專利名稱：使用單一的天線裝置發(fā)送和接收頻率小于3GHz電磁波的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及裝料高度(filling level)測量設(shè)備，它根據(jù)測量頻率小于3GHz特別是小于2.5GHz的電磁波發(fā)送時間的原理工作。
對于裝料高度測量，其測量系統(tǒng)是用來確定傳感器(sensor)和填充物(filling product)之間的距離的，此距離的測量要根據(jù)所測量的由安裝在容器蓋上(vessel lid)的傳感器(通常稱為裝料高度測量設(shè)備)發(fā)送到填充物表面并由填充物表面反射的電磁波的發(fā)送時間。如果容器的高度是已知的，就可以計算出所求的裝料高度。這樣的裝料高度測量設(shè)備，專業(yè)術(shù)語稱為裝料高度雷達(dá)，是基于電磁波在同一不導(dǎo)電媒質(zhì)中傳播的速率恒定，而在不同媒質(zhì)的邊界表面上至少其中一部分被反射的特性。兩種媒質(zhì)的每個邊界層具有不同的介電常數(shù)，這樣一來，當(dāng)電磁波傳播到邊界時就會產(chǎn)生雷達(dá)回波。兩個介電常數(shù)之間的差別越大，電磁波傳播的阻抗的變化就越大，這樣，觀察到的回波也將越大。
已知可以用多種雷達(dá)原理來確定所尋找的電磁波的發(fā)送時間。主要應(yīng)用兩種方法，一種是脈沖發(fā)送時間方法(脈沖雷達(dá))，另一種是調(diào)頻連續(xù)波方法(FMCW雷達(dá))。脈沖雷達(dá)應(yīng)用待發(fā)送電磁波的脈沖型幅度調(diào)制，來確定發(fā)送和接收脈沖時間的直接長度。FMCW雷達(dá)確定發(fā)送時間的方法不是直接的，它通過發(fā)送調(diào)頻信號并利用發(fā)送和接收信號的瞬時頻率的差異來確定發(fā)送時間。
除了不同的雷達(dá)原理之外，根據(jù)不同的應(yīng)用也采用了不同的電磁波頻率范圍。它們是例如載波頻率范圍在5到30GHz的脈沖雷達(dá)，除此之外還有工作在基帶的、即所謂的無載波的單脈沖雷達(dá)。
此外，還已知一系列的方法和裝置用來引導(dǎo)電磁波到達(dá)裝料高度表面并返回。在這里將發(fā)送到空間的和用導(dǎo)線引導(dǎo)的電磁波作一個基本的區(qū)別。使用發(fā)送到空間的電磁波，需要區(qū)分所謂的收發(fā)分置(bistatic)的配置和所謂的收發(fā)一體的配置(monostatic)。
收發(fā)分置的配置具有兩個分離的天線，其中之一用于發(fā)送而另外一個用于接收。在收發(fā)一體的配置中，使用單一的天線既用于發(fā)送又用于接收。
使用引導(dǎo)的電磁波的傳感器根據(jù)反射原理工作，并且通常始終是收發(fā)一體的。收發(fā)一體傳感器設(shè)計的一個優(yōu)點就是可以免去另外的天線或者波導(dǎo)耦合，這樣就提供了簡單并且節(jié)省空間的結(jié)構(gòu)。但是其缺點就是，技術(shù)要求必須同時將發(fā)送電路和接收電路(它們同樣也稱為發(fā)送和接收裝置)連接到一個天線或者連接到其中上行連接的波導(dǎo)連接器上。這就產(chǎn)生了隔離發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的問題，盡管它們共同連接到天線和波導(dǎo)連接器。隔離在此處是指防止信號從電路的一部分傳送到電路的另一部分。如果沒有隔離，發(fā)送信號將直接到達(dá)接收機(jī)，并由于其相對較大的幅度而產(chǎn)生一個相對較強(qiáng)的接收信號。
而期望接收的信號由在測量距離上反射產(chǎn)生，并或多或少地被傳送路徑和測量對象的反射所衰減，所以與之相比，沒有經(jīng)過隔離而到達(dá)接收機(jī)的發(fā)送信號的接收幅度將大得多。雖然實際上被接收機(jī)記錄的發(fā)送信號要在所要評估的被測量物體反射回波之前到達(dá)，這樣它就不是直接加載在有用的反射回波之上了，但是問題的嚴(yán)重性在于，由于沒有進(jìn)行信號隔離，精確的距離測量將會變得非常困難，即使這種距離的測量是可能的。在這種情況下，接收機(jī)的幅度必須調(diào)整到一個大得多的動態(tài)范圍內(nèi)。如果接收機(jī)不能夠處理大振幅的發(fā)送信號，甚至產(chǎn)生限制效應(yīng)，這樣的效應(yīng)將會持續(xù)較長的時間，一直持續(xù)到有效回波到來的時候。