专利名称：料位雷达频率转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及料位测量。特别地，本发明涉及一种用于料位雷达的频率 转换器， 一种用于确定罐中料位的料位雷达，将这种频率转换器用于料位 测量的应用，以及一种用于为料位雷达进行频率转换的方法。
背景技术：
已公开的料位测量设备除了用于发射或接收雷达波或微波的天线之 外还具有频率转换器，该频率转换器将发射脉冲振荡器生成的电磁信号向 高频变换。
DE 43 31 353涉及一种带有频率转换电路的雷达—距离测量设备，该 频率转换电路具有本地振荡器、混频器和天线端子。频率转换电路将雷达 模块所接收的信号的频率通过与本地振荡器的另 一频率混合来转换为更 高的频率，发射信号以该更高的频率^L送给天线端子。
在此，发射功率与混频器的功率相关。在离开混频器之后，不可能再 对发射信号进行放大。
发明内容
本发明的任务是，为料位雷达提供一种改进的频率转换。
根据本发明的一个实施例，为料位雷达提供了一种频率转换器，该频 率转换器包括信号生成单元，用于产生被频率转换的电磁发射信号；接收电路，用于对接收信号进行接收，以确定料位；发射耦合器；和第一放 大器，用于放大被频率转换的发射信号和/或接收信号，其中发射耦合器 具有输入端，用于从信号生成单元接J^L大的、被频率转换的发射信号； 第一输出端，用于直接将发射信号发送给天线装置和用于从天线装置对接 收信号进行接收；以及第二输出端，用于将接收信号发送给接收电路。
由此，根据本发明的频率转换器具有放大器，在被频率转换的高频发 射信号被天线发射出去之前，该放大器对该发射信号进行放大，或者在天 线接收到的接收信号被向回转换为低频之前，该放大器对该接收信号进行 放大。
通过这种附加的放大，可以实现更好的信噪比以及更高的敏感性。特 别地，由此也可能对较为不利的填料进行测量。否则，在这种*^的情况 下所^Jt的信号会太小，以致不能实现可接受的、可用的测量结果。
根据本发明的另一实施例，发射耦合器具有定向耦合器，该定向耦合 器具有对称的或者非对称的混合电路(Hybrid )。
这种非对称的混合耦合器例如可以实施为90。混合耦合器，该混^ 合器特别适合于与圆形的波导耦合输入装置相连。
根据本发明的另一实施例，天线装置具有圆形的波导耦合输入装置， 其中发射耦合器的第一输出端与圆形的波导耦合输入装置耦合，用于耦合 输4射信号。
作为另外的优点，由对称的90。混合耦合器和圆形的耦合输入装置构 成的组合已经得到将发射路径和接^径分开。通过这种方式，可以省去 昂贵的部件，例如环行器，并且同时可以将全部的生成器功率转发给天线。
根据本发明的另 一实施例，以60 GHz到120 GHz之间的频率来实施 用于产生电>^发射信号的信号生成单元。
例如，频率转换器可以实施为79GHz的高频模块。然而，也可能为 更高的频率，例如120 GHz左右的频率。
根据本发明的另 一实施例，频率转换器包括第二放大器用于放大接收 信号，其中该第二放大器设置在第二输出端之后。
根据本发明的该实施例，现在i殳计了两个放大器，其中第一放大器例 如用于对输入到发射耦合器中的信号进行放大，而第二放大器用于放大从
6发射耦合器中出来之后的被接收的信号或输出信号。两个放大器都位于频 率转换器的高频侧。由此，保证了输入信号和输出信号的灵活放大。
根据本发明的另一实施例，信号生成单元包括脉沖发生器，用于生 成具有第一频率的第一电磁信号；本地振荡器，用于生成具有第二频率的 第二电>^信号；以及第一混频器，用于借助4^振荡器的第二电磁信号对 脉冲发生器的第一电磁信号进行频率转换，其中第一混频器被实施用于输 出发射信号。于是设置了一种混频器，其获得脉冲发生器的输入信号，并 且将该输入信号借助本地振荡器的信号(其例如可以在10 GHz到25 GHz 之间)混频为更高的频率。由该混频于是得到发射信号，该发射信号l^ 被放大并馈送到发射耦合器中。
