用于阻抗匹配至导波雷达探针的耦合器件的制作方法
【专利摘要】一种用于阻抗匹配导波雷达(GWR)系统(100)的探针的耦合器件(3、5、6)。馈通(3)用于连接至包括连接至收发器(1)的输出的内导体和连接至外金属套管的外导体的同轴电缆或其它传输线连接器(2)。具有长度从λ/5至λ/2的亚波长同轴传输线(CTL)(5)耦合至馈通，其包括连接至馈通内导体的内导体和连接至外金属套管的外导体。具有长度为2λ±百分之二十的多个金属指(7)的模式转换器(MC)(6)被连接至亚波长CTL的外导体，其中MC包括连接至亚波长CTL的内导体的其内导体上的介电涂层(58)。
【专利说明】
用于阻抗匹配至导波雷达探针的耦合器件
技术领域
[0001] 公开的实施例涉及用于针对导波雷达(GWR)探针而耦合和阻抗匹配的耦合器件。
【背景技术】
[0002] 导波雷达(GWR)物位变送器(level transmitter)被广泛用于包括化学、石油化学 和医学的多种应用以及密闭输送、海运和运输中的过程水平（level)测量和过程控制。GWR 物位变送器以时域反射法(TDR)的原理工作，其中发送沿着引导微波脉冲的金属探针的微 波脉冲和接收从感兴趣的表面和/或界面反射的其"回波"之间的逝去的时间被测量并分 析。取决于应用要求，乘以光速的半行程时间提供水平和/或界面。
[0003] 对于GWR雷达操作，具有从远小于lns(lOOps)至大约10ns的持续时间的短电磁(E-M)脉冲被产生在电子块(收发器）中，其被以光速沿着50-100 Ω的同轴电缆传播至罐(tank) 输入。此类50-100 Ω的同轴电缆用作传输线，从而允许横电磁模(TEM)模式(Ez = 0、Hz = 0) 的主电磁波通过其传播，同时由于电缆的特定几何构造（内导体直径、外导体直径和它们之 间使用的电介质类型），在其中传播的其它电磁波模是可忽略的。同轴线通常连接至用作同 轴传输线的50-100 Ω的耦合器件（"馈通"）。用于水平测量的其它GWR系统使用印刷电路板 组件(PCBA)上在耦合至过程连接器的同轴连接器上终止的传输线来代替同轴电缆。
[0004] 从这个"馈通"器件，电磁信号进一步被探针引导并直接进入罐的开口中（穿过 (thread)过程连接），或者在其它情况下，导波首先行进通过称为罐口（nozzle)的"罐接 口"，然后进入罐。罐口是在一端具有安装法兰的小的圆柱，而在另一端其被焊接至罐。 [0005]罐口的直径通常大于其高度，但不总是。一旦进入罐，电磁(E-Μ)脉冲被罐自由空 间区域中的探针引导，其中自由空间阻抗大约为377 Ω。与其几何形状无关，罐口连同中心 电导体或多或少用作相对于同轴电缆或馈通的50-100 Ω阻抗的更高阻抗，但是比377 Ω的 自由空间阻抗更小的同轴传输线。
[0006] 根据此类比，类似于同轴传输线的情况，罐口的阻抗可以通过公式Zh=(60/￡ r1/2) * In (D/d ) 来计算，其中"D"是外导体(即，罐□壁)的直径，"d"是通过它的单个导体探针的直径，而^是 存在于外导体和内导体(在这种情况下，空气)之间的材料的介电常数。然而，直径大于特定值 的罐口不总是类似于"标准"同轴线，因为它们允许频率比通过公式^=190.85/1^(1:) 5^1? 近似的截止频率更高的E-Μ波的传播，其中"D"和"d"以mm为单位，罐口还支持包括横电 (TEn)模(E z辛0，H#0)的高阶E-Μ模。此类TEn模将以不同的相速传播，并且将干扰TEM模， 从而产生寄生反射，被称作"振铃(ringing)"，这将降低更接近于罐顶部的水平测量的准确 度，并且将因此减少最大水平范围。甚至对于持续时间短于0.25ns的询问脉冲的等于4"（4 英寸= 10.16cm)的罐口直径(D)，此类"振铃"效应是明显的，对于其而言，频率带宽的较大 部分将高于上面的截止频率。"馈通"器件和罐口入口之间的阻抗失配引起E-Μ波的第一主 反射，但是这个第一反射发生所处的时间作为脉冲运行时间的时间参考可以是有用的。
