用于雷达天线的波导耦合结构的制作方法

一般而言，本发明涉及物位测量。特别地，本发明涉及用于(例如被构造为填充物位雷达天线和/或线扫描器的)雷达天线的波导耦合结构。本发明还涉及具有相应的波导耦合结构的填充物位雷达天线和具有填充物位雷达天线的填充物位测量装置。

背景技术：

具有填充物位雷达天线的填充物位测量装置尤其可用于检测例如松散材料或移动流体的填充材料表面的表面拓扑。在此情况下，使用测量波束不断地扫描填充材料的表面，并因而确定表面拓扑。例如可以使用由大量的辐射元件制成的被称为线扫描器的一维阵列来控制测量波束，其中，该阵列允许对填充材料表面进行一维扫描。如果该阵列还进行旋转，则能够进行对表面的二维扫描。

技术实现要素：

可见，本发明的目的在于提供用于雷达天线、尤其用于填充物位雷达天线的波导耦合结构，该波导耦合结构能够实现对所发射的雷达信号的聚焦，且同时具有紧凑设计。

该目的是通过独立权利要求的主题来实现。从属权利要求和下面的说明给出了本发明的其它实施例。

本发明的第一方面涉及用于雷达天线、尤其用于填充物位雷达天线的波导耦合结构。波导耦合结构包括辐射元件、波导和衬底，辐射元件连接到微带线并被构造成用于发射和/或接收雷达信号，波导用于传导雷达信号，衬底例如是电路板，微带线、辐射元件和波导布置在电路板上。在此情况下，在穿过波导的横截面中，波导具有窄边和宽边，窄边短于宽边。这里，窄边和宽边可以是在波导的内面、内侧或内表面上测量出的或在波导的外面、外侧或外表面上测量出的。微带线通过波导的窄边被引导至波导中并到达布置在波导内部的辐射元件，微带线和辐射元件布置在衬底的面对波导的面、侧和/或表面上。面可以例如表示衬底的外面、侧和/或外侧。

辐射元件常常被称为“贴片”，且可表示平面的、平坦的和/或板状的例如由铜制成的传导元件，微带线布置在辐射元件上。雷达信号或通常的电磁信号能够通过微带线被供应到辐射元件，辐射元件在其上发射雷达信号，雷达信号的场矢量具有特定的定向。接着，所发射的雷达信号能够耦合和/或过耦合到波导中，并接着例如被引导且发射到雷达天线和/或填充物位雷达天线的天线元件。相反地，雷达信号(例如，从填充材料表面反射的雷达信号)例如通过天线元件被耦合到波导中，并从波导被过耦合到辐射元件上。接着，该信号通过微带线被供应到评估电子系统。

例如，对于诸如线扫描器等一维阵列天线，如上所述的多个波导耦合结构对齐在轴线上，例如沿着直线布置。为了通过使用雷达天线和/或填充物位雷达天线实现改进的聚焦，例如，可以减小使用雷达天线和/或填充物位雷达天线发射的主波束或主瓣的直径。另外，这可以有利地避免由干涉引起的旁瓣和/或栅瓣。

归因于根据本发明的波导耦合结构的在波导的窄边处将微带线引入到波导中的构造，能够将波导耦合结构实现为紧凑设计，且能够在雷达天线和/或填充物位雷达天线中将多个这种类型的波导耦合结构紧密地布置在一起。由此，能够实现小了的波导耦合结构和/或相邻的波导的小于或等于所发射的雷达信号的波长的一半的间隔。因而，能够减小主瓣的直径，能够避免旁瓣和/或栅瓣，且能够实现改进的聚焦。另外，能够实现雷达信号的放大。

根据本发明的一个实施例，波导的内部至少部分地填充有电介质和/或电介质材料。由此，能够减小波导的横截面和/或横截面区域，且进一步能够减小波导耦合结构的尺寸。

根据本发明的一个实施例，波导的横截面和/或横截面区域为椭圆形、卵形和矩形。例如，横截面可以是具有圆形角部的矩形。横截面可特别地表示波导的内横截面，所以波导也可以例如具有圆角的外横截面和椭圆形、卵形或矩形的内横截面。

