mikrowellenstrahl 84 räumlich voneinander beabstandet dargestellt. Hierdurch soll angedeutet werden, dass die Darstellung II eine Überlagerung von mehreren Transmissionswegen ist, bei denen die Mikrowellenstrahlung auch innerhalb des Messgutes noch einmal vor- und zurücklaufen kann, bevor sie insgesamt zu der Sende- und Empfangseinheit 10 zurückgeworfen wird.
IVA und IVB zeigen den Fall der Reflexion der Mikrowellenstrahlung an der Sende- und Empfangseinheit 10. Die einfallende Mikrowellenstrahlung wird zunächst einmal innerhalb des Messguts reflektiert, bevor sie aus diesem Austritt, an der Sende- und Empfangseinheit 10 reflektiert wird, um schließlich als Messstrahl empfangen und ausgewertet zu werden. Variante 4b zeigt die Alternative, bei der zunächst der reflektierte Mikrowellenstrahl an der Sende- und Empfangseinheit 10 reflektiert und zurückgeworfen wird, um anschließend innerhalb des Messguts hin und her geworfen und schließlich von Sende- und Empfangseinheit empfangen zu werden. Wie stets bei solchen Betrachtungen üblich, ist der tatsächliche Signalverlauf des gemessenen Signals selbstverständlich eine Überlagerung aller möglichen Verläufe.
Zur Verbesserung der erfindungsgemäß vorgesehenen Vorrichtung kann eine entsprechende Dämpfung an der Sende- und Empfangseinheit 10 vorgesehen sein, die eine Reflexion der Mikrowellenstrahlung von dieser zum Messgut hin und zurück dämpft. Auf diese Weise wird die Qualität des Messsignals verbessert.
Die Auswertung des Q-Signals 42 und des I-Signals 44 kann direkt separat im Hinblick auf die Amplitude A und die Phase F erfolgen. Es gilt:
Figure imgf000013_0001
Qualitativ kann die Unabhängigkeit des Q/I-Signals vom Arbeitspunkt leichter eingesehen werden, wenn man betrachtet, dass bei einer sinkenden Leistung die Amplitude des detektierten Signals sinkt und somit auch die Amplitude der Signale I und Q sinken. Indem diese im gleichen Maße sinken, bleiben der Quotient und damit der Phasenwinkel F konstant.
Die wesentliche Verbesserung tritt durch die Verwendung der Sende- und Empfangseinheit 10 mit der Verwendung einer einzelnen, dual polarisierten Antenne ein. Erfindungsgemäß ist hier eine Polarisationsdrehung vorgesehen, um die reflektierten Signale zu empfangen. Da die Übersprechsignale, die zwischen Eingang und Ausgang der Signale anliegen, ein Gleichstrom-Offset bilden, kann dies beim anfänglichen Kalibrieren des Systems eingestellt werden.
Bezugszeichenliste
10 Sende- und Empfangseinheit
12 Mikrowellenstrahlung
14 Messobjekt
16 Reflektor
18 reflektierte Mikrowellenstrahlung
20 Eingangssignal
22 Ausgangssignal
24 Pfeil / Übersprechen / Übersprechsignal
26 Oszillator
28 Ausgangssignal
30 Splitter
32 Referenzsignal
34 Q/I-Demodulator
36 Eingangssignal
40 Eingangssignal
42 Q- Signal
44 I-Signal
46 Referenzoszillator
48a, b Phasenregelschleifen
50 Phasenschieber
52a, b Signalaufbereitung
54 Verstärkungsglied
56 Tiefpassfilter
58 Dämpfungsglied
60 Eingangssignal
62 Splitter Mischer
Mischer
Referenzsignal
Splitter
Eingangssignal
Referenzoszillator
Phasenschieber
Polarisator
Abstandshalter
Metallplatte einfallender Mikrowellenstrahl zurückgeworfener Mikrowellenstrahl Mikrowellenquelle Koppler
Dämpfer- und Phasenverschiebungseinrichtung
Sendeantenne
Empfängerantenne
Receiver a Referenzsignal a Messsignal b Messsignal
Messobjekt
Schalter
Polarisator

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zur Transmissionsmessung eines Messobjekts (14) durch Messung und Auswertung von reflektierten Mikrowellen (18), die folgendes aufweist:
• Einen Mikrowellengenerator,
• Eine Sende- und Empfangseinheit (10), die mit dem Mikrowellen generator verbunden ist und Mikrowellenstrahlung auf das Mess objekt (14) sendet und reflektierte Strahlung (18) von diesem empfängt,
• einen Reflektor (16) auf einer von der Sende- und Empfangseinheit (10) abgewandten Seite des Messobjekts (14) , der einen Polarisator (76) aufweist, der die Polarisation der reflektierten Strahlung (18) gegenüber der einfallenden Strahlung dreht und
• einen Modulator für die Sende- und Empfangseinheit (10), der eine Amplitude und/oder Phasenlage zwischen ausgesendeter und reflek tierter Strahlung bestimmt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende- und Empfangseinheit (10) eine gemeinsame Antenne aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Modulator als ein Q/I-Modulator (34) ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Modulator ein Referenzsignal (32) anliegt, das aus dem Mikrowellengenerator stammt wie das Signal für die Sende- und Empfangseinheit (10).
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrowellengenerator einen Oszillator (26) aufweist, dessen Signal an einem Splitter (30) anliegt, dessen Ausgangssignale (22) als Referenzsignal (32) und als Eingangssignale (20) für die Sende- und Empfangseinheit (10) dienen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Phasenregelschleife (PLL) (48a, 48b) für das Referenzsignal (32) und/oder das Eingangssignal der Sende- und Empfangseinheit (10) vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Signalaufbereitung für das Referenzsignal (32) und/oder das Eingangssignal der Sende- und Empfangseinheit (10) vorliegt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalaufbereitung eine oder mehrere der folgenden Baugruppen aufweist: Verstärker (54), Tiefpass (56) und Dämpfer (58).
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Phasenschieber (50) für das Referenzsignal und/oder das Eingangssignal (20) der Sende- und Empfangseinheit (10) vorgesehen ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (16) eine 1/4 (2n + 1)-Lambda-Wellenplatte aufweist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Q/I-Modulator (34) zwei Mischer (64, 66) aufweist, die in Quadratur zu einander stehen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Q/I- Modulator Phase und/oder Amplitude der Signale unabhängig vom Arbeitspunkt bestimmen.
13. Verfahren zur Transmissionsmessung eines Messobjekts (14) durch Messung und Auswertung von reflektierten Mikrowellen (18), die folgendes aufweist:
• Mikrowellenstrahlung wird von einer Sende- und Empfangseinheit (10) auf das Messobjekt (14) gesendet und reflektierte Strahlung von diesem mit einer Antenne (106) empfangen,
• die Polarisation der reflektierten Strahlung wird nach Durchlaufen des Messobjekts (14) gegenüber der einfallenden Strahlung gedreht und
• die reflektierte Strahlung wird empfangen und die Amplitude und/oder Phasenlage zwischen ausgesendeter und reflektierter Strahlung wird bestimmt.
14. Verfahren nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude und/oder die Phasenlage der reflektierten Strahlung wird in einem Q/I- Modulator (34) bestimmt.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Referenzsignal für den Q/I Modulator (34) erzeugt wird, das mit der reflektierten Strahlung an diesem anliegt.
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