泡沫填充的电介质杆式天线的制作方法

公开的实施例涉及用于料位测量的电介质杆式天线。

背景技术：

杆式天线或喇叭式天线通常使用于用于容器或储存箱内的产品的基于微波的料位测量系统，其也可以用于测量不同电介质材料之间的界面。杆式天线具有适合具有小开口或凸缘尺寸以及用于容纳天线的足够高度的储存箱的狭窄并且细长的构造。喇叭式天线与杆式天线相比更宽并且更短。喇叭式天线的优点包括中等的指向性（增益）、低驻波比（SWR）、 宽频带以及简单的构建和调节。

喇叭式天线通常是高压力雷达测量的天线选择。在小的箱开口（小于4英寸或10.2厘米）的情况下，具有这样的小直径的喇叭式天线缺乏增益和半功率射线束宽度（HPBW）以总体上满足所需系统准确性。中空的电介质杆式天线用于高压力雷达测量也是已知的。

技术实现要素：

此概要提供用于以简化的形式介绍公开的概念的简要的选择，在下面其在包括提供的图式的详细说明中进一步描述。此概要不意图限制要求保护的主题的范围。

公开的实施例认识到具有天线性能的用于非接触雷达测量的已知的中空电介质杆式天线，其对于天线的中空部分的内侧上的污染敏感，因此对于公开的实施例，中空部分的开口被封闭以克服其中可能的污染和冷凝。而且，当暴露于高压环境（诸如10巴=7500托=10个大气压，至160巴）时，电介质天线的中空部分可能变形或甚至塌陷。为了克服这些问题，对于公开的实施例，公开的天线的中空部分用泡沫材料填充，该泡沫材料大致具有10GHz下从1大气压的空气介电常数到小于(<) 1.2的介电常数。

公开的天线组合体包括联接到泡沫填充的电介质杆式天线（此后通常称为“泡沫填充的天线”）的馈通。馈通具有包括用于联接到传输线连接器的连接器的输入侧以及附接到储存箱（此后通常称为“箱”）的顶表面或管嘴内的孔口的输出侧。馈通的输出侧包括内腔室。泡沫填充的天线联接到馈通的输出侧，泡沫填充的天线包括在馈通的内腔室中的其突出部的子部分，其中泡沫填充的天线被构造用于将电磁波（例如微波）发射到箱内并且接收从箱内的产品材料的反射的电磁波。

泡沫填充的天线还包括限定内腔室的杆状部分，其中电介质泡沫材料填充内腔室的容积并且延伸到与突出部相对的天线发射端。电介质泡沫填充材料使泡沫填充的天线能抵抗高压（诸如高达160巴或更高），与传统的中空电介质杆式天线相比，其能够用于更高压力的应用。公开的电介质天线可以包括电介质端盖，其与固体电介质材料一起可以封装泡沫填充材料。

与传统的中空电介质天线相比，特别是当由防止污染物进入天线内部（这对于传统的中空电介质杆式天线可能发生的）的电介质端盖盖上时，公开的天线组合体执行的功能更好。而且，与中空的电介质杆式天线相比，公开的用电介质泡沫填充材料填充天线的中空区域提高了天线的性能，原因在于电介质泡沫填充材料作为透镜从而有助于聚集EM波。公开的天线组合体可以应用于金属以及非金属箱，以及应用于具有管嘴的箱以及管嘴较小的箱。

附图说明

图1A示出了根据示例性实施例的非接触雷达系统的绘图，其包括示例性天线组合体，示例性天线组合体包括螺纹连接于箱的顶表面内的孔口的同轴馈通和具有位于馈通的输出侧上的内腔室内的其突出部的子部分的公开的泡沫填充的天线。

图1B示出了根据示例性实施例的非接触雷达系统的绘图，其包括示例性天线组合体，示例性天线组合体包括焊接于箱的管嘴上的具有孔口的凸缘的其外部导体“套筒”的同轴馈通和具有位于馈通的输出侧上的内腔室内的其突出部的子部分的公开的泡沫填充的天线。

图2A是根据示例性实施例的示例性天线组合体的透视局部剖面绘图，示例性天线组合体具有公开的泡沫填充的天线。

图2B是图2A所示的天线组合体的剖面图的剖面图。

图3是根据示例性实施例的包括公开的泡沫填充的天线的示例性的天线组合体的分解图。

具体实施方式

公开的实施例参照附图进行描述，其中在全部图中使用类似的参考数字指示类似或等效的元件。图未按比例绘制并且其仅提供用于说明某些公开的方面。几个公开的方面在下面参照用于说明的示例性应用进行描述。应理解的是阐述大量的特定细节、关系和方法以提供公开的实施例的全面理解。

