用于物位测量的高频模块、雷达物位计及其制造方法与流程

本发明涉及物位测量技术，具体而言，涉及一种用于物位测量的高频模块和应用该高频模块的雷达物位计，以及对它们的加工方法。

背景技术：

雷达物位计是一种通过测量雷达发射信号与反射信号接收之间的时间间隔来测量物位计信号发射点到被测物料点之间的距离的测量仪器。

对于具有波导的雷达物位计而言，通常由雷达物位计的高频模块的信号发生装置产生电磁信号，再由该高频模块的辐射元件向外发射，该发射信号然后由波导传输。

出于防爆的安全原因考虑，需要防止爆炸性的物质或气体混合物从盛放被测物料的容器内部进入到雷达物位计的内部。

例如，中国发明专利申请公开cn104428943a和中国发明专利申请公开cn104428944a均公开了一种具有密封件的波导耦合输入装置、高频模块、料位雷达和应用，通过在波导的起始区域设置该密封件来以气密的方式使得高频模块相对于环境隔离。而这种专门设置密封件的方案需要波导起始区域、通向波导主要区域的过渡区域及波导主要区域之间的相互尺寸关系(内径相互大小关系)配合，还需要在波导内部和外部设置腹板等辅助部件，结构复杂且密封件的偏离位置也会导致失去密封效果或者装置故障，另外，密封件与波导的连接处也会对于辐射元件所发射的信号产生不必要的反射。

技术实现要素：

本发明提供了一种新的用于物位测量的高频模块，其通过非导电模块盖对辐射元件进行密封，不会发生密封件所带来的不必要反射，并且结构更简单，加工工序得以简化，成本也得以降低。

根据本发明的一方面，提供了一种用于物位测量的高频模块，其包括：发射装置，导波装置和pcb板，其中，所述发射装置包括：辐射元件和非导电盖体，该辐射元件和非导电盖体设置在pcb板的同侧，并且所述非导电盖体与所述pcb板限定形成辐射腔，使得所述辐射元件置于该辐射腔之内，其中，所述导波装置与所述发射装置安装在所述pcb板的同侧，并且形成与所述辐射元件对应的导波通路，所述非导电盖体覆盖所述辐射元件的盖体部分与所述导波装置的形成所述导波通路的部分的底缘相接，且所述盖体部分的高度被设置使得该辐射元件的辐射面到所述导波通路的起点之间的距离小于所述辐射元件所发射电磁波的波长。

根据本发明实施例的高频模块，例如，所述非导电盖体覆盖所述辐射元件的盖体部分的高度为所述辐射元件所发射电磁波的波长的一半。

根据本发明实施例的高频模块，例如，用ptfe塑料或pp塑料制作所述非导电盖体覆盖所述辐射元件的盖体部分，该盖体部分的高度是1.34mm。

根据本发明实施例的高频模块，例如，所述非导电盖体覆盖所述辐射元件的盖体部分与所述导波装置形成导波通路的管壁底缘相接。

根据本发明实施例的高频模块，例如，所述导波通路是柱状空腔或具有变径腔体结构。

根据本发明实施例的高频模块，例如，所述导波装置形成所述导波通路的部分由金属材料制成。

根据本发明实施例的高频模块，例如，所述辐射元件安装在所述pcb板的绝缘层上，所述非导电盖体安装在所述pcb板上。

根据本发明实施例的高频模块，例如，所述高频模块还包括雷达信号收发装置，该雷达信号收发装置包括一个或多个芯片，并与所述发射装置的辐射元件电连接，该芯片包括产生由所述辐射元件发射的电磁波的微波芯片或者具有这样的功能。

根据本发明实施例的高频模块，例如，在所述pcb板的绝缘层的表面涂敷金属层，然后在该金属层上形成电路布线，将所述雷达信号收发装置与所述辐射元件电连接。

根据本发明实施例的高频模块，例如，通过微带线将由所述芯片产生的电磁波信号传输到所述辐射元件。

根据本发明实施例的高频模块，例如，所述芯片和所述微带线与所述辐射元件设置在所述pcb板的同侧，并且将所述芯片或者所述芯片和所述微带线设置于吸波材料所限定的空间内。

