专利名称：用于料位雷达天线系统的模块设计的制作方法
技术领域：
本发明涉及料位测量。具体而言，本发明涉及一种用于组装料位雷 达天线的一套部件或模块系统，还涉及一种料位雷达天线，并且还涉及 一种料位雷达。
背景技术：
在料位雷达测量的领域中使用多种测量系统，每种测量系统适合于 相应的测量环境。根据应用领域，可以考虑多种传输信号的频率。可能 的频率范围到100GHz之上。根据外部环境、使用的传输频率以及传输 信号在其离开天线之后的期望最大加宽，可以使用多种不同的天线尺寸 和天线形状。
对于终端用户，这意味着，根据希望的规格，所述终端用户可能必 须获得对应构造的天线。如果天线必须满足的要求变化非常大，则可能 必须获得新的天线。
发明内容
本发明的目的是阐述一种灵活性改善的料位雷达天线系统。
这里阐述的是根据独立权利要求的特性的用于产生即组装料位雷 达天线的模块系统即一套部件、料位雷达天线以及料位雷达。本发明的 示例性实施方式在从属权利要求中描述。
所描述的示例性实施方式同样涉及模块系统、料位雷达和料位雷达 天线。换言之，在下文中与料位雷达天线相关而叙述的特性也可以在模块系统中或者在料位雷达中实现，反之亦然。
根据本发明的示例性实施方式，阐述了一种模块系统，例如用于组 装料位雷达天线的一套部件，该模块系统包括第一模块和第二模块。所 述第一模块是填充有介电材料的基础天线触角并且用于将传输信号馈 送到所述第二模块。所述第二模块设计成发射传输信号到料位表面，其 中所述第二模块是扩展触角、抛物线形天线、填充的天线触角、具有透 镜的天线触角、直管天线或者杆状天线。
利用这种模块系统，阐述了用于料位雷达的天线系统，在该天线系 统中，小的、被填充的并且紧密的天线触角(基础天线触角)使得用于 多种另外的天线系统(第二模块)的耦合接入成为可能，并且同时对于 自身而言，换言之，在没有任何扩展的情况下，用于利用雷达进行料位 测量。在下文中，这种天线触角被称为"基础触角"、"基础天线触角" 或"基础触角天线"。
根据本发明的示例性实施方式，所述第一模块(基础天线触角)设 计成用于以可拆卸的方式连接到所述第二模块。
这样，当所述料位雷达天线例如将要被用在例如要求不同的传送光 束的聚焦的某种其它测量环境中时，所述第二模块可以以简单的方式更 换。
根据本发明的另外的示例性实施方式，所述第 一模块包括第 一螺紋 而所述第二模块包括对应于所述第一螺紋的反螺紋，其用于产生可拆卸 的连接.
这样，两个模块可以拧在一起。在这个位置，其它类型的连接件也 是可能的。例如，所述两个模块可以通过凸缘连接件而连接。在这种布 置中，所述两个模块例如使用四个螺钉连接。另外的选择包括插头型连 接件，该插头型连接件随后以已知的方式卡入到适当的位置中.
根据本发明的另外的示例性实施方式，模块系统还包括设计成波导 (所谓的馈电波导)的第三模块。第三模块也可以通过可拆卸的连接件 而连接到第一模块。根据本发明的另外的示例性实施方式，第一模块包括波导部，传输 信号通过该波导部从源馈送，例如馈送到所述料位雷达的电子模块。
才艮据本发明的另外的示例性实施方式，所述第 一模块的波导和/或波 导部包括玻璃窗口，玻璃窗口的厚度大约对应于传输信号的半波长的整 数倍。
这样，可以提供与压力相关的处理分隔(换言之，在可能爆炸的范 围内将可能爆炸的区域分隔开的部件)。
为了增大玻璃窗口的带宽，可以在一侧或者两侧上用低介电常数值
的介电材料涂覆.例如PTFE就合适于此。在每种情况中，涂层包括厚 度大约为入/4的材料。例如，利用两个厚度为入/4的PTFE盘，玻璃窗 口的带宽几乎加倍。
根据本发明的另外的示例性实施方式，第二模块设计成Cassegrain 天线。这是例如抛物线形天线的特殊形式。
根据本发明的另外的示例性实施方式，第一模块包括布置在第一模 块和第二模块之间的透镜。
根据本发明的另外的示例性实施方式，透镜设计成用于将传输信号 耦合到第二模块中。
根据本发明的另外的示例性实施方式，模块系统i殳计成传输信号的频 率在75GHz和110GHz之间的范围内。所i^块系统也可以设计成频率低 于75GHz或者高于U0GHz。
根据本发明的另外的示例性实施方式，第 一模块和第二模块之间的 过渡、或者第一模块和第三模块之间的过渡设计成是无缝的，使得第二模 块直接在第一模块的天线填充物上开始，或者第三模块直接从第一模块继 续。
根据本发明的另外的示例性实施方式，阐述了一种料位雷达天线， 该料位雷达天线包括上文和下文中所描述的模块系统的第一模块和第 二模块.