根据本发明的一个实施例，辐射元件是例如被构造成平坦的、平面形状和/或被构造成贴片的板形状。替代地或额外地，辐射元件具有第一角部和第二角部，第一角部的曲率半径小于第二角部的曲率半径。换句话说，第一角部和第二角部的曲率半径不同。这里，第一角部和第二角部均表示辐射元件的外边缘。第一角部的曲率半径例如可以在0.2mm和0.3mm之间，例如0.25mm。替代地或额外地，第二角部的曲率半径例如可以在0.5mm和0.6mm之间，例如0.55mm。替代地或额外地，第一角部可以与第二角部相对，即，第一角部和第二角部在辐射元件的纵向上彼此相对。而且，替代地或额外地，辐射元件可具有至少两个具有相同的曲率半径的角部。例如，可设置有另外的角部，该角部的曲率半径等于第一或第二角部的曲率半径。

一般而言，归因于辐射元件的几何构造，能够影响由辐射元件发射的雷达信号的电场矢量的方向。而且，由于高次模的信号具有不同的传播速度，且在一些情况下可导致测量误差，所以应当在波导中激励出基模。在常规的波导耦接结构中，微带线和辐射元件被从波导的宽边引入，使得波导基模和由辐射元件发射的雷达信号的电场矢量彼此平行地定向。然而，根据本发明，微带线被从波导的窄边引入，所以这些电场矢量不再彼此平行地定向。归因于上述的辐射元件的几何构造，能够有利地使由辐射元件发射的雷达信号的电场矢量旋转，使得该电场矢量以平行于波导基模的电场矢量的方式定向。由此，在整体上提供了改进的微带线/波导转变结构。

根据本发明的一个实施例，为实现带宽的增加和/或为了增加带宽，在波导内部布置有传导元件，该传导元件邻近于和/或紧邻于辐射元件。传导元件常常被称为寄生传导元件或寄生贴片元件。因而，传导元件的纵向能够以横向于微带线的纵向的方式延伸和/或伸展。替代地或额外地，传导元件的至少两个角部可具有不同的曲率半径。一般而言，通过使用传导元件，能够有利地增加微带线/波导转变结构的带宽。

根据本发明的一个实施例，波导在窄边上具有凹槽，通过该凹槽将微带线引导至布置在波导内部的辐射元件。波导的凹槽可例如被构造在波导的端面和/或端表面上。

本发明的第二方面涉及具有多个如上文和下文所述的波导耦合结构的填充物位雷达天线。波导耦合结构的相邻的辐射元件，尤其是直接相邻和/或紧邻的辐射元件相对彼此以等于或小于雷达信号的波长的一半的间隔布置。由此，能够改进填充物位雷达天线的聚焦。雷达信号的最高频率可例如为81ghz。因而，信号中出现的最小波长将是约3.7mm，所以两个直接相邻的辐射元件的最大间隔可以是1.85mm。

根据本发明的一个实施例，多个波导耦合结构的辐射元件、微带线和波导布置在共同的衬底上，尤其电路板衬底上。填充物位雷达天线可例如被构造成抛物线槽、喇叭辐射阵列天线和/或阵列天线(例如一维或二维阵列天线)。

本发明的第三方面涉及具有如上文和下文所述的填充物位雷达天线的填充物位测量装置。填充物位测量装置可例如被构造成用于确定填充材料表面的拓扑。

如上文和下文所述的波导耦合结构的特征和元件可以是如上文和下文所述的填充物位雷达天线和/或填充物位测量装置的特征和元件。相反地，如上文和下文所述的填充物位雷达天线和/或填充物位测量装置的特征和元件可以是如上文和下文所述的波导耦合结构的特征和元件。