但是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不具有一个或多个特定细节的情况下或使用其他方法实施。在其他示例中，未详细描述公知的结构或操作以避免模糊某些方面。本公开不受限于所示的动作或事件的顺序，原因是一些动作可以按不同的顺序和/或与其他动作或事件同时发生。而且，不需要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。

图1A示出了根据示例性实施例的非接触雷达系统100的绘图，其包括示例性天线组合体3、5，示例性天线组合体包括螺纹连接于箱40的顶表面内40a内的箱孔口51的同轴馈通3和公开的泡沫填充的天线5。馈通3通常包括提供对箱40的顶表面内40a内的箱孔口51的密封。如本领域已知的，箱孔口51可以在其上具有螺纹孔口，诸如由用于非金属箱的金属板中的开口或用于金属箱的螺纹金属孔口提供的，其中“金属”在本文限定为包括金属、金属合金或金属复合物。馈通3的输入侧包括构造用于接收来自另一个输送线连接器2（诸如来自同轴电缆）的过程连接件的连接器115。

泡沫填充的天线5具有包括位于馈通3的输出侧上的内腔室内的子部分的突出部5a。泡沫填充的天线5构造用于将电磁波（例如微波）发射到箱40内并从箱40内的产品（或多个产品）材料接收反射的电磁波。泡沫填充的天线5还包括杆状部分5b，杆状部分5b包括限定示出为从内腔室之外延伸到与突出部5a相对的天线发射端的内部中空区域的外部固体电介质材料。泡沫填充的天线5示出为包括与杆状部分5b的固体电介质材料一起封装泡沫填充的天线5的泡沫填充材料（参见下面描述的图2A和图2B中的泡沫填充材料5b₂）的电介质端盖5c。

连接器115接收来自于另一个传输线连接器2（诸如同轴电缆）的过程连接件，其中传输线连接器2示出为联接至收发器1，收发器1联接到处理器（或控制器）80。传输线连接器2可以是同轴电缆连接器、微型类型A（SMP）或SMP接口、或2.92mm/K连接器。关于由馈通3提供的阻抗，馈通3的输入馈送点通常设计为匹配由输送线连接器2（例如50欧姆的同轴电缆）提供的标准50欧姆阻抗。馈通3的其余部分通常设计为转变为泡沫填充的天线5的特征阻抗，其作为具有约50欧姆的输入阻抗和选择用于匹配约377欧姆的空气阻抗的更高输出阻抗的变压器。

虽然未示出，但是在输送路径中在收发器1和处理器80之间存在数字模拟转换器（DAC）以及在接收路径上的模拟数字转换器（ADC）。馈通3在其输入侧包括同轴部分，同轴部分包括内部导体和具有构造用于接收输送线连接器2的连接器的外部导体，并且输出侧包括限定内腔室（参见下面描述的图3中所示的腔室9）的外部导体。馈通3示出为包括螺纹连接到箱40的箱孔口51的螺纹，箱孔口51提供螺纹或包括具有螺纹的层（例如金属板）。箱40可以是金属的或非金属（例如其于复合物或混凝土）的箱。

馈通3与天线组合体的泡沫填充的天线5一起作为透镜，其为了输送而接收来自终止于输送线连接器2中的过程连接件的电磁能，其中，传播横向的电磁场。在操作中，系统100确定箱40中包括液体（诸如油）或粉末或诸如颗粒的粒状形式的固体材料的产品材料的填充料位。系统100将脉冲微波信号（例如使用约6 GHz 到26.5 GHz（取决于应用和天线设计）以及在MHz范围内的脉冲速率并通常约0.5 ns 到2 ns宽的载波）传送到箱40内，并且接收由产品材料和周围的大气之前的界面或箱40内不同材料之间的界面反射的来自箱40的反射信号。反射信号由处理器80分析以确定到该界面的距离，从而使用飞行的“往返行程”时间来确定箱40内的产品的料位。

图1B示出了根据示例性实施例的非接触雷达系统150的绘图，其包括示例性天线组合体3’、5，示例性天线组合体包括具有由焊接材料31焊接于箱60的顶表面60a上的管嘴60b上的金属凸缘4的其外部导体“套筒”的同轴馈通3’。 泡沫填充的天线5具有位于馈通3’的输出侧处的内腔室内的其突出部5a的子部分。在该实施例中，箱60通常是金属或金属合金箱并且管嘴60b是金属柱形箱管嘴。金属凸缘4电连接到馈通3’的外部导体提供了用于天线组合体3’、5的接地，这通常由系统的150的其他电子部件使用。泡沫填充的天线5的发射端包括端盖5c，端盖5c包括固体电介质材料。

