專利名稱：用于料位雷達天線系統的模塊設計的制作方法
技術領域：
本發明涉及料位測量。具體而言，本發明涉及一種用于組裝料位雷 達天線的一套部件或模塊系統，還涉及一種料位雷達天線，并且還涉及 一種料位雷達。
背景技術：
在料位雷達測量的領域中使用多種測量系統，每種測量系統適合于 相應的測量環境。根據應用領域，可以考慮多種傳輸信號的頻率。可能 的頻率范圍到100GHz之上。根據外部環境、使用的傳輸頻率以及傳輸 信號在其離開天線之后的期望最大加寬，可以使用多種不同的天線尺寸 和天線形狀。
對于終端用戶，這意味著，根據希望的規格，所述終端用戶可能必 須獲得對應構造的天線。如果天線必須滿足的要求變化非常大，則可能 必須獲得新的天線。

發明內容
本發明的目的是闡述一種靈活性改善的料位雷達天線系統。
這里闡述的是根據獨立權利要求的特性的用于產生即組裝料位雷 達天線的模塊系統即一套部件、料位雷達天線以及料位雷達。本發明的 示例性實施方式在從屬權利要求中描述。
所描述的示例性實施方式同樣涉及模塊系統、料位雷達和料位雷達 天線。換言之，在下文中與料位雷達天線相關而敘述的特性也可以在模塊系統中或者在料位雷達中實現，反之亦然。
根據本發明的示例性實施方式，闡述了一種模塊系統，例如用于組 裝料位雷達天線的一套部件，該模塊系統包括第一模塊和第二模塊。所 述第一模塊是填充有介電材料的基礎天線觸角并且用于將傳輸信號饋 送到所述第二模塊。所述第二模塊設計成發射傳輸信號到料位表面，其 中所述第二模塊是擴展觸角、拋物線形天線、填充的天線觸角、具有透 鏡的天線觸角、直管天線或者桿狀天線。
利用這種模塊系統，闡述了用于料位雷達的天線系統，在該天線系 統中，小的、被填充的并且緊密的天線觸角(基礎天線觸角)使得用于 多種另外的天線系統(第二模塊)的耦合接入成為可能，并且同時對于 自身而言，換言之，在沒有任何擴展的情況下，用于利用雷達進行料位 測量。在下文中，這種天線觸角被稱為"基礎觸角"、"基礎天線觸角" 或"基礎觸角天線"。
根據本發明的示例性實施方式，所述第一模塊(基礎天線觸角)設 計成用于以可拆卸的方式連接到所述第二模塊。
這樣，當所述料位雷達天線例如將要被用在例如要求不同的傳送光 束的聚焦的某種其它測量環境中時，所述第二模塊可以以簡單的方式更 換。
根據本發明的另外的示例性實施方式，所述第 一模塊包括第 一螺紋 而所述第二模塊包括對應于所述第一螺紋的反螺紋，其用于產生可拆卸 的連接.
這樣，兩個模塊可以擰在一起。在這個位置，其它類型的連接件也 是可能的。例如，所述兩個模塊可以通過凸緣連接件而連接。在這種布 置中，所述兩個模塊例如使用四個螺釘連接。另外的選擇包括插頭型連 接件，該插頭型連接件隨后以已知的方式卡入到適當的位置中.