根据本发明实施例的高频模块，例如，所述吸波材料设置在所述非导电盖体限定的空间内。

根据本发明实施例的高频模块，例如，所述辐射元件是具有较小面积的薄片状器件。

根据本发明实施例的高频模块，例如，所述高频模块适用于75-120ghz的雷达物位测量应用。

根据本发明的另一方面，提供了一种雷达物位计，其包括前述的高频模块。

根据本发明的又一方面，提供了一种雷达物位计的制造方法，其包括：在pcb板的绝缘层上形成部分金属层；在所述绝缘层上安装辐射元件；在关于所述绝缘层与所述辐射元件相同的一侧安装雷达信号收发装置和非导电盖体；在同一侧对位安装导波装置；将高频模块安装于雷达物位计表头的外壳部分；向由雷达物位计表头外壳部分所限定的空间内填充密封胶。

根据本发明的再一方面，提供了一种通过前述方法制造的雷达物位计。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。

图1是根据本发明一个实施例的用于雷达物位计的高频模块的分解视图；

图2a是图1所示的高频模块组装后的立体视图；

图2b是图1所示的高频模块组装后的另一个角度的立体视图；

图3a是图1所示的高频模块组装后的局部正面剖视图；

图3b是图1所示的高频模块组装后的局部侧面剖视图；

图4a示意性地示出了具有图1所示的高频模块的雷达物位计的局部正面剖视图；

图4b示意性地示出了具有图1所示的高频模块的雷达物位计的局部侧面剖视图；

图5a和图5b示意性地示出了根据本发明另一个实施例的高频模块的正面局部剖视图和侧面局部剖视图；

图6a和图6b示意性地示出了根据本发明又一个实施例的高频模块的正面局部剖视图和侧面局部剖视图。

附图文字

100发射装置

101辐射元件

102非导电盖体

103辐射腔

200导波装置

201导波通路

300pcb板

301绝缘层

302金属层

303基板

400雷达信号收发装置

401芯片

402微带线

403吸波材料

501螺钉

502胶带

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不必然表示数量限制。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

图1是根据本发明一个实施例的用于雷达物位计的高频模块的分解视图。如图1所示，发射装置100包括辐射元件101和非导电盖体102，以及在辐射元件101和非导电盖体102之间形成的辐射腔103。其中，辐射元件101和非导电盖体102在pcb板300的同侧设置，具体而言，辐射元件101安装在pcb板(印刷电路板)300的绝缘层上，非导电盖体102也安装于该pcb板上，并且形成辐射腔103，使得辐射元件101置于该辐射腔103之内。可通过例如双面胶将非导电盖体102粘贴在pcb板300上。

导波装置200与发射装置100安装在pcb板300的同侧，并且形成与辐射元件101的位置和面积对应的导波通路201，该导波通路可以是柱状空腔，作为供由辐射元件101发射的电磁信号传输的通道。可选地，该柱状空腔是圆柱形空腔(如图5a和图5b所示)。所述导波通路201也可以具有变径腔体结构(如图6a和图6b所示)。一般而言，导波装置200，至少是导波装置200构成导波通路201的部分，由金属材料制成，其能够对电磁波起到屏蔽作用，因而引导从辐射元件101发出的电磁波通过导波通路201输出到导波装置200外部。导波装置200向外的一侧还可以连接外部导波管或天线等。

图1中，非导电盖体102包括两个部分，面积较小、高度较低且具有半圆形顶部的部分1021与辐射元件101对应，用于盖住辐射元件101；另外一部分1022面积和高度更大且具有长方形形状用于盖住pcb板300上的其它电路部分。非导电盖体102采用诸如塑料的非导电材料制成，本身并不能对电磁信号产生屏蔽作用，主要是起到对包括了辐射元件101的电路部分的密封作用，防止爆炸性的物质或气体混合物从盛放被测物料的容器内部进入到雷达物位计的电路部分。

非导电盖体102的上述两个部分1021和1022可以是一体成型的，形成连通的空腔，如图1所示的方案，这种设计便于加工。由于非导电盖体102本身不具有电磁屏蔽功能，因此其形状和结构都有较大的设计空间，例如，将非导电盖体102覆盖辐射元件101和其它电路部分的两部分独立实现、分别采用不同的形状等，都是可选的方案。