其結(jié)果就是，有效回波不能夠被正確接收，這樣就給測量的結(jié)果打上一個問號。除此之外，接收機(jī)的輸入匹配有可能是不理想的。在較小的程度上，每個到達(dá)的回波信號將在較小程度上在接收機(jī)的輸入端再次反射，并且通常在電路內(nèi)部進(jìn)一步反射后兩次甚至多次被反射到接收機(jī)。這一現(xiàn)象可以被描述成振鈴，對于在測量距離上反射的通常的反射回波信號的情況來講，它并不重要。但是如果沒有對發(fā)射機(jī)和接收機(jī)進(jìn)行隔離，這些發(fā)射信號的多路反射信號盡管有適當(dāng)衰減也將保持在有用反射回波的幅度范圍之內(nèi)。由于它們跟隨所發(fā)送信號的臨時位置，它們將被疊加在由放置在傳感器附近的測量物體反射的回波信號上。這將給測量裝置的精確度帶來測量錯誤。
背景技術(shù)：
對于相互連接的發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和天線或者波導(dǎo)連接器來講，已知以下的解決方案。專利文本DE 42 40 492建議使用定向耦合器(directional coupler)或者循環(huán)器(circulator)。它沒有提供有關(guān)這樣的電路部件的實際電路設(shè)計的指示。但是，它描述了怎樣利用定向耦合器也可以實現(xiàn)接收混頻器，這樣就可以將接收到的信號和本地振蕩器信號彼此隔離。該文檔中的定向耦合器被設(shè)計成所謂的應(yīng)用帶狀線技術(shù)(stripline technology)的混和環(huán)形耦合器。與之相似，采用定向耦合器的解決方案可以在專利文本US 3,621,400中找到。
然而，它僅對頻率在3到30GHz范圍內(nèi)的微波信號應(yīng)用帶狀線技術(shù)時候是有意義的。但是，通常的雷達(dá)傳感器并不僅僅使用如前面所述的，例如范圍在5到30GHz的載波頻率，還有單脈沖雷達(dá)，它發(fā)射的短脈沖不使用載波頻率。這些發(fā)送信號的典型頻率范圍在幾百兆赫茲到幾吉赫茲的范圍內(nèi)，因此，前述專利技術(shù)不包括這種單脈沖雷達(dá)在帶狀線技術(shù)中的定向耦合器設(shè)計。
在專利文本US 5,517,198中描述了一種可能，即有關(guān)在脈沖雷達(dá)、通常被稱作TDR傳感器(TDR——時域反射計)中如何實現(xiàn)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的寬帶隔離的可能。其中所描述的解決方案使用了電阻橋?qū)l(fā)送信號分離成相等的兩部分。其中的一部分被直接引導(dǎo)到接收機(jī)的一個分支，另一部分同時到達(dá)接收機(jī)的第二分支和測量距離(measurement distance)。由測量距離反射的絕大部分信號僅到達(dá)了第二接收分支。由于兩個接收分支之間存在差異，接收機(jī)將去除發(fā)送的信號，同時由測量距離反射的信號將保持不受影響。這一解決方案由于需要兩個接收分支，并且由于使用電阻對信號進(jìn)行分配而對有用信號產(chǎn)生了較大的幅度衰減，所以成本相對昂貴。
專利文本US 5,609,059描述了TDR裝料高度測量設(shè)備的另一個發(fā)射和接收單元，通過此單元在接收反射電磁信號的過程中其不期望得到的效應(yīng)將減少。這一功能的原理是基于同時測量故意產(chǎn)生的人工反射信號和測量由填充物表面產(chǎn)生的反射信號。其中人工反射信號由調(diào)整到和發(fā)送電纜一樣阻抗值的電阻產(chǎn)生，該電阻和所述的發(fā)送電纜并聯(lián)連接。由填充物表面反射的信號被接收到并在由控制單元時鐘控制的間隔內(nèi)評估。
