專利名稱：雙頻道定向天線和帶有這種天線的雷達料位計的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種將電磁波用于測量容器中的產品表面的裝填高度的料位計量系統。
背景技術：
雷達料位計(RLG)適合用于對罐中容納的諸如工藝流體、顆粒狀化合物和其它物料之類的產品的高度進行非接觸式測量。這種雷達料位計的示例可包括用于發送和接收電磁波的收發器、設置成用以朝向該表面引導電磁波并將由表面反射的電磁波返回至收發器的天線，以及適于基于由收發器發送和接收的電磁波之間的關系來確定裝填高度的處理電路。在一些應用中，由于來自表面的反射較弱，因此，例如諸如谷粒之類的固體的料位探測儀需要非常高的靈敏度。此外，諸如天線上的干擾和雜質之類的其它因素影響了信號強度并由此影響了靈敏度要求。在這種情況下，減小發送頻道與接收頻道之間的耦合和減小從相對強的發送信號變成可被天線所獲得的相對弱的回波信號的電磁能量的漏損變得具有重大的意義。因此，提高靈敏度的解決方案會利用單獨的用于發送頻道的天線和用以接收頻道的天線。如果天線之間的電耦合是至少-50dB，則與傳統系統的約IOOdB的典型值相比，這種系統的靈敏度可提高到40 50dB。但是，出于實際應用的原因，在商用雷達料位計量系統中實施雙天線系統是不可取的。首先，增加了相當大的成本，從而使得這種系統對于主流市場而言是不具有吸引力的。其次，在一些應用中，在容器中具有盡可能少的開口是合乎要求的。此外，出于該原因，雙天線系統是不引人注目的，至少在每個天線需要在容器壁上具有單獨的孔的情況下是如此。在現有技術中已經嘗試將單個天線劃分為發射部分和接收部分。例如GBl, 105，503公開了被劃分成兩個半件的拋物面天線，這兩個半件彼此分隔開一段距離。但是，現存的現有技術解決方案仍未發現適合在雷達料位計中使用。
實用新型內容本實用新型的目的是提供一種帶有適合于在雷達料位計中使用的性能的雙頻道天線。根據本實用新型的第一方面，該目的和其它目的通過一種用于確定罐中產品的裝填高度的料位計來實現，該雷達料位計包括用于發射電磁發射信號和接收回波信號的收發器、連接至該收發器并適于基于發射信號與回波信號之間的關系來確定裝填高度的處理電路、以及具有適于沿輻射方向發射電磁能量的天線孔徑的雙頻道定向天線。該天線連接于收發器并設置成朝向產品的表面將發射信號發射到罐中，并且接收由發射信號在產品表面中的反射所產生的回波信號，其中，該天線包括意欲面對產品表面的天線孔徑。該裝置還包括將天線劃分成用于發射該發射信號的第一分隔部和用于接收回波信號的第二分隔部的隔壁，該隔壁具有沿輻射方向位于下游的外部部分。該裝置還包括電磁耦合裝置，該電磁耦合裝置包括設置成將來自收發器的發射信號耦合到第一天線分隔部中的第一波導饋源、和設置成將來自第二天線分隔部的回波信號耦合至收發器的第二波導饋源。該隔壁包括電磁解耦結構，該電磁解耦結構連接至所述隔壁的外部部分并且設置成減少從所述發射信號到所述回波信號的電磁能量的任何漏損。根據本實用新型的電磁解耦結構確保將發射信號到接收信號的漏損減小到令人滿意的程度。表述“定向天線”意在包括輻射圖沿特定方向指向或增強的任意天線。這種天線的示例包括喇叭型天線、拋物面反射器天線、和陣列天線。定向天線中發射的輻射的表面被稱之為天線孔徑。