图2A是根据示例性实施例的示例性天线组合体200的透视的部分剖面绘图。所示的泡沫填充的天线5包括具有其位于馈通3’的内腔室中的子部分的突出部5a和从馈通3’的内腔室之外延伸到与突出部5a相对的天线发射端的杆状部分5b。虽然通常描述为分离的部分，但是在实践中，馈通3’（没有其外部金属导体112）以及泡沫填充的天线5的突出部5a和杆状部分5b可以是整体的，而不是下面描述的图3中所示的分离的部件。

馈通3’示出为包括联接到输送线连接器2（例如同轴电缆）的连接器115。馈通3’的外部金属导体112通常由焊接材料电连接到凸缘4，这提供了与由其他系统部件（包括处理器80、收发器1和输送线连接器2）使用的系统接地共用的接地。如上所述，输送电信号在馈通3的馈送点（连接器115）处馈送，其构造成将电信号转换成到达泡沫填充的天线5的输出端的电磁场，其随后作为横向电磁波发射到箱40内的空闲空间中。

泡沫填充的天线5的杆状部分5b包括外部固体电介质材料5b₁，其提供示出为渐缩的厚度过渡区域，用于提供朝向发射端增加的阻抗的阻抗过渡。但是，阶梯式厚度设置也可以作为渐缩的设置的替代。固体电介质材料5b₁的厚度示出为朝向天线发射端减小为延伸到天线发射端的恒定最小厚度壳体区域。外部固体电介质材料5b₁还限定用电介质泡沫填充材料填充的内部中空区域5b₂。泡沫填充通常使得电介质泡沫填充材料完全填充内部中空区域5b₂的容积，以最大化提供的结构加强。

电介质泡沫材料具有10 GHz下的1个大气压下约1.006的空气介电常数到小于(<) 1.3（通常小于1.2）之间的介电常数。在一个实施例中，泡沫材料的介电常数是从1.02到1.08。例如，电介质泡沫材料可以包括聚苯乙烯泡沫或聚甲基丙烯酰亚胺泡沫。聚甲基丙烯酰亚胺泡沫的一个示例是作为ROHACELL® HF销售的商业上可获得的泡沫，其具有在 10 GHz下的在用于ROHACELL 31 HF的1.046之间的介电常数和在10 GHz下的在用于其他ROHACELL 配方的1.067 到 1.093之间的介电常数。

泡沫填充的天线5示出为包括电介质端盖5c，其与杆状部分5b的外部固体电介质材料5b₁一起封装泡沫填充材料。外部固体电介质材料5b₁示出为包括厚度过渡区域，其中固体电介质材料5b₁的厚度朝向天线发射端减小为延伸到天线发射端上的电介质端盖5c的恒定最小厚度壳体区域5b₁’。 外部固体电介质材料5b₁限定由电介质泡沫填充材料填充的内部中空区域5b₂。外部固体电介质材料5b₁与电介质端盖5c一起覆盖并因此封装泡沫填充的电介质天线5的外表面。固体电介质材料5b₁与电介质端盖5c可以各自包括氟塑料聚合物材料，诸如包括聚四氟乙烯（PTFE）。

用诸如通常由一些氟塑料聚合物材料（包括PTFE、聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮（PEEK）、氟化乙丙烯（FEP）或全氟烷氧基（PFA））提供的抗腐蚀以及是不粘的且疏水性的涂层材料的材料覆盖填充的电介质天线5的外表面，可以通过消除泡沫填充的天线5中的沉积和冷凝并减少泡沫填充的天线5的表面上的沉积和冷凝（这些是已知的传统的中空电介质天线在与箱一起操作期间将发生的）而延长公开的天线组合体200的使用期限。

是不粘的且疏水性材料的氟塑料材料有助于通过减少或消除沉积（这减少或消除冷凝）避免或减少粘合效果，从而避免天线内的变化，这否则会导致降级的性能。氟塑料和类似材料（诸如聚丙烯或聚乙烯）通过使天线通过具有氟塑料材料表面覆盖而以滴完方式起作用，由此最小化将粘合至天线的沉积量从而减少天线表面上的冷凝，来致力于此问题。

