具有不同线路类型上的同步信号的雷达物位测量装置的制作方法

本发明涉及物位测量并且涉及容器中的填充材料表面的拓扑的确定。本发明尤其涉及一种用于物位测量或用于确定容器中的填充材料表面的拓扑的雷达物位测量装置。

背景技术：

目前，雷达物位测量装置用于物位测量并且用于确定填充材料表面的拓扑。与许多其它领域相比，物位测量中的雷达技术的突破只有在能够通过测量装置的电子器件检测并处理极小的反射信号时才得以实现。

现代的能够确定填充材料表面的精确形状的物位测量装置和拓扑测量装置的特征不仅在于通常在千兆赫范围内的(例如，在75ghz到85ghz的范围内的)高的发送频率，还在于能够可靠地处理反射信号的高达100db的范围内的振幅差异。

为了产生并处理79ghz的范围内的射频发送信号，可设置单片式微波集成电路(mmic，monolithicmicrowaveintegratedcircuit)。该部件可以包括多个发送和接收通道(本申请也将其称为雷达通道)，由此能够扫描填充材料表面。

期望越精确地扫描填充材料表面，就需要越多的发送和接收通道来实现高质量的成像，这伴随着相应的高硬件费用和相应的高能量需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于测量容器中的介质的物位或介质的拓扑的雷达物位测量装置。

该目的通过独立权利要求的主题来实现。在从属权利要求和以下说明中给出本发明的改进。

本发明的第一方面涉及一种雷达物位测量装置，该雷达物位测量装置被设计成用于测量容器中的介质的物位且/或用于确定容器中的填充材料表面的拓扑。雷达物位测量装置包括第一雷达芯片和至少一个第二雷达芯片。第一雷达芯片和第二雷达芯片均包括一个以上的均用于向填充材料表面发射发送信号的发送通道以及一个以上的用于接收在填充材料表面上被反射的发送信号的接收通道。发送通道中的一个或多个发送通道也可以被设计成组合的收发通道。

特别地，雷达芯片可以是微波集成电路，微波集成电路也可以被称为雷达片上系统。这种雷达片上系统(rsoc)是包括用于数字功能的电路部件的高度集成的微波电路，根据实施例，该雷达系统能够将用于信号生成，用于信号处理并用于将接收信号(即，被反射的发送信号)转换成数字表示的常规雷达系统的全部功能集成在仅仅一个雷达芯片上。

每个发送通道可以被设计成用于产生具有千兆赫范围内(例如，在75ghz至85ghz或更高的范围内)的频率的射频发送信号。

第一雷达芯片包括被设计成用于产生射频信号的第一同步电路，射频信号通常是雷达芯片的本地振荡器信号。射频信号例如可以是分频信号，因此射频信号具有比通过雷达物位测量装置发射的发送信号更低的频率。例如，射频信号具有40ghz或20ghz的频率。

第二雷达芯片包括第二同步电路，并且设置射频线路组件，射频线路组件被设计成用于将射频信号从第一同步电路发送到第二同步电路，并且该射频信号被设置成用于同步两个雷达芯片。因为降低了功耗，所以射频信号的分频使得能够简化导电路径的引导。在射频信号被用于同步两个雷达芯片之前，例如借助于布置在第二同步电路中的倍频器，可以再次倍增射频信号。

用于发送射频信号的射频线路组件包括两种以上的不同的线路类型，这些线路类型被布置成至少部分地彼此串联。

射频线路组件例如包括微带线和波导(例如，矩形波导或圆形波导)、同轴导体、集成在基板中的波导(基板集成波导；siw)和/或共面波导。也可以设置有其它的平面线路类型。