在喇叭型天線和拋物面反射器天線的情況下，該孔徑由天線的在幾何學上定界的內部空間的開口所限定。輻射方向將由該開口的方位所確定。在陣列天線的情況下，孔徑可以是設置發射器陣列的平面，并且輻射方向將由各個發射器的方位所確定。為了到達該接收分隔部，發射信號將需要首先沿著隔壁的面對發射分隔部的一側并隨后沿著隔壁的面對接收分隔部的一側行進。根據本實用新型的實施方式，電磁解耦結構可設置在隔壁上并適于衰減電磁波沿著隔壁的傳播。這種解耦結構包括四分之一波長扼流部和電磁波衰減材料。根據一個實施方式，該隔壁包括延伸到天線開口的外側的伸出的唇緣部分，并且電磁解耦結構至少部分設置在該伸出的唇緣部分上。在第一天線部分和第二天線部分之間的耦合由此借助于延伸出天線口外一段距離的伸出的唇緣部分而被大幅減少。由此不僅在天線內部而且在天線開口外的一段距離減少了兩個分隔部之間的耦合。電磁解耦結構可還包括設置于天線的孔徑出的電介質透鏡。這種透鏡也可補償在由隔壁和任何伸出的唇緣部分所造成的天線傳輸的波陣面中的任何干擾。本實用新型的第二方面涉及一種用于在雷達料位計中使用的雙頻道天線，該天線包括天線口和將天線劃分成用于發射電磁發射信號的第一分隔部和用于接收電磁回波信號的第二分隔部的隔壁，其中，該隔壁包括電磁解耦結構，該電磁解耦結構設置成減小在發射信號與回波信號之間的任何電磁耦合。
將參照附圖更為詳細地描述本實用新型，附圖示出了本實用新型的優選實施方式。圖1是安裝在罐上的雷達料位計量系統的示意圖。圖2a是根據本實用新型的第一實施方式的喇叭型天線的立體圖。圖2b是根據本實用新型的第一實施方式的替代性的喇叭型天線的立體圖。圖3是根據本實用新型的第二實施方式的喇叭型天線的立體圖。圖4是根據本實用新型的第三實施方式的喇叭型天線的立體圖。圖5是根據本實用新型的第四實施方式的拋物面天線的立體圖。
具體實施方式
[0023]圖1示出了根據本實用新型的實施方式的雷達料位計(RLG)I的立體圖。該雷達料位計I設置成用以對罐5中的工藝參數進行測量，該工藝參數例如為罐5中的位于兩種(或更多種)物料3、4之間的分界面2的高度L。通常，第一物料3是存儲在罐中的容納物，例如諸如汽油之類的液體，但是諸如谷粒或顆粒狀物之類的非液態的物料也可以被探測到。第二物料4通常是存在于罐中的位于第一物料3的上方的空氣或一些其它大氣。雷達料位計(RLG)將能夠探測與罐中的分界面2之間的距離d，并且該距離可用于計算高度L或其它所關心的工藝參數。雷達料位計(RLG) I還包括自由輻射的定向天線6，該自由輻射的定向天線6位于罐的頂部中，用于將電磁發射信號發射到罐5中并用于接收來自罐的電磁回波信號。雷達料位計(RLG) I還包括電子器件單元7。如圖1中示意性地圖示說明的那樣，電子器件單元7包括處理單元11和用于發射和接收電磁信號的收發器10，該處理單元11連接于收發器10，用于控制收發器并對由該收發器接收到的信號進行處理以確定罐5中的產品3的裝填高度L。收發器10可以是一個能發射和接收電磁信號的功能單元，或者可以是包括單獨的發射器和接收器單元在內的系統。處理單元11能夠經由接口 12連接至用于模擬和/或數字通信的外部通信線路13。此夕卜，盡管圖1中未示出，但雷達料位計量系統I通常可連接至外部電源，或者可通過外部通信線路13供電。作為選擇，雷達料位計量系統I可構造成無線通信。