根據本發明的另外的示例性實施方式，模塊系統還包括設計成波導 (所謂的饋電波導)的第三模塊。第三模塊也可以通過可拆卸的連接件 而連接到第一模塊。根據本發明的另外的示例性實施方式，第一模塊包括波導部，傳輸 信號通過該波導部從源饋送，例如饋送到所述料位雷達的電子模塊。
才艮據本發明的另外的示例性實施方式，所述第 一模塊的波導和/或波 導部包括玻璃窗口，玻璃窗口的厚度大約對應于傳輸信號的半波長的整 數倍。
這樣，可以提供與壓力相關的處理分隔(換言之，在可能爆炸的范 圍內將可能爆炸的區域分隔開的部件)。
為了增大玻璃窗口的帶寬，可以在一側或者兩側上用低介電常數值
的介電材料涂覆.例如PTFE就合適于此。在每種情況中，涂層包括厚 度大約為入/4的材料。例如，利用兩個厚度為入/4的PTFE盤，玻璃窗 口的帶寬幾乎加倍。
根據本發明的另外的示例性實施方式，第二模塊設計成Cassegrain 天線。這是例如拋物線形天線的特殊形式。
根據本發明的另外的示例性實施方式，第一模塊包括布置在第一模 塊和第二模塊之間的透鏡。
根據本發明的另外的示例性實施方式，透鏡設計成用于將傳輸信號 耦合到第二模塊中。
根據本發明的另外的示例性實施方式，模塊系統i殳計成傳輸信號的頻 率在75GHz和110GHz之間的范圍內。所i^塊系統也可以設計成頻率低 于75GHz或者高于U0GHz。
根據本發明的另外的示例性實施方式，第 一模塊和第二模塊之間的 過渡、或者第一模塊和第三模塊之間的過渡設計成是無縫的，使得第二模 塊直接在第一模塊的天線填充物上開始，或者第三模塊直接從第一模塊繼 續。
根據本發明的另外的示例性實施方式，闡述了一種料位雷達天線， 該料位雷達天線包括上文和下文中所描述的模塊系統的第一模塊和第 二模塊.
7根據本發明的一個另外的示例性實施方式，描述了具有料位雷達天 線的料位雷達，該料位雷達天線包括上文和下文中所描述的模塊系統的 第一模塊和第二模塊。下面，參照附圖描述本發明的示例性實施方式。


圖l示出了根據本發明示例性實施方式的第一模塊的截面圖。圖2示出了根據本發明示例性實施方式的第一模塊、第二模塊以及 第三模塊的截面圖。圖3示出了根據圖2的布置的區域的放大視圖。圖4示出了具有設計為歌西格蘭(Cassegrain)天線的第二模塊的 第一模塊。圖5A示出了根據本發明的另外的示例性實施方式的第一模塊的截 面圖。圖5B示出了圖5A的模塊的放大截面。圖6示出了根據本發明的另外的示例性實施方式的第一模塊的截面圖。圖7A示出了根據本發明的另外的示例性實施方式的第一模塊的截 面圖。圖7B示出了圖7A的模塊的放大的截面。圖8示出了根據本發明的示例性實施方式的料位雷達。
具體實施方式
附圖中的圖是圖示性的，并且不是按照比例的。在下面對圖的描述中，相同的附圖標記用于相同或者相似的部件。圖l示出了基礎天線觸角101的截面圖。基礎天線觸角101包括天線殼體113、 114。殼體114的區域是圓錐形的，以便其形成至少部分用 介電材料107填充的天線斗。區域113是圓柱形的，以便其形成波導部 106。介電填充物107的以圓錐形逐漸變細的尖端突出到波導部106中。另外，設置有透鏡105，其也包含介電材料。例如，透鏡105、天線填充物107以及圃錐形尖端115可以形成為 一個部件。另夕卜，這三個部件105、 107以及115可以結合并且可以用不同的材 料制成。基礎觸角IOI是模塊系統的中心部件，換言之，是模塊系統的基礎。 基礎觸角設計成使得將在下面更詳細說明的所有其它天線類型或者天 線擴展，都可以用該基礎觸角饋給。另外，所述基礎觸角自身，換言之， 即使沒有任何形式的擴展，也可以用于料位測量。