CN116235029A

CN116235029A - 用于基于雷达的填充水平测量设备的天线

Info

Publication number: CN116235029A
Application number: CN202180059079.3A
Authority: CN
Inventors: 帕布洛·奥特斯巴赫; 温弗里德·迈尔
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2020-07-23
Filing date: 2021-06-21
Publication date: 2023-06-06
Also published as: EP4185844B1; DE102020119435A1; WO2022017701A1; EP4185844A1; US20230349746A1

Abstract

本发明涉及一种用于特别是基于射频雷达的填充水平测量设备(1)的紧凑且高效的天线(11)。为此，天线(11)由以下组成：具有介质紧密空腔(111)的安装件(110)；输入耦合结构(112)，雷达信号(SHF)能够借助该输入耦合结构(112)沿主波束轴(a)被耦合到空腔(111)中；以及，折射雷达信号(SHF)的透镜(113)。透镜以输入耦合结构(112)被定位于透镜(113)的焦点中并且透镜(113)在输入耦合结构(112)的主波束轴(a)中对齐的这样的方式密封安装件(110)的空腔(111)。如果安装件(110)或透镜(113)和输入耦合结构(112)由两个单独的子组件(A、B)构成，则可以利用很少的费用制造天线(11)。在该情况下，可以在其生产之后沿着限定的接合缝(114)组装两个子组件(A、B)，使得空腔(111)以介质紧密的方式被密封并且安装件(110)或天线(11)被形成。

Description

用于基于雷达的填充水平测量设备的天线

技术领域

本发明涉及一种用于基于雷达的填充水平测量的天线以及一种用于生产这样的天线的生产方法。

背景技术

在过程自动化技术中，通常使用用于捕获或修改过程变量的现场设备。为此目的，现场设备的运作在每个情况下都基于合适的测量原理，以便捕获对应的过程变量，诸如填充水平、流率、压强、温度、pH值、氧化还原电位或电导率。Endress+Hauser公司制造和分销多种此类现场设备。

为了测量容器中填充材料的填充水平，基于雷达的测量方法已经被确立，因为它们可靠且维护成本低。因此，脉冲渡越时间原理(pulse transit time principle)和FMCW(“调频连续波”)原理得到了主要实施。这些测量原理在例如“Radar Level Detection,Peter Devine,2000”中被更详细描述。基于雷达的测量方法的一个关键优势在于能够或多或少地连续测量填充水平。在本专利申请的上下文中，术语“雷达”是指具有在0.03GHz和300GHz之间的频率的雷达信号。执行填充水平测量所利用的典型频带为2GHz、6GHz、26GHz或79GHz。被选择的频带越高，在相同天线尺寸的其他情况下辐射的雷达信号的波束锥越窄。

无论实施的测量原理如何，填充水平测量设备的发射和接收单元都可以针对从大约20GHz开始并高于普通集成电路的雷达频率实施。原则上，因此可以更紧凑并且具有更好的安装特性地生产具有更高雷达频率的填充水平测量设备。诚然，要使用的天线的尺寸也可以随着增加的频率而减小，而不会不期望地增加波束锥。尽管如此，与填充水平测量设备的进一步的组件相比，天线仍然具有相对较大的尺寸。此外，当天线大小减小时，波束锥增加或形成旁波瓣。此外，当尺寸减小时，天线的介质紧密可制造性更加困难，因为难以产生小尺寸的底切和空腔。

发明内容

因此，本发明基于以下目的：为基于雷达的填充水平测量技术提供一种高效且易于生产的天线，利用该天线可以将对应的填充水平测量设备设计得极其紧凑。

本发明通过一种用于基于雷达的填充水平测量设备的天线实现了该目的，所述天线包括以下组件：

-带有介质紧密空腔的安装件，

-输入耦合结构，雷达信号能够通过该输入耦合结构沿着主波束轴耦合到空腔中，以及

-透镜，该透镜折射雷达信号，并且密封安装件的空腔使得输入耦合结构被定位于透镜的焦点(focus)内并且透镜在输入耦合结构的主波束轴对齐。

本发明范围内的术语“介质紧密”涉及颗粒和液体的不可渗透性，并且不一定还涉及气体或超压密封性。

借助透镜，可以根据本发明将天线制造得极其紧凑并且具有窄波束锥。因此，透镜优选地相对于雷达信号是凸的或半凸的。

如果透镜具有与输入耦合结构相匹配的直径，使得透镜完全覆盖主发射波瓣，在该波瓣中输入耦合结构沿主波束轴传输雷达信号，则可以进一步优化天线的效率。在本专利申请的上下文中，术语“主发射波瓣”是指由那些空间角包围的区域，在所述空间角，从主发射轴(即发射的雷达信号的最大功率的矢量)开始，功率已经下降到50％或下降-3dB。此外，如果透镜、空腔和/或面向空腔的透镜表面具有用于雷达信号的抗反射层，诸如具体地，在某些情况下是基于化学的表面纹理，则根据本发明的天线可以相对于其效率被优化。空腔也可以至少在部分区域中具有金属涂层。取决于此，天线的尺寸在某些情况下可能会进一步减小。