从一种线路类型改变到另一种线路类型能够进一步降低功耗，这是因为后一种线路类型在较小程度上衰减了射频信号。

射频线路组件还可以包括用于将射频信号从第一线路类型耦合到(第二线路类型的)波导中的波导耦合部。

例如，射频线路组件利用一个以上的射频功率分配器进行分流，以便同步多个雷达芯片。

根据到达相应雷达芯片的相应同步电路的经分流的射频信号的要求，从射频功率分配器开始并通向另两个雷达芯片的第二同步电路的两条线路可具有相同的信号传播延迟。

此外，可设置一个(或多个)射频放大器，射频放大器被布置在射频线组件中并被设计成用于放大射频信号。

第一雷达芯片可以被设计成用于产生同步信号的所谓的主芯片，通过该同步信号来同步一个或多个被称为从芯片的一个以上的其它雷达芯片。

根据本发明的另一实施例，射频信号是针对发送信号以整数因子进行分频的射频信号。

也可以根据物位且/或例如根据当前用于物位测量的雷达芯片的数量来调整布置在射频线路组件中的一个以上的射频放大器的放大器功率。

根据本发明的另一实施例，射频放大器具有20ghz或40ghz的有用频率范围。

根据本发明的另一实施例，在第一和/或第二雷达芯片上均集成有模数转换器，模数转换器被设计成用于将接收信号转换成数字化的中频信号，中频信号可以被追溯到在填充材料表面被反射的一个以上的发送信号。

根据本发明的另一实施例，发送通道中的至少两者均包括与其连接的天线。

根据本发明的另一实施例，雷达物位测量装置被设计成使用频率调制连续波信号以用于测量的fmcw雷达物位测量装置，每个测量周期包括例如具有75ghz的起始频率和85ghz的最高频率的频率扫描。

根据另一实施例，射频线路组件包括印刷电路板上的第一导电路径、印刷电路板上的第二导电路径和布置在第一和第二导电路径之间的波导。

射频线路组件还可以包括被引导通过印刷电路板并且用于改变印刷电路板表面的过孔，使得射频线组件的部分连接到印刷电路板的一侧并且射频线组件的其它部分连接到另一相对侧。

根据本发明的另一实施例，雷达物位测量装置被设计成用于确定容器中的介质的拓扑。

根据本发明的另一实施例，第一和第二雷达芯片均基于bicmos技术。根据本发明的另一实施例，雷达芯片基于sige技术。

根据本发明的另一实施例，雷达芯片基于rfcmos技术，并且包括用于75ghz及以上频率的射频电路部分。

根据本发明的另一实施例，射频放大器是包括单独电压源的低噪声放大器(lna)。

根据本发明的实施例，射频放大器仅在其线性范围内操作。可选地，在射频线路组件中可以设置多个射频放大器。

下面，将参考附图来描述本发明的实施例。如果在以下附图的描述中使用相同的附图标记，则所述附图标记表示相同或相似的元件。附图是示意性的而不是按比例的。

附图说明

图1a示出安装在容器中的用于确定容器中的填充材料表面的拓扑的雷达物位测量装置。

图1b示出另一雷达物位测量装置。

图1c示出另一雷达物位测量装置。

图2示出雷达物位测量装置的阵列天线。

图3示出包括一个雷达芯片的雷达物位测量装置的结构。

图4a示出包括两个雷达芯片的另一雷达物位测量装置的结构。

图4b示出另一雷达物位测量装置的结构。

图5示出另一雷达物位测量装置的结构。

图6示出另一雷达物位测量装置的结构。

图7示出另一雷达物位测量装置的结构。

图8示出印刷电路板层结构。

图9a示出雷达物位测量装置的过孔组件。

图9b示出图9a的过孔组件的金属化元件。

图10a示出射频线路组件的细节。

图10b示出另一射频线路组件的细节。

图10c示出另一射频线路组件的细节。

图11示出包括波导的另一射频线路组件。

图12示出另一射频线路组件。

图13a是另一射频线路组件的平面图。

图13b示出图13a的线路组件的印刷电路板的下表面。

图14a示出包括波导和功率分配器的另一射频线路组件。

图14b示出包括波导、功率分配器和放大器的另一射频线路组件。

图15a示出包括功率分配器的另一射频线路组件。

图15b示出包括波导、功率分配器和放大器的另一射频线路组件。

图15c示出图15a和图15b的射频线路组件的下表面。

具体实施方式

高度集成雷达芯片(rsoc(radarsystemonchip)，片上雷达系统)301可以包括多个发送器和接收器。这些芯片可用于诸如驾驶员辅助系统、交通监控、工业设施中的物体监控、无人机等领域以及许多其它领域。