馈通3’的外表面也示出为包括示出为3a’的可选的外部涂层。当箱内的产品材料是腐蚀性的并且从底部密封有泄漏时，可选的外部涂层3a’可以有助于抗腐蚀。馈通3’的外表面与泡沫填充的天线5的电介质覆盖的外表面一起导致天线组合体200，不同于馈通3’的连接器115的输入侧和凸缘4的大部分，示出为包括抗腐蚀材料以及不粘的并且疏水性涂层材料（诸如由PTFE提供）。

图2B是图2A所示的天线组合体200的剖面图的剖面图。具有的天线组合体200示出为具有输送线连接器2，诸如联接到同轴馈通3的连接器115的同轴电缆。同轴馈通示出为包括内部导体3b和外部导体3c。天线组合体200示出为包括凸缘4，其可以用作管嘴凸缘并且包括如所示出的其上的安装凸缘6。安装凸缘6构造用于与管嘴的尺寸匹配并且通常在其外周边具有若干个孔以使得螺栓可以用于将安装凸缘6紧固到凸缘4。

图3是根据示例性实施例的包括公开的泡沫填充的天线5的示例性天线组合体300的分解图。泡沫填充的天线5以三个（3个）部件示出，包括突出部5a、杆状部分5b和电介质端盖5c。馈通3示出为联接至示出的具有其内腔室9的金属凸缘4。为了组装，突出部5a可以被插入到内腔室9内并且可以通过适当的紧固件（例如通过螺栓）固定到凸缘4中示出的孔。具有示出为5b’的前侧连接器的杆状部分5b可以被插入到突出部5a内。电介质端盖5c随后可以被固定到杆状部分5b的发射端以封装电介质泡沫填充材料。虽然通常如上所提到的描述为分离的部件，但是在实践中馈通3’（没有其外部金属导体112）和包括突出部5a和杆状部分5b的泡沫填充的天线5可以整体地制成。同轴馈通3的连接器115示出为构造用于接收诸如提供50欧姆阻抗的同轴电缆的输送线连接器2。

公开的实施例包括用于形成泡沫填充的天线的方法，包括提供具有包括厚度过渡区域的外部固体电介质材料的电介质杆，其中外部固体电介质材料限定渐缩的内部中空区域。中空区域可以由钻孔刀具形成。渐缩的内部中空区域由固体泡沫填充材料填充，该固体泡沫填充材料具有10 GHz下的从1大气压下的空气介电常数到通常小于(<) 1.2的介电常数。接着附接电介质端盖，其与外部固体电介质材料一起封闭并因此封装电介质泡沫材料。

存在几个方法用泡沫材料填充渐缩的内部中空区域。一个实施例包括由固化跟随的液体泡沫前驱体注射。固化后的液体泡沫前驱体（例如单体）将变成填充渐缩的内部中空区域的固体，以允许电介质杆式天线抵抗更高压力。另外的填充方法包括切割和装配（插入），其涉及精确地加工固体泡沫材料以形成泡沫插件，泡沫插件具有构造用于装配在渐缩的内部中空区域内的形状，相同的方法可用于形成电介质端盖（或帽）。以此方法，公开的泡沫填充的天线可以用于更高压力应用（与传统的中空电介质杆式天线相比），高达约160巴，原因是由泡沫填充而使得机械上更坚固以达到一致的固体杆式天线的强度。

而且，公开的填充的电介质天线的性能可以被提高，与固体的杆式天线相比。建模和测试已显示半功率射束宽度（HPBW）和指向性方面的提高，原因是由于在由如上所述的电介质泡沫填充材料提供的波导中的增强的电磁场而导致的更好地限制电场，而不是在天线上的更早的辐射。中空杆式天线的底部（发射端）可以用包括与提供用于填充的电介质天线的外部固体电介质材料侧壁的杆状部分5b相同材料(例如PTFE)的电介质端盖5c封装。在将突出部5a、杆状部分5b和电介质端盖5c组装在一起后，或者如上所述提供包括泡沫填充的天线5的突出部5a和杆状部分5b以及可选地还有馈通3’（3’没有金属导体）的整体后，这些相应的部件可以被一起模制或整体模制完成并且可以沿天线的长度在任何部分被切割，模制完成可选地也扩展到馈通3’的聚合体部分上，如上所述的。

虽然上面已经描述了各种公开的实施例，但是应理解其仅通过示例而不是限制的方式提出。根据本公开可以对本文公开的主题进行大量改变，而不脱离本公开的精神或范围。此外，虽然已相对于若干实施方式中的仅一个公开了特定特征，但是根据可能希望的和对于任何给定或特定应用有利的，该特征可以与其他实施方式的一个或多个其他特征结合。