由于根据本发明的天线的紧凑设计，在基于雷达的填充水平测量设备中使用该天线是特别方便的，该设备的发射/接收单元被设计成生成具有至少60GHz、特别是多于100GHz的高频的基础电高频信号，因为在这样高频下，填充水平测量设备通常可以已经被设计得非常紧凑。用于测量被定位于容器中的填充材料的填充水平的对应的填充水平测量设备至少包括以下组件：

-根据前述实施例变体中的任一个的天线，其中，天线或测量设备将被布置成以这样的方式使得天线的主发射轴近似垂直地定向，以便朝向填充材料发射雷达信号，并且以接收由填充材料相应反射的接收信号，以及

-发射/接收单元，其被设计为，

o用于生成雷达信号以将电高频信号耦合到天线的输入耦合结构中，

o经由输入耦合结构来解耦接收信号，以及

o至少基于解耦的接收信号来确定填充水平。

发射/接收单元被设计成是根据FMCW方法生成高频信号还是根据FMCW方法确定填充水平，或者是否实施脉冲渡越时间原理，在本发明的范围内是无关的。

关于填充水平测量设备，在本发明范围内的术语“单元”原则上理解为意指为所提出的目的适当设计的所有电子电路。因此，它可以是用于生成或处理对应模拟信号的模拟电路。然而，它也可以是数字电路，诸如FPGA，或者是与程序交互的存储介质。因此，该程序被设计为执行对应的方法步骤或应用相应单元的必要计算操作。在此上下文中，本发明的意义上的测量设备的各种电子单元可以潜在地也访问共同的物理存储器或借助相同的物理数字电路来操作。

根据本发明的天线的优点还在于潜在的低成本可制造性。特别地，当基于至少两个子组件生产安装件时，可以在没有复杂的制造步骤的情况下实现介质紧密的空腔。为此目的，子组件被设计成使得在每种情况下，除了纯安装件形状之外，子组件之一还包括透镜和/或输入耦合结构，并且子组件在每种情况下都包括沿着空腔的对应接缝。用于制造天线的对应方法在这样的情况下提供以下方法步骤：

-制造安装件的第一子组件，

-制造安装件的第二子组件，以及

-随后借助例如焊接或胶粘沿着接合缝将两个子组件接合在一起，使得空腔被介质紧密密封并且安装件被形成。

该方法使得天线的所有组件，即安装件、输入耦合结构和透镜，可以由相同的材料制成，特别是塑料材料。为此目的，第一子组件和第二子组件相应地由相同的材料制成，例如借助注射成型或热冲压制成。特别地，PEEK、PFA或PTFE可以用作制造这两个子组件的塑料材料，因为关于雷达折射属性，这些材料具有大于2、特别是大于4的合适的介电值。

附图说明

参考以下附图更详细地解释本发明。示出了如下部分：

图1：容器上基于雷达的填充水平测量设备的典型布置，以及

图2根据本发明的用于基于雷达的填充水平测量设备的天线。

具体实施方式

为了对本发明有基本的理解，图1示出了自由辐射的、基于雷达的填充水平测量设备1在容器2上的典型布置。其填充水平L要由填充水平测量设备1确定的填充材料3被定位于容器2中。为此，填充水平测量设备1在容器2上高于最大允许填充水平L被安装。取决于应用领域，在容器底部上方的填充水平测量设备1的安装高度h可以达到超过100m。

作为规则，填充水平测量设备1可以经由基于对应总线系统——诸如，“以太网”、“PROFIBUS”、“HART”或“无线HART”——的接口连接到上级单元4，例如过程控制系统、分散式数据库或手持设备，诸如移动无线电设备。一方面，因此可以传达关于填充水平测量设备1的操作状态的信息。然而，还可以经由接口传输与填充水平L有关的进一步信息。

由于图1所示的填充水平测量设备1被设计为自由辐射雷达，因此它包括对应的天线11。如图1所示的天线11或填充水平测量设备1被定向使得对应的雷达信号S_HF沿填充材料3的方向被发射。相应的雷达信号S_HF取决于测量原理(脉冲渡越时间或FMCW)在填充水平测量设备1的发射/接收单元中被生成并且被供应给天线11。