多通道雷达芯片301的优点在于能够执行一类波束成形。为满足要求，用于上述应用的常规雷达装置有时需要一到四个雷达芯片301。

所述的rsoc301的应用领域也涉及物位测量。用于确定填充材料表面107的拓扑的物位测量装置101可以扫描散装材料的表面，以便由此获得比通过常规物位测量能够获得的信息更多的有关散装材料的实际物位和体积的信息。

在物位测量的情况下，出现的问题在于，甚至在大距离的情况下也需要小的射束角度，并且这与大的天线孔径有关。

一种解决该问题的选项是机械地枢转单通道雷达装置(图1a)以由此扫描表面。另一种选项是半机械系统(图1b)。在这种情况下，模拟和数字波束成形的组合与机械枢转相组合。所述系统在稳健性方面具有缺点。当在恶劣的处理条件下使用时，机械部件经常需要维护，并且生产成本高。为此，也可以执行完全电子波束成形(图1c)。

为了利用所述波束成形雷达系统来实现等量尺寸的天线孔径，应该设置大量的发送器和接收器。在完全电子波束成形的情况下的挑战在于应当使用具有相对小的个体孔径的多个天线。此外，期望通常均设置有天线元件144、303的发送器和接收器二维地(在x和y方向上)排列(图2)。

因此，用于确定拓扑的物位测量技术通常需要多个发送器和接收器，从而导致多于4个的多个芯片。

用于确定拓扑的雷达物位测量装置通常包括多个发送和接收天线。这类系统也被称为mimo(多输入多输出)系统。数字波束成形的特定方法能够在发送侧和接收侧数字地影响发送和接收阵列天线的方向性，从而能够扫描填充材料表面。所述物位测量装置使用诸如混频器、低噪声放大器、耦合器、倍频器、压控振荡器(vco)等之类的多个分立射频元件以及分立模数转换器(adc)、锁相环(pll)、电压控制器、滤波器、放大器以及用于每个发送和接收通道的其它低频组件。这种特性经常使得mimo系统复杂、庞大且昂贵。

在高度集成的雷达芯片301的情况下，在一个芯片301上已经完全集成有多个上述组件。pll、vco、混频器、adc、滤波器、控制单元、spi接口、放大器、开关和电压控制器已经被集成。因此，在电路板上可以节省大量空间。所述芯片301在成本方面具有其它优点，因为所述芯片比包括多个不同的独立组件的分立结构便宜。mimo芯片301例如具有三个发送器级和四个接收器级。可能的发送频率范围例如可以在55ghz和65ghz之间，或者也可以在75ghz和85ghz之间。

利用(包括相关的总线305的)数字接口(spi、i²c等)对雷达芯片301进行参数化。能够设置或读出各种参数，以调整调制类型、带宽、频率范围、采样频率、if滤波器特性(中频信号)等。通常，包含有关物体相对于监视区域的间距和角度的信息的模拟if信号也在雷达芯片301上被数字化，以用于进一步的信号处理。

所述雷达芯片301的操作通常所依据的雷达方法是特定的频率调制连续波雷达方法(fmcw方法)。然而，在测量期间，不是仅需要调制一个频率斜坡，而是需要连续调制多个频率斜坡，这些斜坡相对彼此具有固定的时间参照。每次测量的可能的斜坡数量例如是128个。组合的所述128个斜坡被称为帧(frame)。

除了多个物体的间隔之外，有利的信号处理算法还可以确定它们的速度。与常规的fmcw方法相比，斜坡持续时间非常短，并且每个斜坡通常在10μs到500μs的范围内。由于发送信号的rf带宽可以在几百兆赫兹和四千兆(或者更高)赫兹之间的范围内，因而必须以高采样率来数字化中频信号。