進(jìn)一步，在信號響應(yīng)中抑制不期望得到的干擾現(xiàn)象的方法在專利文本US 5,365,178中描述。這里，由填充物表面反射的信號被輸入到混頻器，并和發(fā)送單元發(fā)射的調(diào)頻信號進(jìn)行比較，其比較的結(jié)果是依賴于裝料高度的頻率差異。這一差異信號包含了由容器內(nèi)部或者在傳送過程中或者由接收單元自己產(chǎn)生的反射信號產(chǎn)生的不期望得到的干擾頻率。這些不期望得到的信號處于期望得到的信號的頻率范圍之外，并且可以通過帶通濾波器濾除掉。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明潛在的技術(shù)問題包含提供一個具有收發(fā)一體結(jié)構(gòu)的裝料高度測量設(shè)備，特別是基帶雷達(dá)或者是TDR裝料高度測量設(shè)備，并且允許它是簡單，有成本效益的發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和天線或者波導(dǎo)連接器的結(jié)合，這樣的結(jié)合必須保證發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間較高的隔離度。此外，所述的發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和天線或者是波導(dǎo)連接器的結(jié)合應(yīng)該是寬帶的，這樣其發(fā)射機(jī)實際上發(fā)送的信號是例如單脈沖雷達(dá)所要求的從幾百兆赫茲到幾吉赫茲頻帶的信號。在這里，發(fā)送和接收信號的幅度衰減應(yīng)該盡可能的小。
本發(fā)明進(jìn)一步的技術(shù)問題就是提出簡單并且成本低廉的使用單一天線發(fā)送和接收頻率小于3GHz電磁波的方法的技術(shù)問題。
這些技術(shù)問題分別由具有權(quán)利要求1所述特性的裝料高度測量設(shè)備并通過具有權(quán)利要求20所述特性的方法解決。
本發(fā)明所涉及的裝料高度測量設(shè)備的操作基礎(chǔ)是測量發(fā)送時間的原理，它包含具有頻率小于3GHz電磁波的發(fā)送和接收裝置的電子單元，還包含連接到電子單元的耦合裝置，它將發(fā)送的信號引導(dǎo)到測量距離上并將反射的信號引導(dǎo)回到電子單元，還有高頻的變壓器，其中發(fā)送和接收裝置及耦合裝置連接到其上。
本發(fā)明所涉及的方法的特征在于發(fā)送裝置發(fā)送的信號通過高頻變壓器被引導(dǎo)到天線裝置中，由天線裝置所接收的反射信號通過相同的高頻變壓器被引導(dǎo)到接收裝置。
通過高頻變壓器或者HF變壓器這種新穎的應(yīng)用，提供了成本非常低廉并且有效的解決方案，通過在頻率范圍大約到3GHz，尤其是大約到2.5GHz的寬帶適合的線圈纏繞圖形及線路，起到定向耦合器的作用，并且允許在連接到其上的用于發(fā)送和接收信號的特定電路部分彼此之間已定義的隔離。最后，必須要指出的是，在這里使用的術(shù)語天線裝置例如可以包括一個或者多個波導(dǎo)，正如在前面部分中所描述的，它用來引導(dǎo)電磁波和由填充物反射的信號。
這一有創(chuàng)造性的解決方案的重要優(yōu)點就是單個部件的阻抗很好的匹配是可能的，特別是對由測量距離反射的信號的輸入阻抗的匹配。如果它們之間不匹配，將會發(fā)生信號的多路反射，其結(jié)果就是將會產(chǎn)生額外的干擾回波。
固定線圈纏繞比率可以協(xié)助獲得期望的阻抗改變，這樣在單個電路部件之間的阻抗匹配可以得到優(yōu)化。已經(jīng)證明根據(jù)SMD結(jié)構(gòu)制作的所謂的雙孔變壓器是特別適合的。通過使用適當(dāng)?shù)蔫F氧體材料及對雙孔磁芯的適合的纏繞構(gòu)造，這些變壓器可以變換頻率高到3GHz特別是2.5GHz的信號。
對于這些變壓器來講共有兩種不同的基本纏繞配置，可以通過不同的方法引用這些配置來解決上述的技術(shù)問題。一組在此被歸納為差分變壓器，另一組變壓器被稱為變壓定向耦合器(transformer-directional coupler)以反映它們的目的。在原理上，這兩種設(shè)計都是已知的。然而差分變壓器通常應(yīng)用在頻率混和器中并且作為不平衡變換器(balun)使用，而衛(wèi)星電視接收信號的發(fā)送主要使用變壓定向耦合器。在這樣的應(yīng)用中，為了連接到接收機(jī)，信號的特定部分通過定向耦合器從發(fā)送電纜中被解耦合，同時主要的信號部分在主通路上傳遞。
已經(jīng)證明，在某些情況下當(dāng)發(fā)送裝置和接收裝置之間的隔離不是十分理想但是可以通過特定的方法減小的時候，這一點是很有利的。且這一點在傳感器使用發(fā)送信號的一部分作為距離參考標(biāo)識的情況下很重要，其中由于隔離并不是十分完美，所以信號的這一部分可以直接到達(dá)接收機(jī)。這種傳感器的操作方式例如在專利文本DE 42 40491中有所描述。