這提供的優點在于， 一方面，測量也可以在很小的容器開口中發生，另一方面，根據要求、 應用以及可用的空間，可以附加不同的擴展。例如，用單個模塊構造的料位雷達天線被用在W-帶中。W帶的范 圍從75GHz到llOGHz。具體而言，料位雷達天線可以用在79GHz (帶 寬，例如是土2GHz或者土3GHz)的中心頻率。在這種布置中，基礎觸 角101可以包括例如19.05cm (7.5〃 )的外徑，其然后具有0.5mm壁 厚的天線觸角，對應于大約18mm的天線孔徑。應當提及的是79GHz的頻率也在范圍從60GHz到卯GHz的所謂 E-帶中，因為這些"標準帶"重疊。如果天線沒有被填充，那么天線觸角114將具有大約110mm的最 佳長度。通過用放到適當位置的透鏡105和介電材料(例如聚四氟乙烯 (PTFE)或者聚丙烯(PP))填充天線，透鏡105用相同的材料制成， 觸角長度可以減小到大約四分之一，即25到30mm。在這種布置中， 透鏡可以具有任何希望的形狀，并且特別地可以用某種其它介電材料制 成，只要所述透鏡起到會聚透鏡或者凸透鏡的作用即可。例如，透鏡是 球形的、非球形的，或者透鏡是菲涅耳透鏡。另外，透鏡可以是圓錐形 的。特別是，通過給透鏡賦予相應的形狀，實現了與冷凝殘留相比改進了的液滴滴漏行為。在非發射端，基礎觸角101自身包括可被填充或者不填充的波導 106、 113。如果波導沒有被填充，那么天線觸角114的介電填充物107 可泄露到波導106中。這由尖端115示出。在圃錐形觸角中，例如，介 電填充物可正好到達由圓錐形觸角形成的圓錐體的假想尖端。當然，波 導中的尖端也可采取不同于天線斗114的開度角的角度。例如，圃錐形觸角的波導設計為圓形波導。然而，波導也可以釆取 某種其他的形式，例如橢圓形或者矩形。在這個波導106、 113中，微 波信號從電子頻率單元或高頻率單元805 (參見圖8)耦合接入和/或耦 合接出。波導106，或者從它延續出來的波導103，可以包括玻璃窗口 104 (例如參見圖5A)。這個玻璃窗口被用作區域分開部件。為了確保最佳 功能，玻璃窗口的厚度是入的一半或者其倍數，其中入等于傳輸信號的 波長(與系統的中心頻率相關)。值入的一半與用于窗口的玻璃的介電 常數值有關，即玻璃窗口內傳輸信號的波長的一半。為了增大帶寬，玻璃窗口可以在一側或者兩側涂覆有低介電常數值 的電介質。例如，PTFE是適合于此的一種材料。安裝可以通過例如接 合到玻璃進行。為了確保最佳功能，這種電介質的厚度應當是四分之一 入，其中這里入仍然等于與系統中心頻率有關的傳輸信號的波長。值入 的四分之一也與用于涂覆的材料的介電常數值有關，即其是在用于玻璃 窗口的涂層內的傳輸信號的波長的四分之一。如圖5A、 6、 7A中所示，玻璃窗口可能已經安裝在波導部件106 的頂部。玻璃窗口到波導106的附接通過例如焊接完成；但是所述附接 也可以通過圓周螺紋實現。如上面已經描述的那樣，基礎觸角IOI可以直接用于在過程內進行 測量。另外，所述基礎觸角IOI也可以與其它天線一起使用用于耦合接 入。下面描述了可連接到基礎天線觸角101的多種附加模塊組件。圖2示出了基礎天線觸角101的截面圖，該基礎天線觸角101在其 前部連接到擴展觸角102，并且在其后部連接到波導103。因此，基礎觸角101用于耦合接入到擴展觸角102中。在這種情況 下，擴展觸角102可以設計成與其中到擴展觸角102的加寬直接從波導 103進行的布置的情況(即，擴展觸角直接連接到波導103)相比更短。擴展觸角102在內部108中是圓錐形的。