根据本发明的另一实施例，频率转换器此外还包括第二混频器，该第 二混频器用于借助本地振荡器的第三电磁信号将接收信号进行频率转换。 于是，两个信号被相同的本地振荡器进行混频。
例如，也可以设置附加的本地振荡器，其例如在相位中与其他本地振 荡器严格地耦合，^吏得两个振荡器同步运行。
例如，第二混频器可以将接收信号的频率混频为低频，使得被频率转 换的接收信号随后可以被容易地分析。
根据本发明的另一实施例，频率转换器的信号生成单元此外还包括 脉冲发生器，用于生成具有第一频率的第一电磁信号；以及第一倍增器， 用于将脉冲发生器的第一电磁信号倍增，以及用于将倍增后的信号作为发 射信号来输出。
信号倍增通过例如在半导体器件的非线性特性曲线上形成谐波来实 现。混频器不是必需的。根据该实施例，不是具有不同频率的两个输入信 号(通过混频器)相加。更确切地说，仅有唯一的输入信号，该信号被倍 增(例如按因子4或者因子8或者其他因子来倍增)。
由此，提供了一种简单的电路，其可以提供良好的信噪比以及更高的 灵敏度。
根据本发明的另一实施例，频率转换器包括第三混频器，用于借助本 地振荡器的第三电v^信号将脉冲发生器的低频信号进行频率转换，由此形 成被频率转换的信号。
根据本发明的另一实施例，频率转换器另外还包括第三放大器，用于将被频率转换的信号进行放大，以均衡在笫三混频器中积聚的损耗。
根据本发明的另一实施例，提供了一种料位雷达，用于确定罐中的料 位。该料位雷达具有用于发射和/或接收电磁波的天线以及上述的频率转 换器。
此外，提供了将根据本发明的频率转换器用于料位测量的应用。
此外，提供了 一种用于为料位雷达进行频率转换的方法，该方法包括 生成被频率转换的电磁发射信号；放;UL射信号；接fcSL射耦合器的输入 端中的枕故大的发射信号；直接将发射信号M射耦合器的第一输出端发 送到天线装置；接^发射耦合器的第一输出端中的接收信号；将接收信 号从发射耦合器的第二输出端发送到接收电路；以及对接收信号进行接 收，以确定料位。
由此，提供了一种方法，通过该方法可以提高测量的敏感性，其方式 是，例如将发射信号在频率转换器的高频侧进行放大。
发射信号由此还可以在频率转换之后再次被放大。
根据本发明的另一实施例，生成被频率转换的电磁信号的步骤包括借 助第一混频器的第一频率转换。
此夕卜，分析接收信号以确定料位可以包括借助第二混频器的第二频率 转换。
替代地，可以设计信号倍增装置，该装置被用于如下生成电磁发射信 号使得由于器件的非线性特性曲线而形成谐波。
由此，不需要输入侧的混频器用于产生高频信号。
本发明的另外的实施例、任务和优点由从属权利要求中得到。
以下将参照附图描述本发明的优选实施例。 图l示出了频率转换器的示意图。
图2示出了根据本发明的一个实施例的频率转换器的示意图。 图3示出了根据本发明的另一实施例的频率转换器的示意图。图4示出了祁*据本发明的另一实施例的频率转换器的示意图。 图5示出了根据本发明的一个实施例的料位雷达的示意图。 图6示出了^^据本发明的另一实施例的频率转换器的示意图。 附图中的视图是示意性的并且并不M比例。
具体实施例
在下面的附图描述中，相同的或者相似的元件使用相同的参考数字。
图1示出了频率转换器的示意图。频率转换器具有发射脉冲振荡器 101 (Tx Oszillator )。那里所生成的具有频率fl的电磁信号被转发给发射 耦合器102,该发射耦合器随后将电磁信号传输给混频器103。
本地振荡器107生成具有频率f2的另外的信号，该信号同样被输送 给混频器103。现在混频器103由发射脉冲振荡器101的信号和本地振荡 器107的信号生成频率被向上混合的、具有频率G=fl+f2的信号，该信 号lSt^被转发给高通滤波器104。随后，高频发射信号由高通滤波器104 发送给天线105。天线105随后将该信号朝着填料的方向发射。
由填料反射的信号被天线105接收，并且导送给高通滤波器104。高 通滤波器l^将接收信号转发给混频器103,该混频器将频率为f3的接收 信号与频率为€2的本地振荡器一同又混频回发射脉冲振荡器的频率为 fl-f3-f2的、原有的较低频率范围，并且递交给发射耦合器102。