可應用多種探測方案，這些探測方案包括利用脈沖調制列車信號的調頻持續波(FMCff)和時域反射儀(TDR)探測。在所示實施方式中的雷達料位計(RLG)適合于發送處于微波范圍中的信號，該微波范圍通常處于中心頻率為約IOGHz或26GHz的頻帶中。電子器件單元7與天線6之間的信號分布可借助于傳輸線14來實現，如圖1中所示。該傳輸線14優選地借助于同軸電線來提供，但是同樣可由任意合適的波導器來提供。同軸線路、微波傳輸帶線路、帶狀線或其它橫向電磁(TEM)線路固有地具有寬帶功能并且可使用這些線路。雷達料位計(RLG)優選地設置有饋通結構15，從而允許傳輸線14穿過罐壁。該饋通結構15可提供能夠耐受得住容納在罐中的溫度、壓力、和任何化學品的氣密密封。根據本實用新型，圖1中的雷達料位計I上的天線6設置成用以為電磁信號提供兩個單獨的頻道。將參考圖2-5描述這種天線的更為詳細的實施方式，圖2-5示出了喇叭型天線和拋物面反射器天線的多種示例。所注意的是，所示出的天線共有的共同特征在于，它們具有由天線的在幾何學上定界的內部空間的開口限定的天線孔徑，例如喇叭型天線的情況中的喇叭部或拋物面反射器天線情況中的拋物面反射器。但是，本實用新型并不限于這種天線，而是包括諸如可具有平面孔徑的陣天線之類的其它定向天線。圖2a中的天線是喇叭型天線，其具有由基本上呈圓錐形的天線喇叭部21的開口35限制的天線孔徑。于此呈金屬板22形式的隔壁設置在喇叭部21的內部中，使得在喇叭部的內壁之間延伸，從而將喇叭部21劃分成兩個分隔部，即發射分隔部23和接收分隔部24。板22可以是諸如金屬之類的導電材料或者提供電磁分隔的其它適用的材料。板22可設置在包括天線的中軸線A在內的平面中。在這種情況下，如果喇叭部21是旋轉對稱的，則分隔部23、24將具有相同的尺寸和形狀。板22還包括電磁解耦結構26。電磁解耦結構26這里設計成衰減處于該計量的工作頻帶中的電磁波沿著隔壁的表面的傳播，并且隨后優選地形成在隔壁的任一側或兩側上。作為選擇，該電磁解耦結構可位于隔壁的下游，例如在下文參照圖4所討論的電介質透鏡的情況下。在圖2中的示例中，電磁解耦結構由四分之一波長扼流部26形成，于此在延伸越過金屬板的寬度、及越過天線喇叭部21的整個口部35的隆起部27之間形成為溝槽26。隆起部27相對于天線的輻射方向大致垂直地延伸。每個扼流部(即溝槽26)的深度約為中心工作頻率的波長的四分之一，在IOGhz時約為7.5mm并且在26Ghz時約為2.8mm。橫跨隆起部的寬度通常是幾毫米，但取決于特定設計和實施方式，并且可由本領域普通技術人員來確定。圖2b示出了通過將板22折疊成“方波”樣式來構成溝槽26的替代方法。在該情況下，一側上的溝槽26與相對側上的隆起部27相對應。圖2a中的隔壁22還具有延伸到喇叭部21的開口 35的外側的伸出的唇緣部分25，并且設置成進一步減小在兩個分隔部23、34中的信號之間的任何電磁耦合。在圖2中所示的實施方式中，電磁解耦結構設置在隔壁的伸出的唇緣部分上。在天線的圓筒形的頸部30中設置有電磁耦合裝置，該電磁耦合裝置具有接收(Rx)端口 28和發射(Tx)端口 29，每個端口均連接至收發器10 (參見圖1)。圖1中的傳輸線14因而適于將收發器10連接至兩個端口 28、29中的每個端口。端口 28、29被隔壁22分隔開。