[0007] 位于罐内较深处的罐口的输出和探针的自由空间阻抗之间的阻抗失配还产生寄 生E-Μ反射。在罐口的输入和输出处的这些寄生反射减少了用于产品的水平测量的E-Μ波的 剩余能量，并因此还在考虑沿着探针的衰减的情况下减少了水平测量的最大范围。此外，这 些寄生反射波还降低了准确测量罐顶部附近的产品水平的能力。因为这个原因，GWR物位变 送器通常限定上盲区，在该上盲区内，产品水平不能被测量。阻抗失配越高，盲区越大，并且 在罐顶部附近的水平测量中的准确度降低越多。不同的方法已经被用来尝试将这些寄生反 射最小化。
[0008] 用于减少从罐的罐口的末端的反射的一个方法利用在罐口以下开始的探针上的 逐渐减少厚度的介电涂层。逐渐减少的介电涂层引入从罐口阻抗至大约377 Ω的自由空间 阻抗的稍微更平滑的阻抗转变。虽然存在根据这个方法的馈通回波的某些降低，但是由于 较大罐口直径和/或询问脉冲的较小持续时间引起的振铃效应仍未被解决。此外，这个已知 的方法取决于特定罐口几何形状，具有随着罐口直径的增加而增加的来自馈通/罐口入口 的末端的回波的振幅。
【发明内容】
[0009] 提供此
【发明内容】
来用简化形式介绍公开概念的简短的选择，下文在包括所提供的 附图的【具体实施方式】中对其进一步描述。此
【发明内容】
不旨在限制要求保护的主题的范围。
[0010] 所公开的实施例包括用于在提供改进的水平测量的导波雷达(GWR)系统中使用的 "耦合器件"，其包括存储罐(下文为"罐"）内部的单个导体探针和罐外部连接至50至100 Ω 的同轴电缆或其它传输线连接器(例如，PCBA上在耦合至过程连接器的同轴连接器上终止 的传输线）的收发器。公开的耦合器件包括同轴传输线(CTL)被附着至其的馈通和具有多个 金属指的模式转换器(MC)。可选地，耦合器件还可以包括可以被认为是MC的延伸部分的逐 渐减少的介电涂层，因为已经发现其帮助将电场线和电磁能量限制到MC的口。
[0011]通过改进的阻抗匹配和振铃效应的最小化，存在信号损耗的降低，包括来自罐的 顶部并且还有来自具有罐口的罐的罐口输出的不想要的影响（例如，回波）的降低，同时盲 区长度可以被减小，并且水平测量和水平范围的准确度还可以被增加。罐外部的收发器用 于产生、发射和接收电磁信号；并且罐内部的单个导体探针被连接至收发器PCBA上在PCBA 上的同轴连接器处终止的收发器的同轴电缆或传输线，其可以被直接对接耦合（butt coup 1 ed)至在罐的顶部的公开的親合器件的馈通。如上文指出的，无论哪种情况，馈通可以 具有50至100 Ω的阻抗。
[0012] 在操作中，单个导体探针将发射的信号从收发器朝着产品的表面引导，并且反向 朝着收发器返回包括由发射的信号在所述产品表面处的反射或散射所产生的表面回波信 号的信号。收发器包括用于基于分析表面回波信号来确定产品填充水平的处理器(例如，数 字信号处理器或微控制器单元(MCU))。
[0013] 所公开的耦合器件包括馈通，其具有通过PCBA上在连接至收发器的同轴连接器 (其可以直接对接耦合至馈通)处终止的同轴电缆或传输线的内导体连接至收发器时钟的 外金属套管和内导体，亚波长CTL，然后MC被耦合至收发器。公开的亚波长CTL中使用的术语 "亚波长"指的是比在系统操作期间的雷达信号在探针中传播的波长更小的长度。例如，如 果时域中的雷达脉冲宽度具有大约0.5ns的持续时间，则一个人可以认为中心操作频率在 2GHz以下，并且波长(λ)(在其中^=1的空气中）则高于15cm。在宽带询问脉冲的情况下，借 助于该宽带的中心频率来计算相关联的波长。