優(yōu)選地，HF變壓器是由三個彼此之間存在磁耦合的線圈構(gòu)成的差分變壓器，其中的兩個線圈相互連接。這一簡單的構(gòu)造是有成本效益的，并且非常適合用來調(diào)整各自的阻抗。由于這三個線圈具有相同的匝數(shù)，可以在所有端口調(diào)整連接到差分變壓器的部件的阻抗直到達(dá)到理想的阻抗匹配。其結(jié)果就是，接收到的回波信號不會進(jìn)行進(jìn)一步的反射，所以并不會對測量的結(jié)果造成任何的扭曲。通過這一構(gòu)造，可以進(jìn)行阻抗的改變而不會有任何困難，這樣在發(fā)送信號出現(xiàn)的端口和施加接收信號的端口之間沒有完全的隔離。這樣如上面已經(jīng)指出的，由發(fā)射機(jī)直接傳遞給接收機(jī)的信號部分作為距離參考表示是很有利的。
另一個優(yōu)選實施例是這樣的，其差分變壓器包含兩個具有相同匝數(shù)的線圈，而第三線圈具有不同的匝數(shù)，特別的，其線圈的匝數(shù)是前面所述的其他兩個線圈中任何一個的兩倍。由此為了整體匹配，接收機(jī)設(shè)備所需的阻抗將是上面所描述實施例中線圈比率產(chǎn)生的阻抗的四倍。由于在很多情況下接收機(jī)阻抗是高阻的情況要比是低阻的情況容易實現(xiàn)得多，所以較高的接收機(jī)阻抗是有利的。如果存在接收機(jī)阻抗，最佳的阻抗匹配可以通過調(diào)整差分變壓器的線圈比率來實現(xiàn)。然而提供不同的線圈比率也是可能的，這要取決于環(huán)境要求。
總體上可以說通過使用HF變壓器，聚集在波導(dǎo)上的靜態(tài)電荷的低電阻放電是容易的，當(dāng)填充物是塑料微粒(plastics granules)時更是如此。在填充或者清空的過程中，通過波導(dǎo)上填充物的摩擦，波導(dǎo)上會集聚靜態(tài)電荷。如果沒有通過容器的接地連接將靜態(tài)電荷釋放掉的話，由此產(chǎn)生的極高壓將會破壞連接到波導(dǎo)上的電子電路。這一點可以通過簡單地在波導(dǎo)或者過程耦合器與容器所連接的地之間連接小電阻來防止。
如果使用變壓定向耦合器作為HF變壓器，和差分變壓器相反的是，信號的分離始終是不一致的(non-uniform)，而不是一致的(uniform)。這樣產(chǎn)生的信號衰減比使用差分變壓器的情況下要高，但是有利的是，在接收的情況下，主要僅僅是用于接收自由反射信號匹配的接收機(jī)阻抗需要變化；適合的接收機(jī)阻抗匹配可能會更加困難。
最后，需要強(qiáng)調(diào)的是在本發(fā)明的含義范圍之內(nèi)具有三股(trifilar)線圈的超環(huán)面立體(toroid)磁芯也可以當(dāng)作HF變壓器使用。這里，寬帶容量由有助于在高頻率下完成線圈之間的電容性線路耦合(capacitive line coupling)的特定線圈產(chǎn)生。


為了進(jìn)一步說明以及進(jìn)一步了解，下面將通過結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的幾個有利的實施例。其中顯示了圖1顯示了創(chuàng)造性的雷達(dá)裝料高度測量設(shè)備的框圖，圖2顯示了使用差分變壓器的第一個有創(chuàng)造性的電路實現(xiàn)，圖3顯示了與圖2電路對等的四端口電路圖，圖4顯示了與圖2相比具有增大的接收機(jī)阻抗的變化的電路，圖5顯示了與圖2相比具有電位隔離的測量距離的另一個變化的電路；圖6顯示了變壓定向耦合器的電路圖，圖7顯示了與圖6變壓定向耦合器對等的四端口電路圖；及圖8顯示了另一個使用變壓定向耦合器的創(chuàng)造性的電路設(shè)計。
具體實施例方式
圖1顯示了包含填充物2的典型容器1。例如，裝料高度測量設(shè)備3安裝在容器1的開口之上，用來根據(jù)反射計原理來確定電子單元4和填充物2之間(在兩個方向上)的信號發(fā)送時間，從而確定容器1內(nèi)部的裝料高度。將由電子單元4產(chǎn)生的測量信號送入所監(jiān)控的測量距離。術(shù)語過程耦合裝置5總體上可以理解為將測量信號從電子單元4及可能連接到其上的線路(例如同軸電纜)傳送到測量距離上，并且將信號轉(zhuǎn)換為電磁波，或者被引導(dǎo)或者自由副射。在自由副射的雷達(dá)傳感器中，天線將用于此目的。