下文将参照附图详细说明本发明的实施例。

附图说明

图1示出根据本发明的一个实施例的物位测量装置。

图2示出根据本发明的一个实施例的填充物位雷达天线。

图3a示出根据一个实施例的用于雷达天线的波导耦合结构。

图3b示出图3a中的波导耦合结构的阵列。

图3c示出图3a中的波导耦合结构的阵列。

图4示出根据本发明的用于根据本发明的一个实施例的填充水平雷达天线的波导耦合结构。

图5a是根据本发明的用于根据本发明的一个实施例的填充水平雷达天线的波导耦合结构的平面图。

图5b是图5a中的波导耦合结构的立体图。

图6a是根据本发明的用于根据本发明的一个实施例的填充水平雷达天线的波导耦合结构的平面图。

图6b是图6a中的波导耦合结构的立体图。

图7a是根据本发明的一个实施例的具有图6a和图6b中的波导耦合结构的波导耦合结构阵列的平面图。

图7b是图7a中的波导耦合结构阵列的立体图。

这些附图中的示图是示意性的且没有按照比例绘制。如果在不同的附图中使用相同的附图标记，则这些附图标记可表示相同的元件、具有相同功能的元件或类似的元件。

具体实施方式

图1示出根据本发明的一个实施例的拓扑检测用填充物位测量装置100，如上文及下文所说明，填充物位测量装置100可具有填充物位雷达天线50。填充物位测量装置100能够从不同的角度范围101、102、103检测回波信号和/或回波曲线。针对所确定的每个回波曲线，检测相对于填充材料或松散材料105的表面104上的各个点的距离。因而，能够通过这些距离值的数值积分且通过预知松散材料下方的水平面106或利用已知的容器几何形状来确定松散材料堆107的体积。而且，当密度已知时，还能够计算松散材料105的质量。

填充物位测量装置100具有用于固定填充物位雷达天线50的天线支架108。取决于填充物位测量装置100的构造，天线支架108可例如通过旋转100或通过倾斜来机械地调整填充物位雷达天线50的主波束方向。而且，填充物位测量装置100可被构造成用于执行数字波束成形(digitalbeamshaping)。这里，填充物位测量装置100具有填充物位雷达天线，填充物位雷达天线包括多个发射和/或接收元件以及适于执行数字波束成形方法的评估单元111。

图2示出用于拓扑检测用物位检测的雷达天线50和/或填充物位雷达天线50。填充物位雷达天线50包括具有天线布置结构52的阵列天线53。天线布置结构52具有布置在行58中的多个均能够发射并且/或者接收雷达信号的天线元件54。

阵列天线53例如可以固定在可旋转的支架108(参见图1)上。阵列天线53沿着x方向(横向)聚焦由天线元件54发射和/或接收的电磁波或雷达信号。另一方面，仅在对所接收的信号进行检测之后，在评估单元111(参见图1)内沿y方向(纵向)对相应信号进行聚焦。特别地，这个过程也允许对y方向上的天线布置结构的主接收方向针对性地进行控制。阵列天线53例如可以被构造为抛物线槽(parabolictrough)56或喇叭辐射阵列天线。

如果阵列天线53连接到固定的支架而不是可旋转的支架108，则可以以此方式提供二维天线阵列，该二维天线阵列可具有沿着x方向和y方向分布的大量天线元件54。评估单元111(参见图1)通过二维数字波束成形方法来关联由天线元件54接收的信号，并能够针对性地使主接收方向沿着x方向且沿着y方向偏转。

为了在数字波束成形期间避免栅瓣，两个相邻天线元件54之间的物理距离应当小于或等于所使用的雷达信号的波长的一半。这种限制经常导致较大数量的天线元件54，并因此对于填充物位雷达天线50来说导致高的电路支出及高的相关制造成本。

图3a示出用于根据一个实施例的填充物位雷达天线50的波导耦合结构10。图3b和图3c均示出图3a中的用于填充物位雷达天线50的波导耦合结构10的阵列51。在图3b中，波导耦合结构10布置在y方向上。一般而言，“波导耦合结构10的阵列51”可表示“波导耦合结构10的布置结构51”。

波导耦合结构10具有微带线12，辐射元件14布置和/或固定在微带线12的端部处。辐射元件14也经常被称为发射元件14或贴片元件14。此外，波导耦合结构10还具有波导16，波导16具有矩形横截面，该矩形横截面可选地具有圆角边缘。这种类型的波导耦合结构10常常也被称为矩形波导耦合转变结构10。在横截面中，波导16具有窄边18和长于窄边18的宽边20。此外，如在图3a至3c中可见，微带线12被引导穿过波导16的宽边20或在宽边20上被引导，并连接到布置在波导16内部的辐射元件14。在此情况下，例如来自填充物位雷达天线50的高频前端部且通过微带线12被供应到辐射元件14中的电磁波或雷达信号能够过耦合到波导中。这证明了如下事实是有利的：所发射的雷达信号的电场的场矢量与波导16的基模(basicmode)的电场矢量在相同的方向上定向。在这种情况下，这些电场矢量都在y方向上定向。