在模数转换的情况下，高的rf带宽和短的斜坡持续时间的组合导致了高的采样率。

用于数字化输出信号的接口通常是高速串行差分数字接口304，例如lvds或csi2。在具有四个接收通道的雷达芯片301的示例的情况下，雷达芯片301的数字接口具有四个lvds或csi2接口，以用于发送数字化中频信号。另外，所述数字接口使用额外的差分时钟信号，为了同步接口的目的而在数字化数据的接收器处需要该差分时钟信号。取决于接口，需要其它的信号线来标记数据包的开始和/或结束。

如果雷达芯片301针对期望的应用设置太少的发送和接收通道307、308(图3)，则所述芯片301提供级联的可能性。这意味着组合多个芯片以形成同步雷达单元。因此，尽管所述发送器和/或接收器物理地处于不同的rsoc上，但因此能够利用同步信号使发送器同时发送，且/或能够使接收器同步接收。

由此，除了使用各种时钟同步线路之外，也可以将射频线路组件401上的高频信号从第一芯片301a的同步电路402分配到其它芯片301b的同步电路403。射频信号被称为本地振荡器信号(lo信号)，并且就频率范围而言，射频信号是在发送频率范围方面以整数因子分频的信号。二或四的分频因子以及其它整数分频因子也是可能的。例如，如果雷达芯片具有大约80ghz的发送频率范围，则lo信号可以因此具有大约20ghz或40ghz的频率范围。

提供射频信号的芯片被称为主设备301a。接收射频信号的芯片被称为从设备301b。

例如，包含均具有四个接收通道的四个雷达芯片的级联雷达系统(图5)具有十六个数字接口，以用于发送相关的中频信号(测量数据)。

为了处理所述数字测量数据，雷达芯片通常使用经过专门适配的信号处理器，然而，这些信号处理器具有数量极其有限的数字接口。用于数字信号处理的单元能够集成在雷达芯片自身上，但这对于级联雷达芯片以及在基于雷达的用于确定拓扑的物位测量的范围中仅是使用受限的或者完全不能使用的。

因此，为了克服这个问题，建议使用fpga组件310(fpga：现场可编程门阵列)(图3、图4a、图4b和图5)，以代替经过专门适配的信号处理器。在各种实施例中可设置所述通用组件。fpga接收中频信号的数字化值并进行算术运算，例如平均、加窗或fft(快速傅立叶变换)计算。

雷达芯片和fpga的组合的优点在于其允许八个以上的雷达芯片的灵活组合。级联如此大量的雷达芯片使得该技术在物位测量技术领域中受到关注。

如果需要更多数量的雷达芯片，则也可以使用更多fpga，并且还进而彼此同步这些fpga。

除了可编程逻辑单元之外，fpga还有利地包含集成处理器系统(ps)，该集成处理器系统(ps)可以承担控制诸如雷达芯片的参数化、能量管理、显示器的驱动或经由网络与计算机或处理控制点的通信等任务。处理器系统也可以经由数字线路306信号通知测量开始。

另外，处理器系统可以承担例如现有的物位雷达测量设备已有的信号处理任务，例如回波搜索、干扰回波的抑制等。

根据雷达芯片和fpga的类型，可能需要对数字接口进行电平调整。为此，可以使用经过特别适配的电阻网络或调整芯片。

因为针对每个通道，用于发送数字化if信号的数字接口通常由一个差分配线对组成，所以必须根据fpga设置分立的线路端接电阻。所述电阻通常为100ohm。

可以有利地使用的其它部件是放大器(或者多个放大器)，放大器包括用于来自主设备的低频信号的集成分流器，其中，低频信号用于通知测量开始。主设备发出所述信号并将其分配到所有从设备。在这种情况下重要的是，线路应当具有大致相同的长度，使得在各个雷达芯片中不存在时间偏移。

因为可以以这种方式级联相对大量的雷达芯片，所以可能的情况是，lo信号的输出级提供不了足够的用于操作所有的雷达芯片的输出功率。当在射频线路401上分配lo信号时出现的问题在于，射频线路表现出不可忽略的路径损耗。因为印刷电路板904上的雷达芯片301通常在空间上相互隔开几厘米(数量级：5-10cm)，所以用于路由lo信号的射频线路401通常也必然具有至少这种长度。标准射频基板上的典型微带线可表现出0.5至2db/cm的损耗。这主要取决于基板和频率。相反，波导可以被构造成具有小得多的路径损耗。出于这个原因，有利地，在通过微带线在印刷电路板904上将lo信号解耦之后，将信号耦合到波导中，以便在通向相邻芯片的路径上经历较小的损耗(在图11中示意性示出)。