在圖1中所表示的示例性傳感器中，它具有用于引導(dǎo)波的波導(dǎo)6，以及過程耦合裝置5，過程連接器5包含從電子單元到波導(dǎo)6的機(jī)械的和電子的有效信號耦合，其中波導(dǎo)6是例如所謂的單導(dǎo)線(one-wire)線路。
電子單元4包含前端電子單元7，并進(jìn)一步包含電子部件8，例如分別是電源、信號處理電路、回波評估電路、輸入/輸出電路及通信單元。這些電子單元的功能是我們非常熟悉的，所以在這里就不詳細(xì)討論了。
前端電子單元7包含發(fā)射裝置或者發(fā)射電路9，它生成測量信號，接收裝置或者接收電路10接收沿著測量距離反射的信號，且電路部件11用來相互連接發(fā)射機(jī)9、接收機(jī)10和過程耦合裝置5。
根據(jù)本發(fā)明，電路部件11使發(fā)送信號(它的傳播方向由箭頭12表示)不是全部、而是僅在規(guī)定的很小范圍內(nèi)通過由虛線表示的信號路徑13施加到接收信號上(它的傳播方向由箭頭14表示)。
圖2顯示了如何根據(jù)本發(fā)明實現(xiàn)電路部件11，并用它來影響發(fā)射機(jī)9和接收機(jī)10之間所要求的隔離。這一點可以通過非常簡單并且有成本低廉的方法來解決，即通過差分變壓器15適當(dāng)?shù)木€圈纏繞方式來解決。差分變壓器15具有三個線圈15a，15b及15c，它們以磁的形式共同連接到同一個鐵氧體磁芯上。這個鐵氧體磁芯在電路圖中通過磁連接的輪廓間接表示，由所使用信號的頻率范圍，決定它必須適用于很高的頻率，例如2.5GHz。
圖2中示范性變壓器的三個線圈中的每一個線圈包含n圈，匝數(shù)n依賴于要發(fā)送的頻率范圍及鐵氧體磁芯。通常對于所述的應(yīng)用少到1至10圈就足夠了。
發(fā)送的信號由發(fā)射機(jī)9送入端口1，它僅僅由于對稱的原因出現(xiàn)在端口3和4，但是并不出現(xiàn)在端口2，而端口2連接到接收機(jī)10上。在端口3和端口4出現(xiàn)的信號具有相同的幅度但是它們具有彼此相反的相位。在本例中，過程耦合裝置5連接到端口3，且端口4由電阻R來終止。在測量距離上反射并到達(dá)端口3的信號，被均勻分配到端口1和2之間，而在本例中端口4是隔離的。只要連接到差分變壓器15的部件的阻抗是適合的，所以在所有的端口上都將有理想的阻抗匹配。這一特性保證了接收到的回波信號將不會被進(jìn)一步反射，如同所述的多路反射，所以將不會扭曲測量的結(jié)果。
圖2顯示了連接到差分變壓器的四個部件的阻抗，這些阻抗需要普遍的匹配在端口1和2必須提供相同的阻抗(R/2)，該值是端口3和4上相同阻抗值(R)的一半。
圖3顯示了圖1所示的差分變壓器15的信號流在簡化的4端口電路中的再現(xiàn)。此處端口的指定要根據(jù)圖2來指定。如圖所示，到達(dá)端口1的信號，就其強(qiáng)度而言將其均勻分配到端口3和4中。強(qiáng)度的一半用術(shù)語“-3dB”表示。端口1和端口4的信號具有相同的相位，而端口3的信號呈現(xiàn)與其相反的相位(“180°”)。從圖3可以容易地看出，怎樣在將信號送入任何一個所選擇的端口的時候在兩個相鄰的端口根據(jù)幅度和相位分配信號。和輸入端口相對的端口總是完全理想的隔離。然而正如已經(jīng)簡述的，其前提是在所有端口出現(xiàn)如圖2所示的阻抗。此外可以看到，對于發(fā)送的、反射的及返回的信號，6dB的功率衰減完全發(fā)生在差分變壓器的操作過程中。通過輕微的改變阻抗，例如改變附圖2中端口4的吸收阻抗R，端口1和端口2之間的理想的完全的隔離就會以確定的方式減小。由此，由端口1發(fā)送的信號的一小部分就會直接施加到位于端口2的接收機(jī)。這一信號部分可以被用作距離參考標(biāo)記，且這樣做是很有利的。
正如可以簡單從圖3中看出的，除了圖2中所顯示的電路，其他電路組合也是可能的?；旧?，只要發(fā)射機(jī)9和接收機(jī)10連接到相對的端口，所有的可能都是適合的。根據(jù)線圈的纏繞方式，可以選擇是否需要在發(fā)送-接收路徑中引入額外的180°相位偏移。
圖4顯示了這些可能的替代電路之一。在這里，發(fā)射機(jī)9連接到端口2，而接收機(jī)10連接到端口1。如圖2的情況，過程耦合裝置5或者測量距離連接到端口3。在這里所使用的差分變壓器16中，線圈的匝數(shù)并不都相同，即，線圈16a的匝數(shù)是線圈16b或16c匝數(shù)的兩倍。這使得連接到線圈16a的接收機(jī)19的阻抗是圖2所示的線圈比率所產(chǎn)生的阻抗的4倍，而這一阻抗對于全局匹配是必須的。由于在多種情況下高電阻的接收機(jī)裝置比低電阻的接收機(jī)裝置容易設(shè)計，所以較高的接收機(jī)阻抗通常是有利的。如果存在接收機(jī)的阻抗，就可以通過調(diào)整差分變壓器的線圈比率來提供最理想的阻抗匹配。