[0014] 亚波长CTL通常具有从λ/5至λ/2的长度。亚波长CTL可以具有提供相对于馈通的阻 抗的3%至20%的阻抗失配的阻抗。作为示例，对于馈通的50 Ω同轴的情况，亚波长CTL可以 具有35至48欧姆或52至65欧姆的阻抗以产生通常理想的基准反射，并且包括其导体之间的 电介质。MC具有连接至亚波长CTL的外导体的多个长度2λ± 20%的金属指并且包括连接至 亚波长CTL的内导体的其内导体上的介电涂层。
[0015] MC可操作用于帮助将电场线和电磁能量限制到MC的口（内导体）。馈通的金属套 管、亚波长CTL的外导体和MC的多个金属指可以全部由材料共用件(piece)制成，并且因此 被整体地且电气地连接在一起，这允许在本文将所公开的耦合器件的此实施例称为具有整 体(monolithic)形式，并且其可以包括设计成在亚波长传输线上终止的符合50 Ω (或其它） 阻抗并密封在一起的多个不同的电介质、具有金属指的MC、然后是包括逐渐减少的介电涂 层的阻抗适配（匹配）区域。如上文所指出的，公开的耦合器件的设计中的类似方法针对耦 合至PCBA上在同轴连接器处终止的传输线的收发器的情况来执行，该同轴连接器被对接耦 合至公开的耦合器件的公开的馈通。
【附图说明】
[0016] 图1描绘了根据示例性实施例的具有在带有罐口的罐的顶部的用于由法兰和罐口 形成的过程连接的示例耦合器件(包括馈通、亚波长CTL、具有多个金属指的MC和可选的逐 渐减少的介电涂层)的雷达水平计量系统连同从罐口的顶部的沿着探针的长度阻抗图（图1 的右侧），其表明平滑的改进的阻抗转变和从馈通到自由空间阻抗的匹配。
[0017] 图2描述根据示例性实施例的具有无罐口罐的顶部处针对穿过过程连接的示例耦 合器件(包括馈通、亚波长CTL、模式转换器和可选的逐渐减少的介电涂层)的雷达水平计量 系统连同从罐口的顶部的沿着探针的长度的阻抗图（在图2的右侧），其表明与示出的已知 技术耦合装置相比的改进的阻抗匹配。
[0018]图3是根据示例性实施例的示例性親合器件的混合图(hybrid view)，所述示例性 耦合器件具有带有在耦合器件的MC上终止的设计成符合50至100 Ω阻抗并堆叠在一起的多 个不同电介质的堆叠的整体馈通，适合于罐口或无罐口的罐，所述混合图包括表明整体馈 通的截面描绘。
【具体实施方式】
[0019] 参考附图来描述所公开的实施例，其中遍及各图使用相似的参考数字来指定类似 或等同的元件。各图并未按比例绘制，并且它们仅被提供来示出某些公开的方面。下面参考 示例性应用来描述几个所公开的方面以进行说明。应理解的是阐述大量的具体细节、关系 和方法来提供对所公开实施例的全面理解。
[0020] 然而，相关领域的普通技术人员将容易地认识到本文公开的主题可以在没有一个 或多个具体细节的情况下或者用其它方法来实施。在其它实例中，公知的结构或操作并未 被详细地示出，以避免使某些方面含糊难懂。此公开不被动作或事件的示出顺序限制，因为 一些动作可以以不同的顺序发生和/或与其它动作或事件同时发生。此外，并不要求所有示 出的动作或事件来实施根据本文公开的实施例的方法。
[0021] 所公开的实施例提供用于将PCBA上的同轴电缆/传输线耦合至GWR探针的耦合器 件，其在水平测量时为具有罐口的罐消除来自罐的顶部的有害影响（例如，回波)和来自罐 口几何形状的类似于振铃的影响或至少在很大程度上将其最小化。对于具有罐口的罐，罐 口内和在罐的输入处的探针阻抗的公开的设计使振铃效应和相应的在罐的顶部的所谓"盲 区"最小化，其中由于来自罐口开端和末端和/或罐的顶部的可以"淹没"感兴趣的反射信号 的多个反射，GWR物位变送器不能测量罐中产品的水平或者两个产品之间的界面。此外，由 于降低的模式转换损耗、包含罐口的罐中的最小化的振铃效应以及沿着E-Μ波的整个传播 链的改进的阻抗匹配(参见下面描述的图1和图2中的阻抗图），最大测量范围被增加。