擴展觸角102的內部108 可以是"空的"或者可以部分或者全部用介電材料填充。波導103例如擰到基礎觸角101的波導部106以便其可以容易地斷 開連接。當然，基礎觸角101的波導106也可以直接連接到料位雷達的電子 元件。例如，在W-帶中，可以考慮下面的尺寸誦直徑5.08cm ( 2英寸)的天線觸角具有425mm的總長度，包括耦 合到內徑3.1mm的波導中。國直徑5.08cm ( 2英寸)的擴展觸角(模塊2 )具有270mm的總長 度，包括直徑為19mm (0.75英寸)的基礎觸角(模塊l)。這可能導致天線縮短到初始長度的64%。-直徑2.54cm (1英寸)的天線觸角具有150mm的總長度，包括耦 合到內徑3.1mm的波導中。-直徑2.54cm (1英寸)的擴展觸角(模塊2 )具有115mm的總長 度，包括直徑為19mm (0.75英寸)的基礎觸角(模塊l)。這可能導致縮短到初始長度的77%。特別是在大天線的情況下，天線的長度可能有顯著的縮短，在每種 情況中都具有可比較的電天線等級，例如天線增益或者3dB的開度角。圖3示出了根據圖2的布置的部分截面的放大視圖。基礎觸角101 與擴展觸角102之間的過渡部301是無縫的，擴展觸角102在天線填充 物或透鏡105的端部直接開始。微比基礎觸角101的填充物的直徑大。擴展觸角102到基礎觸角101的附接例如通過螺紋實現。擴展觸角 隨后僅僅檸到基礎觸角上。然而，其它類型的連接件在這個位置也是可能的。例如，兩個模塊 可以連接到凸緣連接件。在這種布置中，兩個模塊例如通過使用四個螺 釘連接。另 一個選擇是隨后以某種其它方式卡到適當位置的插頭型連接 件。圖4示出了一個另外的實施方式，在該實施方式中基礎觸角101用 于耦合到拋物線形Cassegrain天線中。拋物線形天線109包括圓錐形反 射體IIO、拋物柱面鏡111以及天線環112。箭頭401、 402代表傳輸信 號。拋物柱面鏡的焦距f和直徑D之間的比(f/D)為例如0.27，使得亞 反射體110位于鏡內或者位于鏡和鏡邊緣112內。這樣的布置例如在 EP 1619747A1中示出。例如，亞反射體110是雙曲線形狀。然而所述亞反射體110也可以 采取其它形狀，例如圓錐形。亞反射體的附接例如通過附接在拋物柱面鏡內或者位于鏡邊緣的 兩個或者多個網結構完成。這樣的附接例如可以通過焊接完成。從觸角天線101到拋物柱面鏡109的過渡例如以無縫的形式完成。另外，基礎觸角IOI可以用于耦合到另一個填充的天線觸角中。在 這個示例性實施方式中，所謂的擴展觸角102也用一種或者幾種不同的 介電材料填充。在所述擴展觸角102的端部，同樣附接有透鏡。在這種 布置中，透鏡可以具有任何希望的形狀，只要其起到會聚透鏡或者凸透 鏡的作用即可。例如其是球形、非球形或者設計成非涅耳透鏡，或者以 簡化的形式其僅僅是圓錐形。作為填充和透鏡的結果，天線系統仍然可 以進一步縮短。同時，透鏡形式可以導致與冷凝殘留相比改進了的液滴 滴漏行為。另外，基礎觸角可以用于通過透鏡耦合到較大的觸角中。
然而，在這一實施方式中，所謂的擴展觸角仍然沒有被填充。然而， 在其前端有用介電材料制成的會聚透鏡以便縮短天線長度。可能的透鏡
形狀已經在上面描述。
同樣地，基礎觸角可以用于耦合到直管天線或者桿狀天線中。
下面，將描述天線填充物到基礎天線101的殼體的可能附接。
圖5A示出了根據本發明的示例性實施方式的基礎天線101的截面 圖。天線殼體501設計成單個部件。在這一示例性實施方式中，天線的 填充物506、 507與透鏡105 —起已經被從前面推到殼體501中，使得 所述填充物506、 507和透鏡105安裝在所述殼體501中。所述填充物 通過從前面擰上的安裝環508附接和保持。這個安裝環508在圖5B中 詳細示出。