在此，在混频器103中将接收信号反向变换为低频。
随后，接收信号^L射耦合器102发送给前置放大器106。前置放大 器106随后将接收信号引导至采样—混频器109，该采样—混频器附加地 接收扫描振荡器108的信号。采样—混频器109的输出信号l^送到中频 放大器110，并且随后可以被分析，以便例如确定料位。
在该系统中，根据所使用的混频器，发射功率为大约-5dBm至OdBm。 这样，最大可插入的衰减为大约75dB至80dB。
图2示出了根据本发明的一个实施例的频率转换器的示意图。如在图 2中可以看到的那样，频率转换器200具有信号生成单元217、接收电路 216、放大器204、放大器207、 M振荡器202和发射耦合器206。信号生成单元217在此包括脉冲发生器201,该脉冲发生器用于生成 电磁波或者电磁脉冲。所生成的具有频率fl的信号218 1^被传输给混 频器203，该混频器同样vM^振荡器202接收频率为f2的信号219。混 频器由两个输入信号218、 219生成具有频率f3=fl+f2的高频输出信号或 发射信号220。
该发射信号220 1^抝改大器204放大，并且随后作为枕故大的信号 213转发给发射耦合器206。
发射耦合器206例如实施为对称的或非对称的混^合器或者实施 为环行器(Zirkulator )。信号213在较小衰减的情况下通itiC射耦合器 206，并作为信号223转发给天线系统205。天线系统205实施为用于发 射/接收高频信号，并且包括例如波导，用于将信号M射耦合器206传 输给天线以及将信号向回传输。
天线系统205发射出测量脉沖210，该测量脉冲l^被要测量的物体 或媒质(其中例如是*#表面212 )作为接收信号211而反射。接收信号 211 1^又被天线系统205接收，并且传输给发射耦合器206。
发射耦合器206现在将所接收的信号在输出端214输出。放大器207 放大接收信号214，并且将该接收信号传输给接收电路216。
在此要注意的是，并非必须设置两个放大器204、 207。更确切地说， 根据应当放大输入信号220还M当放大输出信号214，也可以仅设置唯 ——个放大器，例如放大器204或仅仗故大器207。在任何情况下，放大 器都设置在频率转换器200的高频侧。
接收电路216包括混频器208、采样-混频器225、脉沖发生器226 和中频放大器227。
在第二混频器208和采样-混频器225之间可以连接另 一放大器(未 在图2中示出)。
要注意的是，本地振荡器202、 221可以是不同的振荡器。但是，它 们也可以实施为唯一的一个振荡器，该振荡器为混频器203、 208馈电。
振荡器202可以设置在接收电路216中，或者设置在信号生成单元 217中，或者分离地"&置。
在接收电路216中，具有频率f3的被放大的接收信号l^被馈送到第二混频器208中，该第二混频器也被本地振荡器202馈送以具有频率f2 的信号222。在此，现在进行向较低频率的反向混频。得到的具有频率为 fl=f3-f2的信号224 ^^4L送给釆样-混频器225，在采样-混频器中， 该信号被采样。被采样的、时间延迟的信号229随后再次通过放大器227 放大，并且在中频输出端209上作为中频信号用于分析和确定料位。
这样构建的系统实现了明显更高的敏感性。根据放大器使用，在测量 段中最大可插入的衰减达到大约95 dB。
图3示出了^L据本发明的另一实施例的频率转换器的示意图。在图3 中所示的频率转换器200此外具有带通302，并且带通302设置在第一混 频器203和脉冲发生器201之间。此外，图3的实施为79 GHz高频模块 的模块具有第二带通303。该第二带通303设置在第一混频器203和第一 放大器204之间。
第一放大器204具有直流电源311，其或者可以持续地被供给电压， 或者可以被供给脉冲发生器201的脉冲输入信号。通过脉冲式的运行，得 到比持续运行中明显更小的电流消耗。