对于一维阵列天线53和/或线扫描器，多个这种类型的波导耦合结构10应当对齐在轴线58(参见图2)上，且具有小于或等于雷达信号的波长的一半的间隔，即，间隔≤λ/2，其中λ表示所使用的雷达信号的最小波长(图3b、图3c)。由于微带线12仍必须被从波导16中引导出来的缘故，在图3b所示的波导耦合结构10的阵列51(其能够安装在填充物位雷达天线50中)的实施例中，不能实现间隔≤λ/2。在图3c的情况下，由于波导16的宽边20的已大于λ/2的尺寸，所以不能实现间隔≤λ/2。

图4示出根据本发明的一个实施例的用于填充物位雷达天线50的波导耦合结构10。除非另有说明，图4的波导耦合结构与上述的附图中的波导耦合结构具有相同的元件和特征。

微带线12、辐射元件14和波导16布置在衬底22(例如，电路板22)上，这里，微带线12和辐射元件14布置和/或固定在衬底22的面对波导16的面24上。面24例如可以是指衬底22的外面24、侧24和/或外侧24。面24例如可以是指衬底22的顶层和/或表面层。在附图中仅示意地示出了衬底22自身。如图5b、6b和7b所示意地示出，衬底22还可具有多个层并且/或者其厚度大于微带线12的厚度。

为了能够提供波导耦合结构10和装配有波导耦合结构的填充物位雷达天线50的紧凑性设计(其中，相邻的波导耦合结构10彼此之间的间隔和/或相邻的波导彼此之间的间隔小于雷达信号的波长的一半，即≤λ/2)，本发明将微带线12通过波导16的窄边18被引导到波导16中。特别地，这种类型的微带线/波导转变结构对于线扫描器是有利的，这是因为通过波导16的小于或等于λ/2的间隔并因此通过天线和/或波导耦合结构10的小于或等于λ/2的间隔，能够避免栅瓣的出现。即使小于或等于λ/2的小间隔，仍能够利用微带线12以此方式对辐射元件14进行供应。

在将微带线12耦合在波导16的窄边18上时的技术挑战在于使发射元件的电场旋转使得在波导16中激励出基模。在图4中，由辐射元件14发出的雷达信号的电场矢量在x方向上定向，而波导基模的场矢量在y方向上定向。因而，在此情况下，相对于波导16的基模的电场，使所发射的电场旋转90°。因而，首先仅有的可能在于，困难地且高衰减地传播电磁波。

图5a是用于根据本发明的一个实施例的填充物位雷达天线50的波导耦合结构10的剖面图。图5b是图5a中的波导耦合结构10的立体图。除非另有说明，图5a和5b的波导耦合结构10与前述的附图中的波导耦合结构具有相同的元件和特征。

为了旋转由辐射元件14发射的雷达信号的电场矢量并为了使其虚拟地以平行于波导16的基模的电场矢量的方式定向，本发明提供了具有特定几何形状的辐射元件14。

辐射元件14和供应点15(在此点处，微带线12连接到辐射元件14)的角部的曲率半径能够大体上用于有利地旋转电场，并因而优化与波导16的耦合或优化基模的激励。

图5a和5b的辐射元件14为板形状，且具有第一角部14a、第二角部14b、第三角部14c和第四角部14d。角部14a至14d可例如表示辐射元件14的边缘14a至14d。第一角部14a的曲率半径小于以与第一角部14a相对的方式布置的第二角部14b的曲率半径。第四角部14d的曲率半径等于第二角部14b的曲率半径。第二角部14b在对角线上并且/或者在辐射元件14的对角方向上以与第四角部14d相对的方式布置。第一角部14a的曲率半径例如在0.2mm和0.3mm之间，例如0.25mm。第二角部14b和第四角部14d每者的曲率半径例如在0.5mm和0.6mm之间，例如0.55mm。

此外，微带线12在第三角部14c处连接到辐射元件14，第三角部14c在对角线上并且/或者在辐射元件14的对角方向上以与第一角部相对的方式布置。在某种程度上，在第三角部14c的区域上和/或中，供应点15布置在微带线12和辐射元件14之间。