安裝環508例如利用螺紋安裝。另外，安裝環508可以用柔性材料 制成。在這種情況下，其可以卡到殼體501。同樣地，安裝環508可以 粘接或者焊接到殼體。
另外，^沒置有多個密封環502、 503、 504，它們插入到殼體的相應 的環狀凹槽505中。
除了透鏡105之外，天線觸角的介電填充物包括另外兩個區域506、 507。區域506是圓柱形的，而區域507是圃錐形的，區域507的尖端 突出到基礎天線101的波導部106中。圃柱形區域504也可以不完全完 成，使得填充物僅僅是圓錐形的。在這種情況下，密封件也僅僅設置在 圓錐形區域中。
另外，示出了玻璃窗口 104，該玻璃窗口 104裝配到承載板509中 的對應凹槽中。承栽板509在殼體501中的對應凹槽中。
填充物506、 507與透鏡105 —起可以i更計成一個部件，或者兩個 或三個部件。
具體而言，在填充物506、 507、 105設計為多部件的情況下，安裝環508用于將單個部件壓在一起。
圖6和圖7A、7B示出了基礎觸角101的另外兩個示例性實施方式， 在這兩個實施方式中填充物從后面(即從指向電子設備的面)安裝并且 擰到適當的位置中。天線填充物設計成一個部件或者兩個部件。
圖6或圖7A、 7B示出了安裝0形環502、 503、 504或者701、 702 的多種選擇。例如，兩個0形環502、 503設置在填充物的圓錐部的區 域中，而第三O形環504安裝在填充物的圓柱形部的區域中(參見圖6 )。 另外，0形環701、 702可以僅僅設置在填充物的圃柱形區域中(參見 圖7A、 7B )。
另外，用于O形環的凹槽，不是在天線觸角中，而是也可以部分或 者全部在填充物中。術語"凹槽"指的是O形環放置在其中的切口 (凹 陷)，如圖5B所示。
如圖6所示，在殼體604的前部區域，填充物由環繞圃周的突出部 605保持。在后部區域，填充物已經由環601、 602固定。
在這個示例性實施方式中，部件603滑入殼體604中，部件603形 成實際天線觸角。換言之，與圖5A的實施方式比較，這個實施方式中 的殼體包括多個部件。部件603包括，例如金屬，優選不銹鋼或者鋁。 也可以使用塑料，例如PBT (具有玻璃纖維的VALOX)，其至少在內 輪廓上是金屬化的。殼體604也包括金屬，例如不銹鋼。
圖7B示出了圖7A的部分Y的放大細節。與圖5B中的情況一樣， 放大比例是5: 1。
附接填充物的另一種選擇包括注射熱塑性材料，例如可溶性聚四氟 乙烯(PFA)。這隨后起到類似熱熔化型粘合劑的作用。在這個實施方 式中，系統也同時密封。
同樣地，可完全注射填充物，例如使用PFA。利用這個實施方式， 系統也可以沒有O形環而密封。
圖8示出了具有料位雷達天線801的料位雷達800,該料位雷達天 線801包括如上所述的第一和第二模塊。另外，設置有將天線801連接到電子i殳備805的波導103。
天線801將傳輸信號802在產品表面804的方向上發送，相應的返 回信號803從該產品表面804反射并且隨后被天線801獲得。
另外，應當指出，"包括"不排除其它部件或者步驟，并且"一個" 或者"單個"不排除多個。另外，應當指出，參照上述示例性實施方式 之一描述的特性或者步驟也可以與以上描述的其它示例性實施方式的 其它特性或者步驟組合使用。權利要求中的附圖標記不應當被理解為是 限制。
權利要求