此外，设置了圆形的波导耦合输入装置301，以便M射耦合器206 耦合输入信号，或者将信号(从天线出发)发送给发射耦合器206。发射 耦合器206在此实施为90。混合电路。
两个混频器203、 208由本地振荡器202 (其产生例如10 GHz到25 GHz之间的频率)和倍增器304馈电。倍增器304具有直流电源312，该 直流电源同样可以持续地处于供给电压上，或者被供给两个脉冲发生器 201和226的脉冲输入信号。
收良向混频的低频信号由第二混频器208发送给采样—混频器225。 此外，脉冲发生器226的信号228被输送给采样-混频器225。在采样-混频器225和脉冲发生器226之间可以连接带通306。
采样-混频器225的输出信号通itit大器227来放大，并且在中频输 出端209用于进一步的处理和分析。
图4示出了根据本发明的另一频率转换器的示意图。图4的频率转换 器在此除了具有脉冲发生器201之外还具有带通302、倍增器403和另一 带通303。倍增器403通过形成半导体器件(例如晶体管或二极管)的非 线性特性曲线上的谐波来进行信号倍增。由脉冲发生器201所生成的信号例如具有fl=10 GHz的频率。按因 子8倍增的或者被滤波的信号220例如具有G=8*10 GHz=80 GHz的频 率。自然，也可以生成其他频率。
接收信号214被输送给采样—混频器225，该采样_混频器在该例子 中必须针对高频O而设计。釆样-混频器225此外获得信号309，该信号 由脉冲发生器226生成并且在通过带通306滤波之后被输送给第二倍增器 401。在相应的倍增之后，信号在被馈送到采样-混频器225之前通过另 一带通402。
通过这种方式，提供了一种简单的电路，该电路能够实现在频率倍增 之后将发射信号220放大为高频。
图5示出了根据本发明的另一实施例的料位雷达的示意图。
在此，料位雷达500具有信号生成单元217、放大器204、发射耦合 器206和接收电路216。此外，设计了一种带有圆形的波导耦合输入装置 301的天线装置205。
图6示出了根据本发明的另一实施例的频率转换器的示意图。在图6 中示出的频率转换器如图3中所描述的系统那样工作。然而，去除了在图 3中在较低频率情况下工作的采样—混频器225。
替代地，低频微波脉冲(例如10GHz)在混频器604上被向上混频 为例如80 GHz的更高频率。该信号现在同样可以借助放大器602在电平 上被提高，以便再次均衡混频器208中所积聚的损耗。接着，该信号与所 接收到的并在放大器207中枕故大的信号一同在采样-混频器601中降为 中频。
该系统中的优点在于，在接收支路中仅仅需要混频一次(在601中)。 在第二混频器(图3中的208或者图6中的604)中的损耗可以通it^大 器602来均衡。根据质量，图3中在混频器208上出现的混频损耗为大约 10...15 dB。相对于图3中的系统，上面描述的系统的敏感性可以改进该 值。
采样-混频器601的性能通过调整到高频而相对于图3中的采样 - 混 频器225仅仅无关紧要地改变，其中图3中的采样—混频器在较低频率情 况中工作。
补充地，要指出的是，"包括"并不排除其他原件或者步骤，"一"或者"一个"不排除多个。此外要指出的是，参照上述实施例之一所描述的 特征或者步骤也可以与其他上述实施例的其他特征或步骤结合使用。在权 利要求中的参考标记不应视为限制。
权利要求
1.一种用于料位雷达的频率转换器，所述频率转换器(200)包括信号生成单元(217)，用于产生被频率转换的电磁发射信号(220)；接收电路(216)，用于对接收信号进行接收，以确定料位；发射耦合器(206)；和第一放大器(204)，用于放大被频率转换的发射信号(220)和/或放大接收信号；其中发射耦合器(206)具有输入端(213)，用于从信号生成单元(217)接收放大的、被频率转换的发射信号(220)；第一输出端(223)，用于直接将发射信号发送给天线装置(205)和用于从天线装置(205)对接收信号进行接收；以及第二输出端(214)，用于将接收信号发送给接收电路(216)。