圖5顯示了又一種包含差分變壓器的有利的變型。發(fā)射機(jī)9和接收機(jī)10在端口3和端口4相對，而過程耦合裝置5連接到端口1。這樣，在一側(cè)的傳感器電子單元，以及另一側(cè)的過程耦合裝置及容器電位(vessel potential)之間產(chǎn)生的電氣式電位隔離是容易實現(xiàn)的。這樣產(chǎn)生的電氣式電位隔離通常應(yīng)用于多數(shù)的傳感器，用來防止通過傳感器在容器和交換板之間流過的電位平衡電流。
另外一個或多或少應(yīng)用于各種解決方案(其中過程連接器5連接到變壓器)的有利之處就是波導(dǎo)上的靜電荷的低電阻放電，這一點尤其在圖5中明顯可以看出。例如當(dāng)填充物包含塑料微粒的時候，就會出現(xiàn)這一問題。在填充或者清空過程中，通過波導(dǎo)上填充物的摩擦，波導(dǎo)上可能會聚集靜電荷。如果沒有通過容器的接地連接將靜態(tài)電荷釋放掉的話，其結(jié)果就是由此產(chǎn)生的極高壓可能會破壞連接到波導(dǎo)上的電子電路7。從圖5可以更加清晰的看到，線圈15a為波導(dǎo)6或者過程耦合裝置5與接地的容器之間提供了低電阻的連接。這樣，通過簡單的方法就可以解決靜態(tài)充電或者放電的問題。
圖6的變壓器電路圖代表了另一類的變壓器?？梢哉J(rèn)為這些所謂的變壓定向耦合器是4端口的，并且它們包含四個線圈17a，17b，17c和17d，通常它們纏繞在相同的雙孔磁芯上并具有不同的匝數(shù)n1，n2，n3和n4。線圈17a和17b纏繞在同一個磁芯的一端上，而線圈17c和17d纏繞在另一端。這樣的變壓器方案導(dǎo)致了輸入信號的信號分離，正如圖7所示的特定的示范性的匝數(shù)的分割。輸入所選擇的任一端口的每個輸入信號，將在兩個相鄰的端口之間分割。相對的端口始終是隔離的。和差分變壓器相反的是，信號的分布并不是一致的而始終是不一致的。然而在為端口1輸入信號的時候，到達(dá)端口2的信號實際上沒有衰減，而僅僅是一部分信號經(jīng)過衰減，例如10dB，到達(dá)端口3。對于衰減值的指示，值“0dB”必須被認(rèn)為是上舍入(round-up)值，由于即使是很少的一部分信號到達(dá)端口3，到達(dá)端口2的部分一定比輸入的信號稍微小一點。為了簡化起見，這些上舍入衰減值當(dāng)然可以被采用。在端口2和端口4之間發(fā)生了180°的相位變化，取決于變壓器的繞線，它可以包含在前端的概念中或者被防止。
為了將發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和過程耦合裝置連接到變壓定向耦合器的四個端口，展示了總共8種變化，它們所共同遵循的要求就是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)要連接到相對的端口上，即相互去耦的端口上。不同方案的選擇將根據(jù)是哪一個電路方案和所連接的電路部分的現(xiàn)有的阻抗或者可實現(xiàn)的阻抗相互協(xié)同，可以防止接收機(jī)的多路反射，以及是否期望在發(fā)射的信號和接收的信號之間存在180°的相位偏移。
圖8顯示了圖6和圖7中變壓定向耦合器的這樣一個有創(chuàng)造性的繞線的例子。目前發(fā)射機(jī)9連接到端口1，接收機(jī)10連接到端口4，及過程耦合裝置連接到端口3。端口2被電阻R以自由反射的方式終止。線圈18a和18d的匝數(shù)相同，而線圈18b和18c的匝數(shù)是它們的兩倍。通過用相同的電阻R終結(jié)所有的端口，就可以達(dá)到全局的匹配，這樣就不會出現(xiàn)多路反射。由變壓器傳送到達(dá)端口1的信號，將在很大程度上被端口4的電阻R吸收，而一部分，例如經(jīng)過10dB衰減將進(jìn)一步從端口3到達(dá)過程耦合裝置5及波導(dǎo)6。反射的信號到達(dá)端口3，并絕大部分沒有被衰減到達(dá)端口4的接收機(jī)。反射信號一小部分的也被引導(dǎo)到端口1，在那里被阻抗匹配的發(fā)射機(jī)吸收。