[0022]图1描绘了根据示例实施例的包括用于具有罐口 12的罐40的示例耦合器件(3、5、6 以及可选地11)的雷达水平计量系统100,其中50 Ω的馈通3和同轴电缆或者具体实施为50 Ω同轴电缆的其它传输线连接器2可以被在一个特定实施例中使用。如下面所描述的，通过 改进TEM-TM模式转换和沿着波导探针的阻抗匹配，具有带有金属指的MC以及可选地还有逐 渐减少的电介质区域的公开的耦合器件允许GWR探针达到最大水平测量范围和最小的上盲 区。CTL5、MC6以及逐渐减少的介电涂层11将"屏蔽"对沿着单个导体探针10的E-Μ传播的罐 口影响，并且因此将帮助使较高直径罐口对高阶模式形成的影响最小化，并且因此将此类 罐口几何形状所特定的振铃效应最小化。
[0023]耦合器件用于由法兰4和罐口 12形成的到同轴电缆2或其它连接器(诸如PCBA上的 连接至收发器1的传输线）的过程连接。作为示例，耦合器件包括具有50欧姆± 5欧姆的阻抗 的馈通3、具有从λ/5至λ/2长度的可以具有35至48欧姆或52至65欧姆(针对基准）的阻抗的 亚波长CTL5、以及具有从形成亚波长CTL 5的外导体的金属套管延伸的长度2λ± 20%的多 个金属指(7)的MC 6和可选的逐渐减少的介电涂层11。在一个实施例中，相同的介电材料可 以被用于由共用(单个，整体的）的介电块制成的子波长CTL 5、MC6和逐渐减少的区域11，其 被穿过(thread)到馈通3、子波长CTL5和MC6的共用金属套管(如下面描述的图3中示出的）。 这里，λ与系统1 〇〇的操作中使用的询问脉冲带宽的中心频率和其中E-Μ波传播的特定电介 质中的光速相关联。
[0024]在基于收发器1和过程连接之间的50 Ω传输线的GWR系统的情况下，亚波长CTL 5 可以具有稍微高于或低于50欧姆的阻抗，使得产生的反射信号可以被用作基准。亚波长CTL 5的金属套管可以是包括馈通3和金属指7的耦合器件的整体金属套管的一部分，从而不需 要针对组装的另外的焊接(或其它附件）。亚波长CTL5的电介质厚度及其介电常数可以被选 择成使得CTL5阻抗高于或低于50 Ω，以提供用作水平测量的时间参考的受控且最小的反射 基准雷达信号。
[0025] MC 6包括介电涂层58。具有多个金属指7的MC 6与传统的经典外展喇叭MC非常不 同。如上面指出的，公开的金属指7的长度是2人±20%。1?： 6包括内导体(单个探针）、均匀厚 度电介质，其中MC 6的多个金属指7将形成无角模式转换器，由于缺乏针对外展锥形喇机的 情况发生的横向扩大，这甚至可以被用于低直径罐口。MC 6的金属指7通常全部整体地连接 至亚波长CTL 5和馈通3的外导体。因此，MC6可以是包括馈通3、亚波长CTL5和MC6的整体耦 合器件的主要部分，整体耦合器件包含由单件金属材料制成的共用金属套管。
[0026]已经发现具有多个金属指7的MC 6执行同轴线所特定的横电磁(ΤΕΜ)模到在探针 的引导下传播的表面波所特定的横磁(ΤΜ)模的转换。虽然MC 6的金属指7被示为多个三角 形金属指(7)，但是金属指可以呈现其它形状，包括矩形指或波纹三角形或波纹矩形指。
[0027] 逐渐减少的介电涂层11具有大约2λ的长度，诸如2λ±20%。因为认识到大部分电 磁能量不被限制到探针的中心，所以因为逐渐减少的介电涂层11提供重要的MC功能，其改 进了测量性能。示出了从罐口 12的顶部沿着图1的右侧的探针的长度的阻抗图，其表明与其 中单个导体探针在罐口下面具有逐渐减少的介电涂层的已知技术耦合装置相比的平滑的 阻抗转变和改进的阻抗匹配。
[0028] 在操作中，如图1中所示，沿着MC 6,表面波使阻抗从其由CTL5给定的值逐渐增加 至较高值，而几乎没有来自罐口几何形状的任何影响。为了进一步朝着大约377 Ω的自由空 间阻抗改进阻抗适配，并使罐口和罐的上金属部分的影响最小化，上面为了覆盖亚波长 CTL5和MC 6的内导体而使用的电介质被示为渐渐地(单调地)逐渐减少的介电涂层11，其具 有大约2λ的长度。如上面在一个实施例中指出的，用于亚波长CTL5、MC 6和逐渐减少介电涂 层11的电介质可以全部由相同介电材料制成，并且因此采用介电材料的单件的形式。沿着 这个逐渐减少的介电涂层11，产品水平已经可以被检测。