7根据本发明的一个另外的示例性实施方式，描述了具有料位雷达天 线的料位雷达，该料位雷达天线包括上文和下文中所描述的模块系统的 第一模块和第二模块。下面，参照附图描述本发明的示例性实施方式。
图l示出了根据本发明示例性实施方式的第一模块的截面图。图2示出了根据本发明示例性实施方式的第一模块、第二模块以及 第三模块的截面图。图3示出了根据图2的布置的区域的放大视图。图4示出了具有设计为歌西格兰(Cassegrain)天线的第二模块的 第一模块。图5A示出了根据本发明的另外的示例性实施方式的第一模块的截 面图。图5B示出了图5A的模块的放大截面。图6示出了根据本发明的另外的示例性实施方式的第一模块的截面图。图7A示出了根据本发明的另外的示例性实施方式的第一模块的截 面图。图7B示出了图7A的模块的放大的截面。图8示出了根据本发明的示例性实施方式的料位雷达。
具体实施方式
附图中的图是图示性的，并且不是按照比例的。在下面对图的描述中，相同的附图标记用于相同或者相似的部件。图l示出了基础天线触角101的截面图。基础天线触角101包括天线壳体113、 114。壳体114的区域是圆锥形的，以便其形成至少部分用 介电材料107填充的天线斗。区域113是圆柱形的，以便其形成波导部 106。介电填充物107的以圆锥形逐渐变细的尖端突出到波导部106中。另外，设置有透镜105，其也包含介电材料。例如，透镜105、天线填充物107以及圃锥形尖端115可以形成为 一个部件。另夕卜，这三个部件105、 107以及115可以结合并且可以用不同的材 料制成。基础触角IOI是模块系统的中心部件，换言之，是模块系统的基础。 基础触角设计成使得将在下面更详细说明的所有其它天线类型或者天 线扩展，都可以用该基础触角馈给。另外，所述基础触角自身，换言之， 即使没有任何形式的扩展，也可以用于料位测量。这提供的优点在于， 一方面，测量也可以在很小的容器开口中发生，另一方面，根据要求、 应用以及可用的空间，可以附加不同的扩展。例如，用单个模块构造的料位雷达天线被用在W-带中。W带的范 围从75GHz到llOGHz。具体而言，料位雷达天线可以用在79GHz (带 宽，例如是土2GHz或者土3GHz)的中心频率。在这种布置中，基础触 角101可以包括例如19.05cm (7.5〃 )的外径，其然后具有0.5mm壁 厚的天线触角，对应于大约18mm的天线孔径。应当提及的是79GHz的频率也在范围从60GHz到卯GHz的所谓 E-带中，因为这些"标准带"重叠。如果天线没有被填充，那么天线触角114将具有大约110mm的最 佳长度。通过用放到适当位置的透镜105和介电材料(例如聚四氟乙烯 (PTFE)或者聚丙烯(PP))填充天线，透镜105用相同的材料制成， 触角长度可以减小到大约四分之一，即25到30mm。在这种布置中， 透镜可以具有任何希望的形状，并且特别地可以用某种其它介电材料制 成，只要所述透镜起到会聚透镜或者凸透镜的作用即可。例如，透镜是 球形的、非球形的，或者透镜是菲涅耳透镜。另外，透镜可以是圆锥形 的。特别是，通过给透镜赋予相应的形状，实现了与冷凝残留相比改进了的液滴滴漏行为。在非发射端，基础触角101自身包括可被填充或者不填充的波导 106、 113。如果波导没有被填充，那么天线触角114的介电填充物107 可泄露到波导106中。这由尖端115示出。在圃锥形触角中，例如，介 电填充物可正好到达由圆锥形触角形成的圆锥体的假想尖端。当然，波 导中的尖端也可采取不同于天线斗114的开度角的角度。例如，圃锥形触角的波导设计为圆形波导。然而，波导也可以釆取 某种其他的形式，例如椭圆形或者矩形。在这个波导106、 113中，微 波信号从电子频率单元或高频率单元805 (参见图8)耦合接入和/或耦 合接出。波导106，或者从它延续出来的波导103，可以包括玻璃窗口 104 (例如参见图5A)。这个玻璃窗口被用作区域分开部件。为了确保最佳 功能，玻璃窗口的厚度是入的一半或者其倍数，其中入等于传输信号的 波长(与系统的中心频率相关)。