发射的雷达信号S_HF被填充材料3的表面反射，并在对应的信号渡越时间之后由天线11或填充水平测量设备1的下游发射/接收单元作为接收信号R_HF接收。由于雷达信号S_HF、E_HF的信号渡越时间具有对填充水平测量设备1相距填充材料表面的距离d＝h–L的线性相关，所以发射/接收单元可以根据分别实施的测量原理，基于接收信号R_HF确定填充水平L。

参考图1解释的填充水平测量设备1在现代设计中以20GHz或甚至显著更多的、多达160GHz的雷达频率操作。天线11的尺寸可以相应地小，而其波束锥不会变得太大，并且因此例如干涉反射不会在容器2的侧壁上产生。

然而，就制造技术而言，生产对应紧凑的天线11却具有困难，因为它必须例如利用切削以及因此成本密集的方法——诸如车削——来被制造，因为例如，注射成型工艺会导致天线11中或天线11上出现空腔和凹陷。此外，其中焦距空间填充有塑料材料的填充的介电天线11通常具有与经典透镜天线相比显著更差的效率，在经典透镜天线中，焦距空间中空气或真空占主导。

从这个角度来看可以紧凑地设计并易于制造的根据本发明的天线11在图2中以剖视图更详细地示出：天线11的核心是安装件110。因此，安装件110形成作为焦距空间的空腔111。可以在图2中看到，空腔111在安装件110的端部区域被凸透镜113封闭，该端部区域在填充水平测量设备1的安装状态下朝向填充材料3定向。与透镜113相对，介电输入耦合结构112在空腔111处被允许进入安装件110，其中，输入耦合结构112的主发射轴a被引导到空腔111中。输入耦合结构112用于解耦填充水平测量设备1的发射/接收单元经由空腔111将要朝向填充材料3发射的雷达信号S_HF。为了与发射/接收单元对应接触，安装件110外部的输入耦合结构112可以例如作为介电波导而进一步被引导，介电波导可以可选地在其长度上适配(图2中未明确示出)。在图2所示的实施例中，安装件110在杆状输入耦合结构112周围的空腔侧上附加地包括凹槽115，因此雷达信号S_HF到安装件110中的不期望耦合被抑制。

为了解耦从空腔111朝向填充材料3的雷达信号S_HF，安装件110被设计为使得输入耦合结构112的杆状端被定位于透镜113的焦点内，其中，透镜113在输入耦合结构112的主波束轴a对齐。因此，当雷达信号S_HF从天线11朝向填充材料3射出时，雷达信号S_HF被对应地集束。由于产生的天线11的窄传输锥，因此可以根据本发明利用非常紧凑的尺寸生产所述天线。天线的反向属性(reciprocal property)同样适用于要被耦合进的接收信号R_HF。

如图2所指示，当透镜113相对于其直径D_L与输入耦合结构112匹配时，天线11的效率进一步提高，因为透镜113比输入耦合结构112的主发射波瓣α更宽。与图2所示的天线11的实施例相反，在这方面，也可以将空腔111设计为非圆柱形或长方体，而代替是圆锥形，使得空腔111从输入耦合结构112朝向透镜113对应地变宽。不用说，天线11在其尺寸方面要与雷达信号S_HF、R_HF的分别使用的频率相匹配。为了清楚起见，用于将天线11固定到填充水平测量设备1或容器2的安装件110上的任何紧固装置未在图2中示出。

图2中所示的基于两个单独制造的子组件A、B的天线11的方法，所述子组件A、B通过随后接合在一起，与安装件110或透镜113和输入耦合结构112一起形成天线11。子组件A、B首先通过注射成型或热冲压而被单独制造，使得子组件A、B具有共同的接缝114用于接合目的。在图2所示的子组件A、B的实施例中，接缝114从中心穿过空腔110，使得第一子组件A包括输入耦合结构112，而第二子组件B包括透镜113。然而，原则上，在本发明的范围内，接缝114在子组件A、B之间准确延伸的位置是无关的。在子组件A、B的注射成型之后和在接合之前，后来的空腔111的区域中的子组件A、B也可以可选地例如通过透镜113上的金属涂层或表面纹理来被表面处理，使得天线11的波束特性被优化。

尤其取决于从其制造子组件A、B的材料来选择要使用的子组件A、B的接合技术。取决于材料，例如可以使用焊接或胶粘来接合。因此，必不可少的是所产生的空腔111在接合期间被介质紧密密封，即，颗粒和水分不可渗透地密封。结果，空腔111被保护免于不希望的污垢积累，使得天线11的波束属性不被测量操作削弱。取决于其下子组件A、B接合的空气，空腔111也可以处于真空或惰性气体中，以便于进一步改进天线11的波束特性。