[0029]因此，其中产品水平不能被测量的馈通3下的耦合器件的总长度等于大约2.5λ，这 意味着对于等于2的介电常数为大约26.5cm(大约10"），并且对于等于10的亚波长CTL5、MC6 和逐渐减少的介电涂层11中的介电材料的介电常数为大约11.8cm(大约4.5"）。在最后的情 况下，这意味着在大约4英寸至6英寸长度的罐口的情况下，如果一个人考虑用于公开的探 针连接设计的盲区相对于已知技术可以被显著降低，则几乎整个罐可用于水平测量。
[0030] 此外，例如，对于基于收发器1和馈通3之间的50 Ω传输线的GWR系统的情况，具有 公开的耦合器件的GWR探针通过存在亚波长CTL 5和MC 6而基本上消除了由于较高直径罐 口引起的振铃效应并减小了模式转换损耗以及阻抗失配损耗，示出了具有从50 Ω的馈通到 自由空间的377 Ω的逐渐阻抗转变的改进。这个最后结果可以进一步增加 GWR物位变送器的 最大水平测量范围。如下面用同轴电缆或其它传输线连接器(2)、50-100 Ω阻抗穿过馈通 3'、亚波长CTL5、M6和可选的逐渐减少的电介质11描述的，对于将物位变送器的电子块耦合 至位于缺少罐口的罐中的探针的情况，获得类似的优点。
[0031] 图2描述了具有在无罐口罐40'的顶部用于穿过过程连接的示例耦合器件的雷达 水平计量系统200(包括穿过馈通3'、亚波长CTL5、具有多个金属指7的MC 6和可选的逐渐减 少的介电涂层11)连同从罐口的顶部沿着探针的长度的阻抗图（在图2的右侧）。示出的阻抗 图表明了与已知技术耦合装置的突然阻抗转变相比的"示例发明"的平滑的阻抗转变以及 因此的改进的阻抗匹配，所述已知技术耦合装置被示为针对作为同轴电缆或其它传输线连 接器的50 Ω同轴电缆以及馈通3的50 Ω的阻抗的已知技术(没有逐渐减少的电介质）。公开 的方法的另一关键效应可以是罐口几何形状和/或罐的顶部对模式转换和波阻抗的有害影 响的消除（或者至少显著减少）。在实际水平，一个人可以达到其中耦合器件的相同类型和 尺寸可以被用于全部类型和尺寸的罐口几何形状或与不同罐的穿过过程连接的情况，并且 还避免来自不同罐口几何形状的振铃效应和阻抗失配。
[0032] 通过从CTL5的阻抗至自由空间中的单个导体探针10的阻抗(377欧姆）的光滑阻抗 变化能够实现由图2中的示例发明示出的改进。另一方面，在已知技术中，对于穿过过程连 接的情况，存在从馈通的50欧姆阻抗至大约377欧姆的自由空间中的单个导体探针的阻抗 的突然阻抗变化，具有通常在探针的第一 5至10cm中的最高阻抗变化，或者在馈通3附近的 阻抗的基本阶跃变化(step-change)。现有技术的此类急剧阻抗转变产生来自罐顶部的巨 大回波，因而限制了最大测量范围并增加了盲区的长度。
[0033] 图3是根据示例实施例的，具有在包括亚波长CTL 5和具有金属指7的MC 6的耦合 器件的其它部件上终止的整体馈通3'的示例耦合器件300的混合(顶部截面）图，包括表明 整体馈通3'的上部的截面描绘。作为示例，耦合器件300包括标称50 Ω的馈通3'，其具有示 出为五(5)个电介质（电介质51号至55号）的多个电介质的堆叠、亚波长CTL 5(例如，大约50 Ω的阻抗）、具有金属指7的MC 6、以及具有逐渐减少的介电涂层11的阻抗转变区域，在没有 罐口或罐几何形状的影响的情况下，全部一起有效地形成了从大约50Ω至377 Ω的自由空 间阻抗的平滑阻抗转变。如上文指出的，耦合器件可以被配置有共用(整体)外金属套管，消 除了对部件块之间焊接的需要。
[0034] 图3中示出的馈通3'具有从耦合器件的金属套管获得的其外导体，并且内导体是 单个导体探针的上部分，同时介电元件(电介质51号至55号）的顺序根据材料选择并根据几 何形状设计，从而沿着整个馈通3 '保持50 Ω的阻抗。相应的电介质通常被堆叠在一起，并且 可以被密封，诸如例如使用VIT0N(氟橡胶)环。VIT0N环中的一些可以在内导体圆周上进行 密封，而其它VIT0N环可以在金属套管的内部上进行密封。