值入的一半与用于窗口的玻璃的介电 常数值有关，即玻璃窗口内传输信号的波长的一半。为了增大带宽，玻璃窗口可以在一侧或者两侧涂覆有低介电常数值 的电介质。例如，PTFE是适合于此的一种材料。安装可以通过例如接 合到玻璃进行。为了确保最佳功能，这种电介质的厚度应当是四分之一 入，其中这里入仍然等于与系统中心频率有关的传输信号的波长。值入 的四分之一也与用于涂覆的材料的介电常数值有关，即其是在用于玻璃 窗口的涂层内的传输信号的波长的四分之一。如图5A、 6、 7A中所示，玻璃窗口可能已经安装在波导部件106 的顶部。玻璃窗口到波导106的附接通过例如焊接完成；但是所述附接 也可以通过圆周螺紋实现。如上面已经描述的那样，基础触角IOI可以直接用于在过程内进行 测量。另外，所述基础触角IOI也可以与其它天线一起使用用于耦合接 入。下面描述了可连接到基础天线触角101的多种附加模块组件。图2示出了基础天线触角101的截面图，该基础天线触角101在其 前部连接到扩展触角102，并且在其后部连接到波导103。因此，基础触角101用于耦合接入到扩展触角102中。在这种情况 下，扩展触角102可以设计成与其中到扩展触角102的加宽直接从波导 103进行的布置的情况(即，扩展触角直接连接到波导103)相比更短。扩展触角102在内部108中是圆锥形的。扩展触角102的内部108 可以是"空的"或者可以部分或者全部用介电材料填充。波导103例如拧到基础触角101的波导部106以便其可以容易地断 开连接。当然，基础触角101的波导106也可以直接连接到料位雷达的电子 元件。例如，在W-带中，可以考虑下面的尺寸誦直径5.08cm ( 2英寸)的天线触角具有425mm的总长度，包括耦 合到内径3.1mm的波导中。國直径5.08cm ( 2英寸)的扩展触角(模块2 )具有270mm的总长 度，包括直径为19mm (0.75英寸)的基础触角(模块l)。这可能导致天线缩短到初始长度的64%。-直径2.54cm (1英寸)的天线触角具有150mm的总长度，包括耦 合到内径3.1mm的波导中。-直径2.54cm (1英寸)的扩展触角(模块2 )具有115mm的总长 度，包括直径为19mm (0.75英寸)的基础触角(模块l)。这可能导致缩短到初始长度的77%。特别是在大天线的情况下，天线的长度可能有显著的缩短，在每种 情况中都具有可比较的电天线等级，例如天线增益或者3dB的开度角。图3示出了根据图2的布置的部分截面的放大视图。基础触角101 与扩展触角102之间的过渡部301是无缝的，扩展触角102在天线填充 物或透镜105的端部直接开始。微比基础触角101的填充物的直径大。扩展触角102到基础触角101的附接例如通过螺紋实现。扩展触角 随后仅仅柠到基础触角上。然而，其它类型的连接件在这个位置也是可能的。例如，两个模块 可以连接到凸缘连接件。在这种布置中，两个模块例如通过使用四个螺 钉连接。另 一个选择是随后以某种其它方式卡到适当位置的插头型连接 件。图4示出了一个另外的实施方式，在该实施方式中基础触角101用 于耦合到抛物线形Cassegrain天线中。抛物线形天线109包括圆锥形反 射体IIO、抛物柱面镜111以及天线环112。箭头401、 402代表传输信 号。抛物柱面镜的焦距f和直径D之间的比(f/D)为例如0.27，使得亚 反射体110位于镜内或者位于镜和镜边缘112内。这样的布置例如在 EP 1619747A1中示出。例如，亚反射体110是双曲线形状。然而所述亚反射体110也可以 采取其它形状，例如圆锥形。亚反射体的附接例如通过附接在抛物柱面镜内或者位于镜边缘的 两个或者多个网结构完成。这样的附接例如可以通过焊接完成。从触角天线101到抛物柱面镜109的过渡例如以无缝的形式完成。另外，基础触角IOI可以用于耦合到另一个填充的天线触角中。在 这个示例性实施方式中，所谓的扩展触角102也用一种或者几种不同的 介电材料填充。在所述扩展触角102的端部，同样附接有透镜。在这种 布置中，透镜可以具有任何希望的形状，只要其起到会聚透镜或者凸透 镜的作用即可。例如其是球形、非球形或者设计成非涅耳透镜，或者以 简化的形式其仅仅是圆锥形。作为填充和透镜的结果，天线系统仍然可 以进一步缩短。同时，透镜形式可以导致与冷凝残留相比改进了的液滴 滴漏行为。另外，基础触角可以用于通过透镜耦合到较大的触角中。