在本例中，通過使用變壓定向耦合器18的信號衰減至少是10dB。這一衰減比使用差分變壓器的時候要大，在接收到達(dá)端口3的信號的時刻，對于自由反射信號的匹配來講主要來說只有端口4接收機(jī)的阻抗是重要的，這一點在這里是很有利的。這一匹配主要可以通過適當(dāng)測量來在接收機(jī)實現(xiàn)，然而接收機(jī)阻抗的適當(dāng)匹配可能會更加困難。比較有利的是這一點在電路中影響很小。
和差分變壓器的情況一樣，在這里，也可以通過微量調(diào)整阻抗，例如調(diào)整端口2的電阻R，可以將從端口1發(fā)射到位于端口4的接收機(jī)的發(fā)射信號的輕微過耦合以預(yù)先定義的方式進(jìn)行調(diào)整。如上面已經(jīng)描述的，這種串?dāng)_信號作為距離參考標(biāo)記是有用的。
在上面例子中顯示的10dB耦合衰減，可以通過固定不同的線圈的匝數(shù)來在6dB到20dB的范圍內(nèi)相對自由的選擇。
所述的用于連接發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和過程耦合裝置的解決方案總體上非常適合收發(fā)一體的設(shè)計中的基帶雷達(dá)傳感器。特別的，它們將應(yīng)用在所謂的單脈沖TDR傳感器中，用來進(jìn)行裝料高度的測量。這些傳感器在一個波長上發(fā)射一個短脈沖到填充物并被反射回來，此短脈沖并沒有被調(diào)制到載波頻率之上，傳感器通過發(fā)送時間確定它到填充物的距離或者容器裝料高度。測量信號所主要使用的頻率范圍一般小于2GHz，這就是為什么所推薦的雙孔變壓器最適合這一目的。
除了所述的變壓器，已知還有其他的變壓器設(shè)計也適合此目的，例如，具有三股線圈的超環(huán)面立體磁芯。它的寬帶容量是使用特定方式纏繞的線圈的結(jié)果，這種特定纏繞方式有助于線圈之間在高頻下的電容性線路耦合。
權(quán)利要求
1.基于測量發(fā)送時間原理的裝料高度測量設(shè)備，包括電子單元(4)，它包括發(fā)送裝置(9)和接收裝置(10)，用來發(fā)送和接收頻率小于3GHz的電磁波，耦合裝置(5)，它連接到電子單元(4)，將發(fā)送信號引導(dǎo)至測量距離上并引導(dǎo)反射信號返回電子單元(4)，及高頻變壓器(15，16，17，18)，發(fā)送裝置(9)、接收裝置(10)和耦合裝置(5)連接到其上。
2.如權(quán)利要求1所述的裝料高度測量設(shè)備，其特征在于所述的高頻變壓器是差分變壓器(15，16)。
3.如權(quán)利要求2所述的裝料高度測量設(shè)備，其特征在于所述的差分變壓器(15，16)具有三個線圈(15a，15b，15c；16a，16b，16c)，它們彼此之間是磁耦合的，且其中的兩個線圈(15b，15c；16b，16c)相互連接。
4.如權(quán)利要求3所述的裝料高度測量設(shè)備，其特征在于所述接收裝置(10)連接到線圈(16a)，且其發(fā)送裝置(9)及耦合裝置(5)連接到線圈(16b，16c)，且這兩個線圈相互連接。
5.如權(quán)利要求3所述的裝料高度測量設(shè)備，其特征在于所述發(fā)送裝置(9)連接到線圈(15a)，且其接收裝置(10)及耦合裝置(5)連接到線圈(15b，15c)，且這兩個線圈相互連接。
6.如權(quán)利要求3所述的裝料高度測量設(shè)備，其特征在于所述耦合裝置(5)連接到線圈(15a)，且其發(fā)送裝置(9)及接收裝置(10)連接到線圈(15b，15c)，且這兩個線圈相互連接。
7.如權(quán)利要求3到6所述的裝料高度測量設(shè)備，其特征在于所有的三個線圈(15a，15b，15c)具有相同的匝數(shù)。
8.如權(quán)利要求3到6之一所述的裝料高度測量設(shè)備，其特征在于兩個線圈(16b，16c)具有相同的匝數(shù)，而第三個線圈(16a)具有不同的匝數(shù)。
9.如權(quán)利要求8所述的裝料高度測量設(shè)備，其特征在于兩個線圈(16b，16c)具有相同的匝數(shù)，而第三個線圈(16a)的匝數(shù)是前面提到的兩個線圈(16b，16c)中任意一個線圈匝數(shù)的兩倍。
10.如以上權(quán)利要求中任一項所述的裝料高度測量設(shè)備，其特征在于所述的發(fā)送裝置(9)及接收裝置(10)被連接到一個電位，該電位和過程耦合裝置(5)的電位之間是電氣隔離的。