[0035] 对于100 Ω的馈通3或者任何其它阻抗的馈通3,类似的设计方法可以被遵循。通过 考虑导体直径和上面描述的电介质的类型及其介电常数，设计长度为λ/5至λ/2的亚波长 CTL 5以获得稍微低于或高于50 Ω的阻抗值。
[0036]在此示例中，馈通3'被构建成充当具有标称50 Ω阻抗的CTL。根据上面提到的CTL 的阻抗公式，从在其每个部分中的馈通3的实质性的50 Ω的阻抗的要求开始来进行内导体 和外导体的直径的设计以及位于两个导体之间的介电材料的选择。馈通3'的电介质51-55 号被设计成符合50 Ω的阻抗并有助于诸如使用〇型环(未示出）密封在一起。电介质51和52 号通过耦合器件300的上侧被安装，而电介质53-55号通过耦合器件300的下侧被安装。关于 组装，由馈通和探针制成的串联组装可以如下来完成：下电介质53-55被首先组装，然后添 加内导体(探针）1〇,并最终插入顶部电介质51和52,其将被连接至通向收发器1的同轴电缆 或其它传输线连接器2。
[0037]如上所述，在50 Ω馈通的情况下，亚波长CTL 5可以被设计成具有稍微高于或低于 50 Ω的阻抗。在图3中，内导体和外导体的直径相对于馈通3'被保持恒定，同时亚波长CTL 5 的电介质58被增加至介电常数的较高值，从而获得亚波长CTL 5的阻抗的减小。例如，如果 馈通3'的电介质55号是特氟纶(介电常数= 2.1)，则亚波长CTL 5的电介质58号可以是具有 介电常数=3.3的PEEK?。这将给出亚波长CTL 5并且阻抗等于大约40Ω。在亚波长CTL 5的 其它情况下，内导体的直径可以被稍微减小，并且外导体的直径可以被增加，同时电介质的 介电常数可以比被称为特氟纶的普通聚四氟乙烯(PTFE)的介电常数更小，以便获得例如70 Ω的亚波长CTL 5。
[0038] 亚波长CTL 5的电介质58可以是长度从λ/5直至λ/2的圆柱形管，如上所述，其可以 以长度大约2λ的MC6的电介质继续并且在长度大约2λ的逐渐减少的电介质11的逐渐减少 (圆锥)区域上终止。亚波长CTL5的电介质58的圆柱形区域可以被穿过至馈通3'的金属套管 以使其紧紧保持至整个耦合器件300的外导体(金属套管）。在逐渐减少的电介质11的输出 处，探针10的上段被示出为在界面83处连接至长的单个导体探针88(未示出为长的），诸如 通过焊接、用螺丝拧紧等。耦合器件300可以被焊接至金属法兰，金属法兰然后连接且密封 至罐法兰(未示出）。除了焊接法兰之外，具有法兰上的管螺纹，或者其它接合装置也是可能 的。
[0039] 对于50 Ω的馈通3以及MC6的电介质和逐渐减少区域的电介质的情况，将内径和外 径保持在馈通3'中的一个方法是选择具有较高介电常数的电介质，诸如例如PEEK?的聚芳 基醚酮(PAEK)族中的热塑性塑料(在1MHz下介电常数大约3.3)，其将提供具有大约40欧姆 的阻抗的亚波长CTL 5。如上所述，具有金属指7的MC 6可以通过从耦合器件的外导体去除 多个三角形元件而形成，而长度等于大约2λ的剩余的金属指与下面的管状电介质（均匀厚 度)紧密接触。阻抗适配的最终区域由探针周围的逐渐减少的电介质11形成，具有大约2λ的 长度。如上所述，用于亚波长CTL 5、MC 6的圆柱形电介质和用于阻抗适配的逐渐减少的介 电涂层11可以由相同的（单个的、整体的）介电块(例如PEEK?)制成，并且此介电部分可以通 过圆柱形区周围的穿过区域而被紧紧地插入在耦合器件中。
