具有作为盖的陶瓷片的贴片天线的制作方法

文档序号:6886960
专利名称:具有作为盖的陶瓷片的贴片天线的制作方法
技术领域
本发明涉及料位测量。本发明尤其是涉及一种用于料位雷达的具有处 理隔离部(Prozesstrennung)的平面天线、 一种具有平面天线的料位雷达 以及一种将这种平面天线用于料位测量的应用。
背景技术
在料位测量技术中有许多应用,其中存在高温或者高压。过程温度例 如可以达到400°C。压力可以达到160巴或者更高的值。
为了能够在这些应用中借助雷达传感器来测量料位,处理端子(即天 线)必须构建为使得其经受住这样的温度或压力而不受损。对此通常使用 如陶瓷、玻璃或者不锈钢的材料。
在已知的传感器中用作天线填充物或者密封物的塑料首先不能耐受 高温。这些塑料材料例如是聚四氟乙烯(PTFE)或者聚醚醚酮(PEEK)。
如果要用陶瓷或者玻璃替代这些塑料,则由于陶瓷和玻璃的高的介电 常数Sr,在雷达传感器的较高的发射频率的情况下不能容易地达到目的。
一方面,尺寸变得非常小,而另一方面由于周围的空气和Sr大的差而 使高频特性劣化。
这在6GHz附近的频率的情况下已导致问题,并且特别是在邻近区域 中,传感器的灵敏度会极大地降低。在图1中示出了这种传感器。
处理隔离部的另一种可能性在于将陶瓷片用作波导中的窗。在此,厚 度为发射频率的半波长(或者半波长的整数倍)的片用作波导中的"窗"。这在图2中示出。然而,由于片的高Sr, >11射强烈到使得在此由于在邻近 区域中的多次反射而也会强烈地降低灵敏度。

发明内容
本发明的任务是提出一种具有改进的处理隔离部的平面天线。
根据本发明的一个实施例,提出了一种用于测量料位的料位雷达的、 具有处理隔离部的平面天线,其中该平面天线具有平面的辐射元件,用于 朝着天线的外部区域辐射电磁发射信号,以及具有片状的处理隔离部,用 于使天线的外部区域与天线的内部区域隔离,其中片状的处理隔离部设置 在平面的辐射元件与外部区域之间。
平面的辐射元件于是位于片状的处理隔离部的(内侧)背面,并且因 此将发射信号通过处理隔离部辐射进天线的外部区域中。因为辐射元件由 此位于通过处理隔离部对外密封的天线的内部,所以形成了天线的高化学 耐受性以及改进的高频特性。
根据本发明的另一实施例,处理隔离部实施为陶瓷片或者玻璃片。
陶瓷和玻璃都耐受提高的温度和压力,而不会受损。
平面的辐射元件例如可以以结构化的金属化物的形式在片状的处理 隔离部的背面实施。
根据本发明的另一实施例,平面天线还包括金属壁,作为平面辐射元 件的接地面,其中金属壁与平面的辐射元件间隔地设置。
根据本发明的另 一实施例,在金属壁与处理隔离部之间存在气体或者 真空。
通过在金属壁与处理隔离部之间的中间区域中使用具有低介电常数 的介质(或者通过使用真空),天线的带宽得到最大值。
根据本发明的另一实施例,处理隔离部具有如下厚度该厚度对应于 电磁发射信号的半波长的整数倍。
由此,可以降低发射信号的由于处理隔离部而引起的损耗或者干扰。
根据本发明的另 一实施例,平面天线还包括在天线的内部区域中环绕 的边缘,用于支持处理隔离部反抗来自外部的压力。
例如,天线具有壳体和多个密封环,这些密封环在环绕的边缘、处理隔离部和壳体之间提供密封。
以这样的方式提供了能够简单制造但仍非常强健的天线装置,该天线 装置即使在高压力差时也保证了处理隔离。
根据本发明的另一实施例,密封环实施为石墨环。石墨尤其是良好地 适于对处理隔离部的密封,因为石墨环由于其可压缩性而几乎完全填满了 要密封的部分之间的间隙,并且此外也能导电并且由此也能够保证电连 接。在常用的由弹性体构成的密封环的情况下,形成了以介电方式填充的 空间,该空间会妨碍高频的传播。此外,石墨极其耐高温和耐多种化学物 质。
根据本发明的另一实施例,密封环分别具有如下宽度该宽度对应于 电磁发射信号的半波长。
这导致在由石墨环和壳体的朝着处理隔离部的面形成的、长度为A72 (即半波长)的"短截线(Stichleitung)"的端部上的短路反映为侧壁上的 近似短路,并且因此至外壁中的穿入好像不存在。
根据本发明的另 一实施例,在天线的内部区域中的环绕的边缘实施为 金属环,其中处理隔离部被熔融、烧结或者收缩到金属环中。
根据本发明的另 一实施例,在片状的处理隔离部上设置有锥体状的突 出部,以4更有利于液体的滴落。