Tx端口 28包括設置成將來自收發器10的發射信號耦合到發射分隔部23中的第一波導饋源(waveguide feeder) 31,而Rx端口 29包括設置成將來自接收分隔部24的回波信號耦合至收發器10的第二波導饋源32。每個端口 28、29還包括電介質填充材料33，例如由聚四氟乙烯制成，該電介質填充材料33形成為在探針31和32中的導向傳播與天線喇叭部的分隔部23、24中的自由傳播之間提供匹配轉變。在圖2中，該填充材料33形成從頸部30延伸到圓錐形喇叭部31的窄部中的錐形尖端34。圖3中的天線6’基本上類似于圖2中的天線，并且將不對其作更為詳細的描述。在該情況下，電磁解耦結構包括電磁波衰減材料40，其設置在隔壁22的至少一側上、這里設置在伸出的唇緣部分25上。該電磁波衰減材料40可由嵌置在電介質基底中的導電微粒形成，例如嵌置在橡膠上的鐵氧體微粒。圖4中的天線6’’基本上類似于圖2和3中的天線，并且將不對其作更為詳細的描述。這里，電介質透鏡41設置成覆蓋住天線喇叭部21的開口 35，并且用作電磁解耦結構。這種透鏡又可適用于補償由隔壁22所造成的輻射圖的任何偏斜。它可結合圖2和3中所示的四分之一波長扼流部26或電磁波衰減材料40來實施。但是，在沒有這種特征的情況下，它也可實施，并且適于與伸出的唇緣部分25協作以減小分隔部23、24之間的電磁耦合。在圖4中，透鏡41完全設置在天線喇叭部21的開口 35的外側。但是，如本領域普通技術人員所認識到的那樣，用電介質填料來填充天線喇叭部以防止罐內容物或大氣進入該喇叭部是已知的。在這種情況下，電介質透鏡41可形成為這種電介質填料的外部部分。圖5中的天線60是拋物面反射器天線(或拋物面天線)，其具有拋物面反射器51和設置在該反射器51的焦點中的天線饋源(antenna feeder) 52。在所示示例中，饋源52設置在從鏡子的中心伸出的支承件53上。饋源52被分隔成兩個頻道；一個用于發射，而另一個用于接收。頻道可填滿電介質材料來防止波導件受到污染。在波導件的末端處，設置有將電磁波引導至反射器51的防濺擋板副反射器50。這里呈金屬板58形式的隔壁設置在反射器51的內部中，以便在拋物面反射器的內壁之間延伸，從而將反射器51分為兩個分隔部，即，發射分隔部54和接收分隔部55。饋源52設置在板54的平面中，使得該板也將饋源分為兩個分隔部56、57。另外在這里，板54可以是諸如金屬之類的導電材料或者提供電磁分隔的任何其它適用的材料。類似于圖2-4中所示的天線，圖5中的隔壁58連接至電磁解耦結構61。該電磁解耦結構在這里示出為形成在(同樣在圖2中的)伸出的唇緣部分59上的四分之一波長扼流部，但是可同樣地呈電磁波衰減材料(圖3)或透鏡(圖4)的形式。拋物面天線60設置有類似于參考圖2所述的耦合裝置，并且這里將不對其作更為詳細的描述。該拋物面天線的操作也對應于參考圖2所述的操作，其明顯的區別在于通過天線饋源52經由反射器51中的反射來發射和接收信號。本領域普通技術人員認識到本實用新型絕不限于上述優選實施方式。相反，許多變型和變化在所附權利要求的范圍內也是可能的。例如，天線可具有不同的設計，從而要求隔壁具有不同的設計。另外，除了文中所描述的電磁解耦結構之外，可以使用其它電磁解耦結構。