[0040] 耦合器件300可以被用于诸如具有罐口的罐40 (图1)的罐和诸如提供有穿过过程 连接的罐40'（图2)的无罐口的罐两者。在第二个情况下，耦合器件3'在其外侧上穿过。仅针 对其中想要低损耗电磁传输的应用的情况，耦合器件3'的替代的"非整体"构造是在这样的 情况下，即馈通3'被分开构建为一件，而亚波长CTL5、具有金属指7的MC 6、逐渐减少的电介 质11被构建为第二分开的件，并且这两件通过不同的方式（穿过、焊接)被互相连接。因此， GWR物位变送器的成本可以被微调至水平范围测量。
[0041] 关于公开的耦合器件的频率设计，亚波长CTL5、MC 6和阻抗适配器11的长度都直 接与用于水平测量的脉冲信号的带宽所关联的中心操作频率相关联。因此，其设计以操作 中心频率来确定比例(scale)。
[0042] 波长(λ)通过公知公式:λ = ν/?·与询问脉冲带宽的操作中心频率相关，其中v是具 有相对电容率(介电常数)和相对磁导率的介质中的光速，并且f是电磁信号的频率。 v = v〇/((er*yr))1/2,其中v。是真空和空气中的光速(300,000Km/s)。
[0043]亚波长CTL 5的长度可以被选择成使得从同轴电缆或其它传输线连接器2(例如， PCBA上在对接耦合至馈通的同轴连接器上终止的50 Ω传输线）和大约40 Ω的CTL 5之间的 阻抗失配反射的时间参考信号(基准脉冲）的宽度比通过亚波长CTL 5的波传播时间更小。 类似的设计可以被用于馈通3的100 Ω阻抗。如上所述，亚波长CTL 5的最大长度通常为大约 λ/2〇
[0044] MC 6的长度应当通常等于几个波长。2λ的值是简单的示例。在一方面考虑其长度 和MC效率之间的关系并且另一方面考虑金属指7的数目之后，应当获得MC6的长度的确切 值。
[0045] 类似地，逐渐减少的电介质11的长度通常应当等于几个波长。沿着此距离，表面波 的ΤΜ模(Ηζ = 0、Εζ辛0)传输能量将在径向上逐渐扩展至在探针的引导下的自由空间传播所 特定的值。在逐渐减少的介电涂层11的末端，获得自由空间所特定的377 Ω的阻抗。如上所 述，长度被公开为= 2λ，但是确切的值也可以在作为这个值的函数的耦合器件的效率的最 大化之后获得。如上所述，为了计算逐渐减少的介电涂层11的长度，一个人可以使用PEEK? 聚合物所特定的3.3的介电常数。例如，如果时域中的脉冲宽度具有大约0.5ns的持续时间， 则一个人可以考虑中心操作频率低于2GHz。
[0046]虽然上文已经描述了各种公开的实施例，但是应该理解的是它们仅已作为示例被 呈现，并且不是限制。可以根据本公开进行这里公开主题的许多改变，而不偏离本公开的精 神或范围。此外，虽然特定特征可能已相对于几个实施方式中的仅一个被公开，但是此类特 征可以与其它实施方式的一个或多个其它特征组合，这对于任何给定或特定应用而言可能 是希望的和有利的。
【主权项】
1. 一种用于阻抗匹配导波雷达(GWR)系统（100)的耦合器件(3、5、6)，包括： 在内导体（10)上的电介质上具有外金属套管的罐(40)的馈通(3)，所述馈通用于连接 至包括连接至收发器(1)的输出的内导体和连接至所述外金属套管的外导体的同轴电缆或 其它传输线连接器(2); 具有从λ/5至λ/2长度的耦合至所述馈通的亚波长同轴传输线(CTL)(5)，包括连接至所 述馈通的所述内导体的内导体和连接至所述外金属套管的外导体，并且所述亚波长同轴传 输线(CTL)(5)包括它的所述内导体和所述外导体之间的电介质；以及 具有长度为2λ±百分之二十的连接至所述亚波长CTL的所述外导体的多个金属指（7) 的模式转换器(MC)(6)，所述MC包括连接至所述亚波长CTL的所述内导体的其内导体上的介 电涂层(58)。2. 根据权利要求1所述的耦合器件，其中所述亚波长CTL具有提供相对于所述馈通的阻 抗的3 %至20 %的阻抗失配的阻抗。3. 根据权利要求1所述的耦合器件，进一步包括阻抗匹配区域，所述阻抗匹配区域包括 沿着其长度在厚度上单调地减少的逐渐减少的介电涂层（11)，具有围绕连接至所述MC的所 述内导体的内导体的至少2λ的长度。