通过这样的方式,可以减低处理隔离部的外部区域的沾污。
根据本发明的另 一实施例,平面天线还包括至微波模块的高频端子, 其中高频端子实施为同轴输入端。
例如,同轴端子可以包括玻璃熔融物,该玻璃熔融物是在易爆区域中 的可靠的区域隔离。
根据本发明的另一实施例,高频端子实施为带有波导的耦合器。 因此,通过带有波导的耦合器可以激励各个辐射元件。
根据本发明的另一实施例,设置有至少一个另外的平面辐射元件,该 辐射元件与第 一辐射元件一 同构成贴片天线。
于是在此涉及两个或者整数多个的平面辐射元件,这些平面辐射元件 设置在处理隔离部的背面并且共同产生发射信号。
所有已知的形状,如矩形、三角形或者圓形都适于作为辐射元件。根据本发明的另 一实施例,平面天线包括天线喇叭(Antennenhorn ), 该天线喇p八设置在平面天线的外部区域中,其中平面辐射元件彼此电连 接,使得它们形成阵列。
根据本发明的另一实施例,平面天线还包括波导,该波导设置在平面 天线的外部区域中,其中平面辐射元件和波导一起作用,使得在平面天线 工作时将电磁的发射信号耦合输入到波导中。
随后在波导上例如又可以连接天线。
根据本发明的另一实施例,给出了一种用于确定罐中的料位的料位雷 达,该料位雷达包括如上面所描述的平面天线。
此外,给出了将上面所描述的平面天线用于料位测量的应用。
由从属权利要求中得到本发明的另外的实施例和优点。


以下参照附图来描述本发明的优选的实施例。
图1示出了具有由介电体构成的匹配锥体的喇叭天线的示意图。
图2示出了具有由介电体构成的窗的喇叭天线的示意图。
图3示出了才艮据本发明的一个实施例的平面天线的示意图。
图4示出了才艮据本发明的另一实施例的平面天线的示意图。
图5示出了才艮据本发明的另一实施例的平面天线的示意图。
图6示出了才艮据本发明的另一实施例的平面天线的辐射元件阵列的 示意图。
图7示出了才艮据本发明的一个实施例的具有天线喇叭的平面天线。
图8示出了根据本发明的一个实施例的具有波导的平面天线。
图9示出了根据本发明的一个实施例的料位雷达的示意图。
图10示出了根据本发明的另 一实施例的具有锥体状的凹进部分1001 的平面天线的示意图。
附图中的图示是示意性的而非合乎比例的。
具体实施例方式
在以下的附图描述中,对于相同或者相似的元件使用了相同的参考数字。
图1示出了具有由介电体构成的匹配锥体102的喇叭天线101的示意 图。电磁发射信号在此通过波导103和匹配锥体102导入喇叭天线101中, 并且随后朝着填料辐射。如果由介电体构成的匹配锥体102要实施为针对 高温和高压的处理隔离部,则其必须具有相应的耐高温性和抗压性。该匹 配锥体因此不能由塑料来实施,塑料在提高的温度的情况下会熔化。然而, 如果由耐高温的材料如陶瓷或者玻璃来实施匹配锥体102,则由于陶资或 者玻璃材料的高的介电常数而会在信号传输中出现问题。由此会使高频特 性劣化。此外,尺寸必须选择得相应小。
图2示出了具有作为处理隔离部的、由介电体构成的窗201和波导 103的喇叭天线101的示意图。由于窗201的高的介电常数而形成了强烈 的反射,使得由于在邻近区域中的多次反射而强烈地降低天线装置的灵敏 度。
图3示出了才艮据本发明的一个实施例的平面天线300的示意图。该平 面天线300具有作为处理隔离部的陶瓷片302。在陶资片302的背面上施 加有结构化的金属化物形式的平面辐射元件301、 311。此外,设置有金 属的背壁305。
于是平面的天线结构301、 311被施加到陶瓷片或者玻璃片302上。 该结构由导电的材料构成,并且可以是单个的贴片辐射器301或者由多个 单个贴片301、 311构成的阵列。
辐射元件301、 311产生波长为入的电>^发射信号316,该信号通过片 302朝着填料辐射。
金属化物由于化学耐受性以及更好的高频特征而位于与处理背离的 侧304上。
间隔的金属壁305用作贴片结构的接地面。在接地面305与在陶资片 302上的结构301、 311之间存在例如气体(例如空气)或者真空,因为 由于气体或者真空的低介电常数而使天线300的带宽获得最大值。
在该中间区域314中使用(具有较高的介电常数的)介电体也是可能 的。由此减小了带宽。为了使干扰最小化,陶瓷片302具有NxA/2 (N-l, 2, 3, 4...)的 厚度。