權利要求1.一種在用于確定罐中產品的裝填高度的雷達料位計中使用的雙頻道定向天線，所述天線包括: 天線孔徑，所述天線孔徑適于在輻射方向上發射電磁能量， 隔壁，所述隔壁將所述天線劃分成用于發射電磁發射信號的第一分隔部和用于接收電磁回波信號的第二分隔部，所述隔壁具有在所述天線的輻射方向上位于下游的外部部分， 電磁耦合裝置，所述電磁耦合裝置包括第一波導饋源和第二波導饋源，所述第一波導饋源設置成將來自連接至所述天線的收發器的所述發射信號耦合到所述第一天線分隔部中，所述第二波導饋源設置成將來自所述第二天線分隔部的所述回波信號耦合到連接至所述天線的收發器， 其中，所述隔壁包括電磁解耦結構，所述電磁解耦結構連接至所述隔壁的所述外部部分，所述電磁解耦結構設置成減小從所述發射信號到所述回波信號的電磁能量的任何漏損。
2.根據權利要求1所述的天線，其中，所述天線孔徑由所述天線的在幾何學上定界的內部空間的開口限定。
3.根據權利要求2所述的天線，其中，所述天線是喇叭型天線，所述喇叭型天線具有頸部和呈圓錐形的天線喇叭部，其中，所述電磁耦合裝置設置在所述頸部中。
4.根據權利要求2所述的天線，其中，所述天線是拋物面反射器天線，所述拋物面反射器天線包括拋物面反射器和設置在所述反射器的焦點中用于經由所述反射器中的反射來發射和接收電磁波的天線饋源。
5.根據權利要求4所述的天線，其中，所述天線饋源由根據權利要求3所述的喇叭型天線形成。
6.根據權利要求2所述的天線，其中，所述隔壁包括延伸到所述開口的外側的伸出的唇緣部分，并且其中，所述電磁解耦結構至少部分設置在所述伸出的唇緣部分上。
7.根據權利要求1所述的天線，其中，所述電磁解耦結構包括設置于所述孔徑處的電介質透鏡，所述透鏡設置成影響所述天線的輻射圖。
8.根據權利要求3所述的天線，其中，所述天線喇叭部填充有電介質材料，所述材料進一步延伸到所述開口的外側以形成設置成影響所述喇叭型天線的輻射圖的電介質透鏡。
9.根據權利要求1所述的天線，其中，所述電磁解耦結構包括至少一個四分之一波長扼流部，所述至少一個四分之一波長扼流部形成為所述隔壁的表面上的一個或多個溝槽，所述溝槽基本上垂直于輻射方向延伸并具有選擇成與所述料位計的中心工作頻率的四分之一波長相對應的寬度。
10.根據權利要求1所述的天線，其中，所述電磁解耦結構包括設置在所述隔壁的至少一側上的電磁波衰減材料。
11.根據權利要求10所述的天線，其中，所述電磁波衰減材料包括嵌置在電介質基底中的磁性微粒。
12.一種用于確定罐中產品的裝填高度的料位計，所述料位計包括: 收發器，所述收發器用于發射電磁發射信號和接收電磁回波信號， 處理電路，所述處理電路連接至所述收發器并且適于基于所述發射信號與所述回波信號之間的關系來確定所述裝填高度， 根據權利要求1所述的雙頻道定向天線。
專利摘要一種用于在雷達料位計中使用的雙頻道定向天線。該天線包括將天線劃分成用于發射電磁發射信號的第一分隔部和用于接收電磁回波信號的第二分隔部的隔壁(22)，該隔壁具有沿天線的輻射方向位于下游的外部部分。該隔壁包括電磁解耦結構(26)，其設置成減少從發射信號到回波信號的電磁能量的任何漏損。根據本實用新型的電磁解耦結構確保將發射信號到接收信號的漏損降低到令人滿意的程度。
文檔編號H01Q13/02GK203166089SQ20122062243
公開日2013年8月28日 申請日期2012年11月21日 優先權日2012年9月25日
發明者揚·韋斯特林 申請人:羅斯蒙特儲罐雷達股份公司