1.一種用于組裝料位雷達天線的模塊系統，所述模塊系統包括第一模塊(101)；第二模塊(102)；其中，所述第一模塊(101)是基礎天線觸角，所述基礎天線觸角填充有介電材料(107)并且給所述第二模塊(102)饋送傳輸信號；其中，所述第二模塊(102)設計成將所述傳輸信號發射到料位表面；并且其中，所述第二模塊(102)從包括擴展觸角、拋物線形天線、填充的天線觸角、具有透鏡的天線觸角、直管天線以及桿狀天線的組中選出。
2. 根據權利要求1所述的員系統，其中所述第一模塊(101 )設計為以可拆卸的方式連接到所述第^塊 (102),
3. 根據權利要求2所述的模塊系統，其中，所述第 一模塊包括第 一螺紋并且所述第二模塊包括對應于所述 第一螺紋的反螺紋，用于組裝可拆卸的連接。
4. 根據權利要求2所述的模塊系統，其中所述可拆卸的連接設計成凸緣連接件。
5. 根據前^K利要求中任一項所迷的模塊系統， 還包^i殳計為波導(103)的第三模塊(103);其中所述第一模塊(101 )設計為用于以可拆卸的方式連接到所述第三 模塊(103 )。
6. 根據前^L利要求中任一項所述的;^系統， 其中所述第一模塊(101)包括波導部(106 )。
7. 根據權利要求5或6所述的模塊系統，其中，所述波導(103)或者波導部(106)包括玻璃窗口 (104),所 ^Jl璃窗口 (104)的厚度對應于傳輸信號的半波長的整數倍。
8. 根據權利要求7所述的員系統，其中，所a璃窗口至少在一側上用介電材料涂覆。
9. 根據前述權利要求中任意一項所述的模塊系統， 其中，所述第二模塊設計成歌西格蘭天線(109)。
10. 根據前a利要求中任一項所述的模塊系統，其中所述第一模塊(101 )包括布置在所述笫一模塊和第二模塊(102 ) 之間的透鏡(105)。
11. 根據權利要求10所述的模塊系統，其中，所^il:鏡(105)設計成用于將所述傳輸信號耦合到所述第4 塊(105)中。
12. 根據前述權利要求中任一項所述的模塊系統， 設計成用于頻率在75GHz和110GHz之間范圍中的傳輸信號。
13. 根據前^利要求中任一項所述的*^系統，其中，所述第一模塊(101)和所述第4塊(102)之間的過渡設計 成是無縫的，使得所述笫二模塊(102)直接在所述第一模塊的介電材料 (107)上開始。
14. 根據前述權利要求中任一項所述的模塊系統，其中，所述介電材料(107)通過注射的熱塑性材料附接在所述第一模 塊(101)中。
15. 根據權利要求1到13中任一項所述的#系統，其中，所述介電材料(107)直接注射到第一模塊(101)中.
16. 根據前述權利要求中任一項所述的員系統，其中，所述介電材料(107)與密封件一起通過安裝環(508)或環繞 圓周的突出部(605)保持到所述第一# (101)。
17. —種料位雷達天線(801 )，包括權利要求1到16中任一項所述的模塊系統的第一模塊(101)和笫4塊(102)。
18. —種料位雷達(800 )，包M位雷達天線(801),所i^位雷達 天線(801)包括根據權利要求1到16中任一項所述的模塊系統的第一模 塊(101)和第4塊(102 )。
全文摘要
本發明涉及一種用于組裝料位雷達天線的模塊系統，還涉及料位雷達天線；并且還涉及料位雷達。所述模塊系統包括若干可以互相連接的模塊。這樣，可以產生最佳適合于相應條件的多種不同的料位雷達天線。
文檔編號G01F23/284GK101677147SQ20091017079
公開日2010年3月24日 申請日期2009年9月11日 優先權日2008年9月15日
發明者于爾根·莫策, 克勞斯·金茨勒, 弗里茨·倫克, 約瑟夫·費倫巴赫, 約翰內斯·法爾克 申請人:Vega格里沙貝兩合公司