另一种选项是使用一个或多个外部射频放大器601，以便放大射频线路401上的lo信号的rf功率(图6和图7)。所述放大器有利地具有低的噪声指数，因为所述低的噪声指数对系统性能具有直接影响。因此，为此提出了低噪声放大器(lna)。所述lna是包括单独电压源的有源部件。有利地，所述lna在雷达帧之间且/或在发送间歇期间关闭，以便节省能量并防止设备变得太热。

此外，必须确保lna在其线性范围内操作，即射频信号的输入功率不是太大。如果太大，则可能发生信号失真。由于该技术，在80ghz的情况下，半导体组件的常规输出功率在8dbm和15dbm之间，而不会发生实质性的信号失真。

如果将具有15dbm功率的射频信号馈送到具有20db增益的射频放大器601，理论上将产生35dbm的输出功率。然而，由于射频放大器601可能不再在其线性范围内工作，因此将导致不期望的信号失真。因此，必须首先使lo信号处于使射频放大器601可在其线性范围内操作的功率范围。

可行的是，对雷达芯片301的lo输出功率进行参数化并因此使其衰减。类似地，长的射频线路也可以衰减输出功率。

可行的是，可以仅在通过射频功率分配器分配lo信号并由此降低其功率之后再使用射频放大器。这种情况即为：使用多个从设备301b；或者取决于雷达芯片301，lo信号必须再次返回到主设备301a。

如图7所示，可以使用多个放大器。因为放大器也具有明确的信号处理时间，所以放大器有利地定位成使得在所有线路上形成基本相同的信号传播延迟。

因为lo信号是射频信号，所以有利地使用的波导、微带线903和/或基板集成波导(siw：substrateintegratedwaveguide)1002(图10)。类似地，为了进行线路分流，有利地使用功率分配器501(例如，威尔金森(wilkinson)分配器)和/或耦合器501(例如，环形耦合器(rat-racecoupler)或magict1401)。

有利地，如图5至7以及同样图13a和13b所示，雷达芯片定位在印刷电路板904的一侧，并且lo信号的分流和分配发生在印刷电路板904的另一侧。将在下文中对其原因进行解释。雷达芯片通常具有频率范围在数万兆赫范围内的九个或十个信号输入和信号输出。在级联雷达芯片时，除了通向发送和接收天线的线路之外，还必须在芯片之间路由lo信号。多条信号线意味着信号的交叉通常是不可避免的。

然而，因为信号线不能在印刷电路板904上交叉，所以信号通常通过过孔被引导到其它的内部印刷电路板平面(内层)803、807中，并且在那里彼此交错地路由。图8示出常规的印刷电路板层结构，其中，多个基板通过粘合膜804、806接合在一起。然而，印刷电路板904的内层通常是标准基板材料804、805、806并且不适用于射频信号。特别地，出于成本和稳定性的原因，印刷电路板904的最外侧基板层802、808中的一者或两者通常仅由针对射频技术优化的特殊基板材料(例如，rogersro3003)构成。射频基板通常是软的，并且在高频的情况下必须形成为非常薄，例如127μm。

由于这些原因，建议通过特殊的线路结构和过孔组件将lo信号从芯片侧印刷电路板平面路由到后侧，从而在那里进行分流，可选地放大并分配所述信号，并使其返回到芯片侧印刷电路板平面。在图9a和9b中可以看到这种特殊的线路结构和过孔组件(图9b示出在不存在基板材料以及铜表面的情况下的线路和过孔)。在这种情况下，其它的辅助过孔902以恒定的半径定位成围绕主过孔901，并因此形成一种同轴电路板馈通结构。过孔直径以及与主过孔的间距基本上确定了馈通结构的阻抗，并且必须匹配所使用的频率范围(例如，40ghz)。