然而，在这一实施方式中，所谓的扩展触角仍然没有被填充。然而， 在其前端有用介电材料制成的会聚透镜以便缩短天线长度。可能的透镜
形状已经在上面描述。
同样地，基础触角可以用于耦合到直管天线或者杆状天线中。
下面，将描述天线填充物到基础天线101的壳体的可能附接。
图5A示出了根据本发明的示例性实施方式的基础天线101的截面 图。天线壳体501设计成单个部件。在这一示例性实施方式中，天线的 填充物506、 507与透镜105 —起已经被从前面推到壳体501中，使得 所述填充物506、 507和透镜105安装在所述壳体501中。所述填充物 通过从前面拧上的安装环508附接和保持。这个安装环508在图5B中 详细示出。
安装环508例如利用螺紋安装。另外，安装环508可以用柔性材料 制成。在这种情况下，其可以卡到壳体501。同样地，安装环508可以 粘接或者焊接到壳体。
另外，^没置有多个密封环502、 503、 504，它们插入到壳体的相应 的环状凹槽505中。
除了透镜105之外，天线触角的介电填充物包括另外两个区域506、 507。区域506是圆柱形的，而区域507是圃锥形的，区域507的尖端 突出到基础天线101的波导部106中。圃柱形区域504也可以不完全完 成，使得填充物仅仅是圆锥形的。在这种情况下，密封件也仅仅设置在 圆锥形区域中。
另外，示出了玻璃窗口 104，该玻璃窗口 104装配到承载板509中 的对应凹槽中。承栽板509在壳体501中的对应凹槽中。
填充物506、 507与透镜105 —起可以i更计成一个部件，或者两个 或三个部件。
具体而言，在填充物506、 507、 105设计为多部件的情况下，安装环508用于将单个部件压在一起。
图6和图7A、7B示出了基础触角101的另外两个示例性实施方式， 在这两个实施方式中填充物从后面(即从指向电子设备的面)安装并且 拧到适当的位置中。天线填充物设计成一个部件或者两个部件。
图6或图7A、 7B示出了安装0形环502、 503、 504或者701、 702 的多种选择。例如，两个0形环502、 503设置在填充物的圆锥部的区 域中，而第三O形环504安装在填充物的圆柱形部的区域中(参见图6 )。 另外，0形环701、 702可以仅仅设置在填充物的圃柱形区域中(参见 图7A、 7B )。
另外，用于O形环的凹槽，不是在天线触角中，而是也可以部分或 者全部在填充物中。术语"凹槽"指的是O形环放置在其中的切口 (凹 陷)，如图5B所示。
如图6所示，在壳体604的前部区域，填充物由环绕圃周的突出部 605保持。在后部区域，填充物已经由环601、 602固定。
在这个示例性实施方式中，部件603滑入壳体604中，部件603形 成实际天线触角。换言之，与图5A的实施方式比较，这个实施方式中 的壳体包括多个部件。部件603包括，例如金属，优选不锈钢或者铝。 也可以使用塑料，例如PBT (具有玻璃纤维的VALOX)，其至少在内 轮廓上是金属化的。壳体604也包括金属，例如不锈钢。
图7B示出了图7A的部分Y的放大细节。与图5B中的情况一样， 放大比例是5: 1。
附接填充物的另一种选择包括注射热塑性材料，例如可溶性聚四氟 乙烯(PFA)。这随后起到类似热熔化型粘合剂的作用。在这个实施方 式中，系统也同时密封。
同样地，可完全注射填充物，例如使用PFA。利用这个实施方式， 系统也可以没有O形环而密封。
图8示出了具有料位雷达天线801的料位雷达800,该料位雷达天 线801包括如上所述的第一和第二模块。另外，设置有将天线801连接到电子i殳备805的波导103。
天线801将传输信号802在产品表面804的方向上发送，相应的返 回信号803从该产品表面804反射并且随后被天线801获得。