2. 根据权利要求l所述的频率转换器，其中发射耦合器(206)实施 为定向耦合器，该定向耦合器具有对称的或者非对称的混合耦合器。
3. 根据权利要求1或2所述的频率转换器，其中天线装置(205 )具 有圆形的波导耦合输入装置(301);并且其中发射耦合器(206)的第一 输出端(223 )与用于耦合输AJL射信号的、圆形的波导耦合输入装置(301) 耦合。
4. 才艮据上述权利要求中任一项所述的频率转换器，其中信号生成单 元(217)被实施为用于产生频率在60 GHz到120 GHz之间的电磁发射 信号(220 )。
5. 才艮据上i^C利要求中任一项所述的频率转换器，此外包括第二 放大器(207)用于放大接收信号，其中该第二放大器(207)设置在第二 输出端(214)之后。
6. 根据上述权利要求中任一项所述的频率转换器，所述信号生成单 元(217)包括脉冲发生器(201),用于生成具有第一频率的第一电磁信号；本地振荡器(202)，用于生成具有第二频率的第二电磁信号；以及第一混频器(203 )，用于借助本地振荡器(202 )的第二电磁信号(219 )对脉冲发生器(201)的第一电磁信号进行频率转换；其中第一混频器(203)被实施用于输出发射信号(220)。
7. 根据权利要求6所述的频率转换器，此外包括第二混频器(208 )， 用于借助本地振荡器(202)的第三电磁信号(222 )对接收信号进行频率 转换。
8. 根据权利要求1至5中任一项所述的频率转换器，所述信号生成 单元(217)包括脉冲发生器(201)，用于生成具有第一频率的第一电磁〖信号；以及第一倍增器(403)，用于将脉冲发生器(201)的第一电磁信号倍增， 以及用于将倍增后的信号作为发射信号(220)来输出。
9. 根据权利要求1至6中任一项所述的频率转换器，此外包括第三混频器(604 )，用于借助本地振荡器(202 )的第三电磁信号(222 ) 对脉冲发生器(226)的低频信号(228)进行频率转换，由此形成被频率 转换的信号(603 )。
10. 根据权利要求9所述的频率转换器，此外包括:第三放大器(602 )， 用于将被频率转换的信号(603)进行放大，以均衡在第三混频器(604) 中积聚的损耗。
11. 一种用于确定罐中的料位的料位雷达，所^位雷达包括 用于发射和/或接收电磁波的天线(205);以及 根据权利要求1至8中任一项所述的频率转换器(200 )。
12. —种应用，将根据权利要求1至8中任一项所述的频率转换器 (200)用于料位测量。
13. —种用于为料位雷达进行频率转换的方法，所述方法包括以下步生成被频率转换的电磁发射信号(220 ); 放;UL射信号(220);接^L射耦合器(206)的输入端中的被放大的发射信号(220); 直接将发射信号M射耦合器(206)的第一输出端发送到天线装置(205);接^发射耦合器(206)的第一输出端中的接收信号；将接收信号M射耦合器(206)的第二输出端(214 )发送到接收电 路(216);以及分析接收信号以确定料位'
14. 根据权利要求13所述的方法，其中生成被频率转换的电磁发射 信号(220)包括借助第一混频器(203)进行第一频率转换。
15. 根据权利要求13或14所述的方法，其中分析接收信号以确定料 位包括借助第二混频器(208)进行第二频率转换。
16. 根据权利要求13至15中任一项所述的方法，其中生成电磁发射 信号(220)包括信号倍增。
全文摘要
根据本发明的一个实施例，提供了一种用于料位雷达的频率转换器，该频率转换器包括信号生成单元、接收电路、发射耦合器以及放大器。在此，放大器用于在频率转换器的高频侧进行发射信号的放大。为了频率转换可以设置混频器或者倍增器。
文档编号G01F23/284GK101322016SQ200680045598
公开日2008年12月10日 申请日期2006年12月5日 优先权日2005年12月5日
发明者丹尼尔·舒尔特海斯, 卡尔·格里斯鲍姆, 约瑟夫·费伦巴赫 申请人:Vega格里沙贝两合公司