11.如權(quán)利要求1所述的裝料高度測量設(shè)備，其特征在于所述的高頻變壓器是具有四個線圈(18a，18b，18c，18d)的變壓定向耦合器(17，18)。
12.如權(quán)利要求11所述的裝料高度測量設(shè)備，其特征在于所述的纏繞在同一個雙孔磁芯上的四個線圈(18a，18b，18c，18d)具有不同的匝數(shù)。
13.如權(quán)利要求11所述的裝料高度測量設(shè)備，其特征在于所述的纏繞在同一個雙孔磁芯上的線圈(18a，18b，18c，18d)的差異在于因數(shù)2。
14.如權(quán)利要求11到13所述的裝料高度測量設(shè)備，其特征在于所述發(fā)送裝置(9)及接收裝置(10)被連接到變壓定向耦合器(17，18)上相反的、解耦的端口上，并且過程耦合裝置(5)連接到其余的端口之一。
15.如權(quán)利要求14所述的裝料高度測量設(shè)備，其特征在于所述的發(fā)送裝置(9)被連接到變壓定向耦合器(18)的端口1，接收裝置(10)被連接到變壓定向耦合器(18)的端口4，所述的過程耦合裝置(5)被連接到變壓定向耦合器(18)的端口3。
16.如以上權(quán)利要求中任一項所述的裝料高度測量設(shè)備，其特征在于所述的高頻變壓器(15-18)是SMD結(jié)構(gòu)的雙孔變壓器。
17.如權(quán)利要求1所述的裝料高度測量設(shè)備，其特征在于所述的高頻變壓器是具有三股線圈的超環(huán)面立體磁芯。
18.如以上權(quán)利要求中任一項所述的裝料高度測量設(shè)備，其特征在于所述的高頻變壓器(15-18)是這樣配置的使得將要用于輸入的端口和其他端口是完全隔離的。
19.如權(quán)利要求1至17中任一項所述的裝料高度測量設(shè)備，其特征在于所述的高頻變壓器(15到18)是這樣配置的將要用于輸入的端口，以確定的方式不是和其他所有端口完全隔離的。
20.使用單一天線裝置(6)發(fā)送和接收頻率小于3GHz電磁波的方法，其中發(fā)送裝置(9)的發(fā)送信號通過高頻變壓器(15，16，17，18)被引導(dǎo)進(jìn)入所述天線裝置(6)，并且由所述的天線裝置(6)接收的反射信號通過相同的高頻變壓器(15，16，17，18)被引導(dǎo)進(jìn)入接收裝置(10)。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于任何可用于測量的發(fā)送信號部分都不會通過高頻變壓器(15，16，17，18)從所述的發(fā)射機(jī)裝置(9)被引導(dǎo)到接收機(jī)裝置(10)。
22.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于為了測量的目的，由發(fā)射裝置(9)發(fā)射信號的確定部分將通過所述高頻變壓器(15，16，17，18)直接被引導(dǎo)到接收裝置(10)。
23.高頻變壓器(15，16，17，18)在收發(fā)一體的裝料高度測量設(shè)備中的應(yīng)用，用于將由發(fā)送裝置(15)產(chǎn)生的發(fā)送信號傳遞至天線裝置(6)，其中發(fā)送信號的頻率小于3GHz，還用于將由相同天線裝置(6)接收的反射信號傳遞至接收裝置(10)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種根據(jù)運行時間(runtime)測量原理的裝料高度測量設(shè)備。所述的具有創(chuàng)造性的裝料高度測量設(shè)備包括電子單元(4)，它具有用來發(fā)送和接收頻率小于3GHz的電磁波的發(fā)送(9)和接收裝置(10)；過程耦合裝置單元(5)，它連接到電子單元(4)，用來將發(fā)送的信號引導(dǎo)至被測量部分，并將反射信號引導(dǎo)回電子單元(4)；以及高頻變壓器(15，16，17，18)，發(fā)送(9)和接收裝置(10)以及過程耦合裝置單元(5)連接到其上。
文檔編號G01F23/284GK1491346SQ01822734
公開日2004年4月21日 申請日期2001年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月19日
發(fā)明者約瑟夫·費林伯克, 卡爾·格里斯報姆, 費利克斯·拉法爾特, 斯 拉法爾特, 格里斯報姆, 約瑟夫 費林伯克 申請人:Vega格里沙貝兩合公司