用于在没有线路交叉的情况下路由lo信号的替代选项是将信号耦合到波导或同轴电缆中，并且构造波导或同轴电缆，使得线路彼此交错地被引导。例如，为了实现在波导中的耦合，可以使用从微带线到波导的过渡结构1101。

另一有用的线路类型是基板集成波导(siw)(图10a)。如果例如波导1001直接位于电路板/印刷电路板904上，则有利地使用所述线路类型，其中，在该电路板/印刷电路板904上，lo/rf信号必须通过微带线来路由。因为波导通常由金属构成，所以它可能导致微带线短路，从而导不能进行信号发送。因为所述siw在印刷电路板表面上具有纯金属表面，且波导是否定位在其上无关紧要(参见图10c)，因此siw在这方面具有优点。

图10b示出从微带线技术到siw的过渡结构。

随后，信号必须再次被耦合到印刷电路板904上的微带线中，以便能够被路由到雷达芯片中。

在诸如高压和低压、高温和低温、污染、灰尘、湿气、雾气等之类的恶劣处理条件下仍可运行的稳健的天线设备是雷达物位测量装置的特征。此外，天线还必须保护电子器件免受上述影响并且通常被构造成使得也符合诸如防爆等安全性至关重要的方面。

因此，所述特性也可以实现在用于确定拓扑的雷达物位测量装置中。与对于在汽车工业中使用的这种要求不高的雷达装置的情况不同，过程测量技术经常使用波导和喇叭辐射器。

此外，在用于数字波束成形的系统的情况下，有利的是，一个或多个天线元件具有小于或等于λ/2的间隔，其中λ表示发送信号的波长。对于这种情况，必须使用特殊的波导耦合部302，以便将来自电路板的信号耦合到(喇叭)天线303中。

包括级联雷达芯片的用于确定拓扑的雷达物位测量装置的另一个问题在于上述天线仅能够布置成特定图案。有利的图案是天线元件的t形或l形布置。为了在射频信号的情况下避免长的线路长度，建议将雷达芯片定位在印刷电路板的上下表面上，以便从雷达芯片到波导耦合部的线路长度对于所有rf信号大致相同。

本发明的基本构思可以被认为是提供用于确定填充材料表面的拓扑的雷达物位测量装置101，该雷达物位测量装置由多个集成雷达芯片301构成或至少包括多个集成雷达芯片301，雷达芯片301利用由一个雷达芯片301a产生并在射频线路401上被路由的射频信号(本地振荡器信号)相互同步，并且本地振荡器信号通过除微带线类型903之外的至少一个其它线路类型发送。

图14a示出射频线路组件，射频线路组件将来自第一雷达芯片的第一同步电路402(参见图5)的射频信号路由到从芯片的相应同步电路403，使得主芯片可以同步从芯片。

印刷电路板接合线路903通向波导耦合部，使得此后，射频信号能够进一步被波导1401路由。射频功率分配器501设置在波导1401中，功率分配器将射频信号分配到两个波导上，这两个波导然后分别通向用于将射频信号转发到相关的雷达芯片的印刷电路板接合射频线路903。

与图14a相比，在根据图14b的实施例中，在第一印刷电路板接合线路中设置有射频放大器601，以便在射频信号被耦合到波导1401中之前放大射频信号。

图15a示出印刷电路板的上表面上的包括功率分配器501的射频线路组件的另一实施例。如在图9a和9b中更详细地示出，起始点1501和终止点1502、1503均包括过孔。

图15b对应于图15a的实施例，并且还包括在功率分配器501的上游的放大器601。

图15c示出图15a和15b的印刷电路板的下表面，其示出雷达芯片301和与通向图15a和15b所示的过孔的其它同步电路连接的线路。

另外，应当注意的是，“包括”和“具有”不排除任何其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。另外，应当注意的是，已经参考上述实施例中的一者描述的特征或步骤也能够以与上述其它特征或步骤或者其它实施例组合的方式使用。权利要求中的附图标记不应视为限制性的。