4. 根据权利要求1所述的耦合器件，其中所述罐是无罐口的，并且其中所述馈通是穿过 的馈通(3'）。5. 根据权利要求4所述的耦合器件，其中所述穿过的馈通包括堆叠在一起的多个不同 的电介质(51、52、53、54、55)。6. 根据权利要求3所述的耦合器件，其中用于所述亚波长CTL、所述MC和所述逐渐减少 的介电涂层的介电材料是所述介电材料的单个共用件的所有部分。7. -种用于阻抗匹配导波雷达(GWR)系统（100)的耦合器件(3、5、6)，包括： 在内导体（10)上的电介质上具有外金属套管的馈通(3)，所述馈通用于连接至包括连 接至收发器(1)的输出的内导体和连接至所述外金属套管的外导体的同轴电缆或其它传输 线连接器(2); 具有从λ/5至λ/2长度的耦合至所述馈通的亚波长同轴传输线(CTL)(5)，包括连接至所 述馈通的所述内导体的内导体和连接至所述外金属套管的外导体，并且包括其所述内导体 和所述外导体之间的电介质； 模式转换器(MC) (6)，具有2λ±百分之二十长度的连接至所述亚波长CTL的所述外导体 的多个金属指(7)，所述MC包括连接至所述亚波长CTL的所述内导体的其内导体上的介电涂 层(58)，以及 阻抗匹配区域，包括沿着其长度在厚度上单调减少的逐渐减少的介电涂层（11)，具有 围绕连接至所述MC的所述内导体的内导体的至少2λ的长度。8. -种用于确定罐中产品材料的填充水平的导波雷达(GWR)系统（100 )，包括： 在所述罐外部用于产生、发射和接收雷达信号的收发器(1); 在所述罐内部经由同轴电缆或其它传输线连接器(2)电连接至所述收发器的单个导体 探针（10)，以及 沿着所述单个导体探针的一部分延伸的用于阻抗匹配所述GWR系统的耦合器件（3、5、 6)，包括： 在内导体上的电介质上具有外金属套管的馈通(3)，所述馈通用于连接至包括连接至 所述收发器的输出的内导体和连接至所述外金属套管的外导体的所述同轴电缆或其它传 输线连接器； 具有从λ/5至λ/2长度的耦合至所述馈通的亚波长同轴传输线(CTL)(5)，包括连接至所 述馈通的所述内导体的内导体和连接至所述外金属套管的外导体，并且包括其所述内导体 和所述外导体之间的电介质；以及 具有长度为2λ±百分之二十的连接至所述亚波长CTL的所述外导体的多个金属指（7) 的模式转换器(MC)(6)，所述MC包括连接至所述亚波长CTL的所述内导体的其内导体上的介 电涂层(58)， 用于将发射信号从所述收发器朝向所述产品材料的表面引导并且用于返回由所述发 射信号在所述表面反向朝着所述收发器的反射产生的表面回波信号的所述单个导体探针 (10)，以及 连接至所述收发器的用于基于所述表面回波信号确定所述填充水平的处理器(80)。9. 根据权利要求8所述的系统，其中所述亚波长CTL具有提供相对于所述馈通的阻抗的 3 %至20 %的阻抗失配的阻抗。10. 根据权利要求8所述的系统，进一步包括阻抗匹配区域，所述阻抗匹配区域包括沿 着其长度在厚度上单调减少的逐渐减少的介电涂层（11)，具有围绕连接至所述MC的所述内 导体的内导体的至少2λ的长度。11. 根据权利要求11所述的系统，其中所述罐没有罐口，并且其中所述馈通是穿过的馈 通(3，）。12. 根据权利要求11所述的系统，其中所述穿过的馈通包括多个不同电介质（51、52、 53、54、55)的堆叠。13. 根据权利要求10所述的系统，其中用于所述亚波长CTL、所述MC和所述逐渐减少的 介电涂层的介电材料是所述介电材料的单个共用件的所有部分。
【文档编号】H01P5/00GK105980879SQ201480069593
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2014年11月20日
【发明人】C·科比亚努, I·乔治斯库, M·K·Y·休斯, S·J·希思, F·M·黑兰
【申请人】霍尼韦尔国际公司