对于非导电盖体102的参数设计，重要的一点在于覆盖辐射元件101的盖体部分1021的高度，即相对于pcb板300的高度。因为非导电盖体102覆盖辐射元件101的盖体部分1021设置在贴装有辐射元件101的pcb板300的表面与导波装置200形成导波通路201的环形管壁下沿之间，如图1所示，因此覆盖辐射元件101的盖体部分实际上决定了辐射元件的辐射面到导波通路201的起点之间的距离，如果设置覆盖辐射元件101的盖体部分1021的高度使得辐射元件的辐射面到导波通路201的起点之间的距离小于辐射元件101所发射电磁波的波长(λ)，那么从辐射元件101发射并进入导波通路201的电磁波只有很少部分从用于密封的盖体部分1021的(对应于高度方向的)边缘泄漏出去。如果设置覆盖辐射元件101的盖体部分1021的高度使得辐射元件的辐射面到导波通路201的起点之间的距离小于辐射元件101所发射电磁波的波长(λ)，那么可以设置盖体部分1021的高度为拟发射电磁波波长的一半，即λ/2。盖体部分1021的高度参数是与盖体部分1021自身材料的介电常数以及材料厚度相关的，对于材料厚度(盖体非空腔的实体部分的厚度)较薄且塑料材质的盖体部分1021而言，采用λ/2左右的高度是适宜的。例如，对于75-120ghz频率或略高于120ghz频率的电磁波，其波长约为3mm～2mm。如果，用ptfe塑料或pp塑料制作盖体部分，对于78g的信号，其高度可以是1.34mm。此外，还可以采用其它的塑料(例如peek)或其它的非导电材料来制造非导电盖体的整体或局部。

用于密封的盖体部分1021与导波装置200的形成导波通路201的管壁底缘对接或粘接，因此，该盖体部分1021在一侧通过盖在辐射元件101上并在底缘与pcb板300的表面密封连接，从而对辐射元件101进行密封；在其另一侧表面与导波装置200的对应接触面密封连接，从而对于导波通路201的一端进行密封，防止外部气体等从导波通路201进入到雷达物位计内部。由于导波装置200形成导波通路201的部分是金属材质，而非导电盖体102是非导电材质，因此两者通常材质不同，可以通过粘接等方式将两者密封连接。为了达到防爆的效果，还可以通过对高频模块整体灌胶的方式进行密封，如果采用灌胶的方式，则可以不对盖体部分1021与pcb板300的表面的粘接以及盖体部分1021与导波通路201底缘的对接或粘接提出较高的密封要求。

根据本发明实施例的雷达物位计，高频模块除了包括发射装置100、导波装置200和pcb板300之外，还包括雷达信号收发装置400。雷达信号收发装置400可以包括一个或多个芯片401，并与发射装置100的辐射元件101电连接。例如，如图1和图3b所示，在pcb板300的表面设置有一个或多个芯片401，该芯片401作为雷达信号收发装置400的一部分，包括产生由辐射元件101发射的电磁波的微波芯片或者具有这样的功能，该等芯片401还能够对接收到的电磁波信号进行处理。芯片401还可以包括雷达物位计的其它芯片，例如，雷达物位计的控制芯片、高频模块的其它芯片，等。

为了实现雷达信号收发装置400与发射装置100的辐射元件101之间的电连接，可以在pcb板300的绝缘层的表面涂敷金属层，然后在该金属层上形成电路布线，将雷达信号收发装置400与辐射元件101连接。在图1所示的方案中，通过微带线402将由芯片所产生的电磁波信号传输到辐射元件101，也可以采用其它的信号传输方式。

芯片401、微带线402及辐射元件101可以设置在pcb板300的同侧，这样便于加工。雷达物位计的电路连接线部分可以通过制作pcb板300来实现。

另外，可以在芯片401上方设置吸波材料403，如图1所示，该吸波材料403设置在非导电盖体102所限定的空间内，其形状也可以与该限定空间相匹配，用于对芯片401进行电磁波屏蔽；该吸波材料403自身所限定的空间不仅可以容纳多个芯片401还可以容纳微带线402，并用来吸收微带线等电子器件所产生的电磁波。