该结构具有一些优点,例如在使用高品质的陶瓷时的高的化学抵抗性 和高的温度可承受性,以及高的压力可承受性。
图4示出了具有支承环306的平面天线的示意图。
片302抗压力的支承可以以不同的方式来实现。最简单的方式是在玻 璃片或者陶瓷片302的背壁上的环绕的边缘或者支承环306。该支承环306 为片302提供了环形的支承。
在边缘306、片302和壳体309之间的密封例如借助两个石墨环307、 308来实现,该石墨环安装在片302之前和之后。对石墨环307、 308预 压所需的力可以通过背壁与壳体309之间的螺紋来施加。
针对石墨环307、 308的宽度b315,例如可选择为待传输的频率的波 长X的一半。这导致,在由石墨环和壳体309的朝着陶瓷的面形成的长度 为b = X/2的"短截线,,的端部上的短路317反映为侧壁上的近似短路318, 并且因此至外壁中的穿入好像不存在。
以下方法提供了片302的密封的其他可能性 -熔融到金属环中(例如在玻璃的情况下); -烧结到金属环中(例如在陶瓷的情况下);以及 -收缩到金属环中。
例如接着可以将这样形成的部件焊接到另外的金属零件上。
图5示出了根据本发明的另一实施例的平面天线的示意图。为了获得 玻璃片或者陶瓷片302上的更好的滴落特性,附加地可以将锥体状的突出 部501安装到片302上。如果在这样的情况下在片的下侧上形成冷凝物, 则冷凝物可以在斜面上朝着中心流去,并且当冷凝物聚集足够多时,从那 里滴落。锥体状的突出部501也可以相反地构建,佳_得冷凝物在外面的环 上聚集。陶瓷片302同样可以在朝着处理的侧上具有锥体状的凹进部分 1001,由此冷凝物可以朝着陶瓷片302的外环流出。这在图10中示出。
至微波模块(未在图中示出)的高频端子在该例子中通过同轴输入端 310来实现。玻璃熔融物可以被引入该同轴端子310中,该玻璃熔融物是 在易爆区域中的可靠的区域隔离物。对此,在内部导体和外部导体之间熔 融有长度为例如3mm的玻璃体。替代同轴端子,各个辐射元件也可以通过带有波导的耦合器来激励。
玻璃片或者陶瓷片302上的结构可以以薄层^支术来施加,或者作为丝 网印刷以厚层才支术来施加。
从上面的实施例中可以导出实现用于料位应用的天线不同的可能性。
单纯的平面天线
单纯的平面实施形式在具有高压力加载的应用的情况下在尺寸上受 限制,因为陶瓷片应保持得尽可能薄,以便能够使其被高频良好地透射。 该实施形式尤其适合于如下的应用其中在高温的情况下仅仅预期有小的 压力,或者大的开口角或者小的天线增益已经足够。该结构在此可以才艮据 图4中所示的结构来实现。
陶瓷片上的结构在此由多个单个的辐射元件301、 311构成,这些辐 射元件一同形成贴片天线。所有已知的形状,如矩形、三角形或者圓形都 适合作为辐射元件。特别地,使用矩形的辐射元件。
喇叭天线的激励
另一实施例是将平面天线用于激励喇叭天线。对此,小数目的单个辐 射器301、 311、 312、 313组合成阵列,如图6中所示。单个辐射器301、 311、 312、 313通it^目应的线路601、 602、 603、 604与高频端子310相 连。整个阵列600根据上面的说明来构建。
装置600于是对应于图7安装到喇叭天线701中。
该装置的优点在于,陶瓷片302能够保持得相对小,并且在相同厚度 的情况下承受更高的压力。此外,可以通过改变喇叭大小而改变天线增益 和整个装置的开口角度,其中具有贴片天线的耦合输入区始终保持相同。
作为波导中的激励器
如图7中相同的装置也可以安装到波导801中,并且因此用作从同轴 线路(高频端子310)至波导801的过渡。这在图8中示出。在波导801 上于是例如又可以连接有喇叭天线。
图9示出了根据本发明的另 一实施例的料位雷达的示意图料位雷达在此具有带有天线喇叭701的平面天线300。天线300被实 施为用于将电磁辐射卯l朝着填料表面卯3发射,以及接#*#表面 卯3上反射的电磁辐射902。
通过将天线实施为具有作为盖的陶瓷片的贴片天线,通过使用材料如 陶瓷、石墨、金属,可以实现整个天线系统和耦合输入装置的高的耐高温 性。此外,併:证了陶瓷片或者玻璃片的高的压力可承受性。此外,通过在 同轴穿通部的区域中的玻璃熔融物,提供了天线的高的化学耐受性和用于 防爆的区域隔离。
用于防爆的区域隔离也可以通过前面的玻璃片的熔融物来提供,在该 玻璃片上施加有天线结构。
权利要求