另外，应当指出，"包括"不排除其它部件或者步骤，并且"一个" 或者"单个"不排除多个。另外，应当指出，参照上述示例性实施方式 之一描述的特性或者步骤也可以与以上描述的其它示例性实施方式的 其它特性或者步骤组合使用。权利要求中的附图标记不应当被理解为是 限制。
权利要求
1.一种用于组装料位雷达天线的模块系统，所述模块系统包括第一模块(101)；第二模块(102)；其中，所述第一模块(101)是基础天线触角，所述基础天线触角填充有介电材料(107)并且给所述第二模块(102)馈送传输信号；其中，所述第二模块(102)设计成将所述传输信号发射到料位表面；并且其中，所述第二模块(102)从包括扩展触角、抛物线形天线、填充的天线触角、具有透镜的天线触角、直管天线以及杆状天线的组中选出。
2. 根据权利要求1所述的員系统，其中所述第一模块(101 )设计为以可拆卸的方式连接到所述第^块 (102),
3. 根据权利要求2所述的模块系统，其中，所述第 一模块包括第 一螺紋并且所述第二模块包括对应于所述 第一螺紋的反螺紋，用于组装可拆卸的连接。
4. 根据权利要求2所述的模块系统，其中所述可拆卸的连接设计成凸缘连接件。
5. 根据前^K利要求中任一项所迷的模块系统， 还包^i殳计为波导(103)的第三模块(103);其中所述第一模块(101 )设计为用于以可拆卸的方式连接到所述第三 模块(103 )。
6. 根据前^L利要求中任一项所述的;^系统， 其中所述第一模块(101)包括波导部(106 )。
7. 根据权利要求5或6所述的模块系统，其中，所述波导(103)或者波导部(106)包括玻璃窗口 (104),所 ^Jl璃窗口 (104)的厚度对应于传输信号的半波长的整数倍。
8. 根据权利要求7所述的員系统，其中，所a璃窗口至少在一侧上用介电材料涂覆。
9. 根据前述权利要求中任意一项所述的模块系统， 其中，所述第二模块设计成歌西格兰天线(109)。
10. 根据前a利要求中任一项所述的模块系统，其中所述第一模块(101 )包括布置在所述笫一模块和第二模块(102 ) 之间的透镜(105)。
11. 根据权利要求10所述的模块系统，其中，所^il:镜(105)设计成用于将所述传输信号耦合到所述第4 块(105)中。
12. 根据前述权利要求中任一项所述的模块系统， 设计成用于频率在75GHz和110GHz之间范围中的传输信号。
13. 根据前^利要求中任一项所述的*^系统，其中，所述第一模块(101)和所述第4块(102)之间的过渡设计 成是无缝的，使得所述笫二模块(102)直接在所述第一模块的介电材料 (107)上开始。
14. 根据前述权利要求中任一项所述的模块系统，其中，所述介电材料(107)通过注射的热塑性材料附接在所述第一模 块(101)中。
15. 根据权利要求1到13中任一项所述的#系统，其中，所述介电材料(107)直接注射到第一模块(101)中.
16. 根据前述权利要求中任一项所述的員系统，其中，所述介电材料(107)与密封件一起通过安装环(508)或环绕 圆周的突出部(605)保持到所述第一# (101)。
17. —种料位雷达天线(801 )，包括权利要求1到16中任一项所述的模块系统的第一模块(101)和笫4块(102)。
18. —种料位雷达(800 )，包M位雷达天线(801),所i^位雷达 天线(801)包括根据权利要求1到16中任一项所述的模块系统的第一模 块(101)和第4块(102 )。
全文摘要
本发明涉及一种用于组装料位雷达天线的模块系统，还涉及料位雷达天线；并且还涉及料位雷达。所述模块系统包括若干可以互相连接的模块。这样，可以产生最佳适合于相应条件的多种不同的料位雷达天线。
文档编号G01F23/284GK101677147SQ20091017079
公开日2010年3月24日 申请日期2009年9月11日 优先权日2008年9月15日
发明者于尔根·莫策, 克劳斯·金茨勒, 弗里茨·伦克, 约瑟夫·费伦巴赫, 约翰内斯·法尔克 申请人:Vega格里沙贝两合公司