微带线12也在衬底22的表面24上被引导穿过波导16中的凹槽17，凹槽17形成在波导16的一个端部的端面上。面24可例如表示衬底22的外面24、侧24和/或外侧24。表面24可例如表示衬底22的顶层和/或表面层。

图6a是用于根据本发明的一个实施例的填充物位雷达天线50的波导耦合结构10。图6b是图6a中的波导耦合结构10的立体图。除非另有说明，图6a和6b的波导耦合结构与前述附图中的波导耦合结构具有相同的元件和特征。

除辐射元件14之外，在辐射元件14的与微带线12相对的一侧还布置有传导元件26，传导元件26常常也被称为寄生元件26或寄生贴片元件26。

传导元件26为板形状，并且/或者大体上为矩形形状。此外，在波导16的内部，传导元件26布置在衬底22和/或面24上，使得传导元件26的纵向以横向于微带线12的纵向的方式定向。

传导元件26具有第一角部26a、第二角部26b、第三角部26c和第四角部26d。在对角线上相对的角部26a和26c具有相同的曲率半径，并且26b和26d具有相同的曲率半径。第一角部26a和第三角部26c的曲率半径可以在0.05mm和0.15mm之间，例如0.1mm。第二角部26b和第四角部26d的曲率半径可以在0.025mm和0.075mm之间，例如0.05mm。

此外，传导元件26布置成使得，与第四角部26d相比，第三角部26c相对于辐射元件14更远地间隔开。

与真正的辐射元件14相邻地放置的传导元件26用于增加带宽。

图7a是波导耦合结构10的阵列51的平面图，阵列51具有图6a和6b中的用于根据本发明的一个实施例的填充物位雷达天线50的波导耦合结构10。图7b是图7a的波导耦合结构10的阵列51的立体图。除非另有说明，图7a和7b的波导耦合结构与前述附图中的波导耦合结构具有相同的元件和特征。

图7a和7b的波导耦合结构10的阵列51和/或布置结构具有彼此相邻地布置的两个图6a和6b所示的波导耦合结构10。如图所示，图6a和6b的波导耦合结构10以小于或等于λ/2的间隔彼此相邻地布置在公共衬底22上。微带线12和辐射元件14也以小于或等于λ/2的间隔彼此相邻地布置在公共衬底22上。由于互易部件的缘故，在波导16中激励的波以与相反的情况相同的程度耦合到微带线12。因此，这些转变结构或波导耦合结构10不仅能用于发送雷达信号，且能用于接收雷达信号。

微带线12与辐射元件14布置在衬底22的面对波导16的相同面24上。面24可例如表示衬底22的外面24、侧24和/或外侧24。面24还可例如表示电路板层，例如顶层24。换句话说，根据本发明，没有利用微带线12通过衬底22从下侧(底层)对辐射元件14进行供应。如下文所总结，通过这里提出的转变结构产生了关于层结构和衬底22的优点。在80ghz附近的高频率的情况下，电路板的衬底22变得非常薄(＜200μm)，且也被称为高频衬底(hf衬底)。因此，通过利用预浸料层将适用于高频的薄衬底粘合在例如由fr4材料制成的稳定电路板上，将电路板或衬底22构造成稳定化的夹层结构(sandwichstructure)。接着，通常将与hf衬底22具有类似厚度的另一电路板应用到fr4板或电路板的下侧。于是，实现了对称的层结构，该层结构具有在受热时不会丢失其形状的优点。

在这种夹层结构的情况下，在下侧将结构刻蚀到hf衬底中的过程涉及技术方面的高支出，这是因为在刻蚀之后，该下侧仅能够被粘合到fr4核。于是，在被刻蚀的hf衬底中可发展出翘曲。优选地仅在夹层结构已被粘合在一起之后执行刻蚀。

另一方面，在根据本发明的结构中，可以在衬底22的下侧或hf板的下侧形成连续的铜表面，该表面能够连接到地电位且在该表面中不必刻蚀出任何结构。

另外，应当指出的是，“包括”和“具有”并未排除任何其它元件或步骤，且“一个”并未排除多个的情况。而且，应当指出的是，参照上述实施例中的一者说明的特征也能够与上述实施例中的其它实施例组合地使用。权利要求中的附图标记不应视为具有限制性。