1. 一种用于测量料位的料位雷达的、具有处理隔离部的平面天线,所述平面天线(300)包括平面辐射元件(301),用于朝着天线(300)的外部区域(303)辐射电磁发射信号;片状处理隔离部(302),用于使天线的外部区域(303)与天线(300)的内部区域(304)隔离;其中片状处理隔离部(302)设置在平面辐射元件(301)与外部区域(303)之间。
2. 根据权利要求l所述的平面天线,其中处理隔离部(302)实施为 陶瓷片或者玻璃片。
3. 根据权利要求1或者2所述的平面天线,还包括 金属壁(305),作为平面辐射元件(301)的接地面; 其中金属壁(305)与平面辐射元件(301)间隔地设置。
4. 根据权利要求3所述的平面天线,其中在金属壁(305)与处理隔 离部(302)之间存在气体或者真空。
5. 根据上述权利要求中任一项所述的平面天线,其中处理隔离部 (302 )具有如下的厚度该厚度对应于电磁发射信号的半波长的整数倍。
6. 根据上i^利要求中任一项所述的平面天线,还包括在天线的内部区域(304)中的环绕的边缘(306),用于支持处理隔 离部(302)对抗压力。
7. 根据权利要求6所述的平面天线,还包括 壳体(309),以及第一密封环(307)和第二密封环(308),用于在环绕的边缘(306)、 处理隔离部(302)和壳体(309)之间提供密封。
8. 根据权利要求7所述的平面天线,其中密封环(307, 308)实施 为石墨环。
9. 根据权利要求7或者8所述的平面天线,其中密封环(307, 308) 分别具有对应于电磁发射信号的半波长的宽度。
10. 根据权利要求6所述的平面天线,其中环绕的边缘(306)在天线的内部区域(304)中实施为金属环; 其中处理隔离部(302)熔融、烧结或者收缩到金属环中。
11. 根据上述权利要求中任一项所述的平面天线,其中锥体状的突出 部(501)设置在片状的处理隔离部(302)上,以便有利于液体的滴落。
12. 根据上述权利要求中任一项所述的平面天线,还包括 至微波模块的高频端子(310);其中高频端子(310)实施为同轴输入端。
13. 根据权利要求12所述的平面天线,其中在高频端子(310)中设 置有玻璃熔融物。
14. 根据上ii^利要求中任一项所述的平面天线,还包括 至微波模块的高频端子(310);其中高频端子(310)实施为带有波导的耦合器。
15. 根据上述权利要求中任一项所述的平面天线,其中设置有至少一个另外的平面辐射元件(311, 312, 313),所述平面辐 射元件与第一辐射元件(301) —同构成贴片天线。
16. 根据上述权利要求中任一项所述的平面天线,还包括天线喇叭(701),其设置在平面天线(300)的外部区域(303)中;其中平面辐射元件(301, 311, 312, 313)彼此电连接,使得它们形 成阵列。
17. 根据权利要求1至15中任一项所述的平面天线,还包括波导(801),其设置在平面天线(300)的外部区域(303)中;其中平面辐射元件和波导一起作用,使得在平面天线工作时将电磁辐 射发射信号耦合输入到波导中。
18. 根据上述权利要求中任一项所述的平面天线,其中平面辐射元件 (301)实施为在处理隔离部的内侧上的结构化的金属化物。
19. 一种用于确定罐中的料位的料位雷达(卯O),该料位雷达(卯0) 包括根据权利要求1至18中任一项所述的平面天线(100 )。
20. —种应用,其中将根据权利要求1至18中任一项所述的平面天 线(100)用于料位测量。
全文摘要
当处理隔离部需要高的温度耐受性时,料位测量技术的领域中已知的、用于天线的处理隔离部会导致在邻近区域中劣化的高频特性或者不希望的多次反射。根据本发明的实施例提供了一种用于料位雷达的具有处理隔离部的平面天线,该平面天线具有耐高温的片状处理隔离部,其设置在平面辐射元件与天线外部区域之间。由此可以提高测量灵敏度。
文档编号H01Q1/22GK101438458SQ200780014604
公开日2009年5月20日 申请日期2007年4月17日 优先权日2006年4月27日
发明者丹尼尔·舒尔特海斯, 于尔根·莫策, 约瑟夫·费伦巴赫 申请人:Vega格里沙贝两合公司
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