图2a是图1所示的高频模块组装后的立体视图，图2b是图1所示的高频模块组装后的另一个角度的立体视图。结合图2a、图2b和图1可以更清晰地看出发射装置100、导波装置200和pcb板300之间的相对位置关系。其中，发射装置100的非导电盖体102用于密封辐射元件101的部分1021设置在导波装置200的底缘和pcb板300的对应部分之间。可以用例如粘接的方式将发射装置100固定连接于pcb板300的表面，还可以用例如螺钉固定的方式将导波装置200固定连接于pcb板300的同侧表面。

图3a是图1所示的高频模块组装后的局部正面剖视图，图3b是图1所示的高频模块组装后的局部侧面剖视图。

如图3a和图3b所示，pcb板300具有依次排列的绝缘层301、金属层(即覆铜层)302和基板(基材)303，它们构成多层复合结构。可选地，基板303本身也可以是多层的pcb板。根据本发明的实施例，如图3a和图3b所示，辐射元件101贴附在pcb板300的绝缘层301，并且在绝缘层301上还可以形成金属层302，以形成电路。

在pcb板300设置有辐射元件101一侧设置有非导电盖体102，并且该非导电盖体102形成了容纳辐射元件101的辐射腔103。辐射腔103为从微带线402向辐射元件101传输信号提供空间。

另外，如图3a和图3b所示，在设置辐射元件101和非导电盖体102一侧，与辐射腔103对应的pcb板的绝缘层表面不覆盖或者不全部涂覆金属层，具体地，辐射元件101接触的部分及其周围的部分(合起来是与辐射腔103的投影面积对应的部分)不具有金属层(除了将辐射元件101与雷达信号收发装置400连接的电子线路(微带线))。

辐射元件101可以是具有较小面积的薄片状器件，并具有例如正方形或长方形的形状。

例如，对于圆柱形(如图5a和图5b所示)或喇叭口形(如图3a和图3b所示)导波通路而言，导波装置的内孔的尺寸(即形成的导波通路201的直径)或者接近非导电盖体102的一端的内孔尺寸可以与辐射腔103的尺寸相匹配。可选地，导波通路201也可以采用其它的变径结构(如图6a和图6b所示)。

图5a和图5b示意性地示出了根据本发明另一个实施例的高频模块的正面局部剖视图和侧面局部剖视图；图6a和图6b示意性地示出了根据本发明又一个实施例的高频模块的正面局部剖视图和侧面局部剖视图。与图3a和图3b所示的高频模块的结构相比，图5a和图5b以及图6a和图6b所示的高频模块的区别仅在于导波通路201的形状。

图4a示意性地示出了具有图1所示的高频模块的雷达物位计的局部正面剖视图，图4b示意性地示出了具有图1所示的高频模块的雷达物位计的局部侧面剖视图。如图4a和图4b所示，在将根据本发明实施例的高频模块安装于雷达物位计表头部分后，可以在物位计表头部分外壳主要限定的空间内填充密封胶，将除了导波通路开口之外的部分全部密封，这样可以获得更好的密封效果。

在加工根据本发明实施例的导波装置、包括该导波装置的高频模块以及应用该高频模块的雷达物位计时，首先加工高频模块中的印刷线路板，具体而言，在涂覆金属层之前在pcb板的基板加工诸如螺栓孔的通孔，然后印刷金属层，再在金属层上加工形成绝缘层；然后在绝缘层上形成部分金属层，该金属层的一部分用于实现高频模块的雷达信号收发装置与辐射元件的电连接；安装辐射元件，在关于绝缘层与辐射元件相同的一侧安装雷达信号收发装置和非导电盖体等器件，并且在这一侧对位安装用于高频模块的导波装置。如前所述，可以用螺栓等方式将导波装置固定于印刷线路板，并将该高频模块安装于雷达物位计表头的外壳部分，还可以再向由雷达物位计表头外壳部分所限定的空间内填充密封胶，这样可以使得表头部分整体实现防爆要求。

目前的调频连续波雷达(fmcw)物位计的频率范围在4-27ghz，随着雷达在汽车领域的应用发展，雷达的频率已经应用到75-120ghz。物位测量采用高频信号更具优点，如方向性好，仪表尺寸更小。

根据本发明实施例的高频模块以及应用该高频模块的雷达物位计，能够避免爆炸性气体进入电子腔体中，且能够适用于75-120ghz的雷达物位测量应用。

以上所述仅是本发明的示范性实施方式，而非用于限制本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。