如果两个子组件A、B都由相同的材料——诸如PEEK或PTFE——制成使得产生的安装件110、透镜113和输入耦合结构112各自由相同的材料组成，那么关于接合子组件A、B也是有利的。关于材料选择，这里必须考虑用于透镜113中的波束折射和输入耦合结构112中的波束引导的材料具有合适的介电值，例如至少为2，最优地大于4。基于两个子组件A、B制造天线11的优点是可以实现空腔111和任何后来的底切，而无需过度的材料支出，无需复杂的工艺步骤，并且因此成本效益好。

附图标记列表

1 填充水平测量设备

2 容器

3 填充材料

4 上级单元

11 天线

110 安装件

111 空腔

112 输入耦合结构

113 透镜

114 接合缝

115 槽

A、B 子组件

a 波束轴

d 测量距离

h 安装高度或测量范围

L 填充水平

R_HF 接收信号

S_HF 雷达信号

α 主发射波瓣

Claims

1.一种用于基于雷达的填充水平测量设备(1)的天线(11)，包括：

-带有介质紧密空腔(111)的安装件(110)，

-输入耦合结构(112)，雷达信号(S_HF)能够借助所述输入耦合结构(112)沿着主波束轴(a)被耦合到所述空腔(111)中，以及

-透镜(113)，所述透镜(113)折射所述雷达信号(S_HF)，并且密封所述安装件(110)的所述空腔(111)，使得所述输入耦合结构(112)被定位于所述透镜(113)的焦点内并且所述透镜(113)在所述输入耦合结构(112)的所述主波束轴(a)中对齐。

2.根据权利要求1所述的天线(11)，其中，所述安装件(110)、所述输入耦合结构(112)和所述透镜(113)由相同材料制成，特别是塑料材料。

3.根据权利要求1或2所述的天线(11)，其中，所述透镜(113)具有与所述输入耦合结构(112)匹配的直径，使得所述透镜(113)完全覆盖主发射波瓣(α)，在所述主发射波瓣(α)中，所述输入耦合结构(112)沿所述主波束轴(a)传输所述雷达信号(S_HF)。

4.根据权利要求1、2或3所述的天线(11)，其中，所述透镜(113)、所述空腔(111)和/或所述透镜(113)面向所述空腔(111)的表面包括所述雷达信号(S_HF)的抗反射层，特别是表面纹理。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的天线(11)，其中，所述透镜(113)是凸的或半凸的。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的天线(11)，其中，所述空腔(111)至少在部分区域中具有金属涂层。

7.一种基于雷达的填充水平测量设备(1)，用于测量被定位于容器(2)中的填充材料(3)的填充水平(L)，所述设备包括以下组件：

-根据前述权利要求中的任一项所述的天线(11)，其可以被布置成使得所述主发射轴(a)大致垂直地定向以便朝向所述填充材料(3)传输所述雷达信号(S_HF)，并且以便接收由所述填充材料(3)对应反射的所述接收信号(R_HF)，

-发射/接收单元，其被设计为，

o用于生成所述雷达信号(S_HF)以将对应的高频信号耦合到所述输入耦合结构(114)中，

o以便经由所述输入耦合结构(114)解耦所述接收信号(R_HF)，以及

o以便至少基于所述解耦的接收信号(R_HF)确定所述填充水平(L)。

8.根据权利要求7所述的填充水平测量设备，其中，所述发射/接收单元被设计成生成具有至少60GHz、特别是多于100GHz的频率的高频电信号。

9.根据权利要求7或8所述的填充水平测量设备，其中，所述发射/接收单元被配置为根据FMCW方法生成所述高频信号并且根据FMCW方法确定所述填充水平(L)。

10.一种用于制造根据权利要求1至6中的任一项所述的天线(11)的方法，包括以下方法步骤：

-制造所述安装件的第一子组件(A)，

-制造所述安装件的第二子组件(B)，

其中，所述子组件(A、B)被设计成使得在每个情况下，所述子组件(A、B)中的一个包括所述透镜(112)和/或所述输入耦合结构(114)，并且在每个情况下，所述子组件(A、B)具有沿所述空腔(111)的对应接缝(114)，并且

-沿着所述接缝(114)接合所述两个子组件(A、B)，使得所述空腔(111)被介质紧密密封并且所述安装件(110)被形成。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第一子组件(A)和/或所述第二子组件(A)是借助注射成型制造的。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，所述子组件(A、B)借助焊接或胶粘来接合。

13.根据权利要求10至12中的任一项所述的方法，其中，所述第一子组件(A)和所述第二子组件(B)由相同的材料制成。

14.根据权利要求10至13中的任一项所述的方法，其中，所述第一子组件(A)和/或所述第二子组件(B)由塑料材料制成，特别是由PEEK、PFA或PTFE制成。