專利名稱：槽型天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于水準(zhǔn)儀的天線，其中水準(zhǔn)儀使用雷達(dá)確定存儲(chǔ)在存儲(chǔ)罐中的介質(zhì)的表面標(biāo)高，本發(fā)明提供了用于導(dǎo)致將從天線加以傳輸?shù)闹饕皖A(yù)確定微波模式的一種設(shè)備和一種方法。
現(xiàn)有技術(shù)使用雷達(dá)水準(zhǔn)儀測(cè)量存儲(chǔ)在存儲(chǔ)罐中的介質(zhì)的表面標(biāo)高，是人們所熟悉的。美國專利說明4 641 139中給出了這樣的設(shè)備的例子。在該專利說明中所描述的類型的設(shè)備中，在從存儲(chǔ)罐中的介質(zhì)的表面的反射之后，把一個(gè)與存儲(chǔ)罐中的介質(zhì)相通的管子用作雷達(dá)單元所傳輸?shù)?、并由該雷達(dá)單元加以接收的微波的一個(gè)波導(dǎo)管。
在標(biāo)高測(cè)量中，用作波導(dǎo)管的管子通常呈圓形，并擁有一個(gè)至少兩倍于雷達(dá)單元中所使用的微波波長的直徑。當(dāng)按給定條件在管子中傳輸微波時(shí)，在管狀波導(dǎo)管中，傳輸一系列不同的微波模式。為了獲得唯一所希望的微波模式，在這一情況中，使用了一個(gè)包括一個(gè)用于生成一個(gè)較高量級(jí)的微波模式波導(dǎo)的模式生成器，另外還包括作為存儲(chǔ)罐中從較窄的波導(dǎo)管到較寬的管子的一個(gè)過渡階段的一個(gè)長的、錐形的天線，用于在管狀波導(dǎo)管中傳輸所希望的模式。
本發(fā)明提供了天線的一種可供選擇的設(shè)計(jì)，其中，這一天線的設(shè)計(jì)使一個(gè)獨(dú)立模式生成器成為多余。
專利說明EP 1083 413中，提供了一種使用一個(gè)扁平天線實(shí)現(xiàn)一個(gè)微波模式的人們所熟悉的天線結(jié)構(gòu)。
發(fā)明描述根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種針對(duì)用于確定存儲(chǔ)罐中的介質(zhì)的表面標(biāo)高的雷達(dá)水準(zhǔn)儀的天線。把一個(gè)擁有一個(gè)至少兩倍于所傳輸微波波長的直徑的管子用作存儲(chǔ)罐內(nèi)的一個(gè)波導(dǎo)管。這一天線擁有一個(gè)第一和第二導(dǎo)電層，以及導(dǎo)電層之間的一個(gè)介電層。第二導(dǎo)電層配備有一系列呈一個(gè)預(yù)確定模式的孔。一條傳輸線導(dǎo)向介電層?？梢园褋碜岳走_(dá)水準(zhǔn)儀中的一個(gè)雷達(dá)單元的微波經(jīng)由這一傳輸線供給于天線中的介電層，并沿徑向方向從作為一個(gè)波導(dǎo)管的介電層的一個(gè)饋點(diǎn)將其向外傳輸。經(jīng)由第二導(dǎo)電層中的所述孔，把一個(gè)微波波束向外輻射到圍繞所述第二導(dǎo)電層的空間中。由于微波的相位和這些孔所形成的一個(gè)圖案中的各孔的放置之間的匹配，所以可以獲得所希望量級(jí)的一個(gè)主要波導(dǎo)模式。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)第二方面，提供了一種獲得一個(gè)根據(jù)獨(dú)立的方法權(quán)利要求的所希望的和純的波導(dǎo)模式。
在分別使用根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備和方法進(jìn)行的測(cè)量中，所希望的主模式為H01模式。
當(dāng)天線中的層呈圓形時(shí)，較佳的做法是令向介電層的微波信號(hào)的饋入發(fā)生在這一層的中心。較佳的做法是固定所輻射的微波波束，以正交地向外輻射到天線的各層上。通過調(diào)整孔的圖案，可以實(shí)現(xiàn)所輻射的波束和天線各層之間其它的角度。
與根據(jù)先前用于產(chǎn)生所希望的波導(dǎo)模式的人們所熟悉的方法相比，根據(jù)本發(fā)明的這些方面的天線的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，設(shè)備較為簡單。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，不需要旨在實(shí)現(xiàn)一個(gè)主要模式的模式生成器。
與本發(fā)明所提供的設(shè)備中相比，在根據(jù)EP 1083 413的人們所熟悉的設(shè)備中，天線功能擁有更多的部分，包括更多的介電層。在本發(fā)明的設(shè)備中，沒有使用向其供給微波信號(hào)的饋送網(wǎng)絡(luò)，例如，使用根據(jù)所述專利的天線的情況。用一個(gè)介電層代替針對(duì)微波信號(hào)的供給介質(zhì)，其中介電層從介電層的中心徑向地向外饋送信號(hào)，第二導(dǎo)電層中的實(shí)際的孔或槽作為天線元件。而且，由于呈導(dǎo)電層形式的導(dǎo)電平面對(duì)公差無過分的要求，所以可以把天線制造得更加結(jié)實(shí)?？梢栽诮饘賹由峡坛龌蛟谟∷㈦娐钒迳衔g刻出它們。
附圖描述

圖1示意性地描述了用于確定存儲(chǔ)在存儲(chǔ)罐中的介質(zhì)的表面標(biāo)高的存儲(chǔ)罐中的雷達(dá)水準(zhǔn)儀。
圖2示意性地描述了共同構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的這些方面的天線的不同的層。
圖3描述了根據(jù)天線實(shí)現(xiàn)一個(gè)預(yù)確定微波模式的一個(gè)槽型圖案的實(shí)例。
實(shí)施例描述以下，參照附圖描述一個(gè)實(shí)施例的實(shí)例。
圖1中描述了雷達(dá)水準(zhǔn)儀的原理。把一個(gè)存儲(chǔ)罐1用作一個(gè)介質(zhì)2的存儲(chǔ)器。介質(zhì)可以為液體，例如石油、提煉的產(chǎn)品；液體形式的氣體，或者可以由顆粒材料組成，即由一種粉末狀固體物質(zhì)組成。把一個(gè)雷達(dá)3安裝在存儲(chǔ)罐1的頂部4上，從存儲(chǔ)罐1的頂部4經(jīng)由存儲(chǔ)罐內(nèi)部的天線5從雷達(dá)傳輸微波波束和由雷達(dá)接收微波波束。把所傳輸?shù)牟ㄊ鴱慕橘|(zhì)的表面6加以反射，并且由天線5加以拾取。通過在一個(gè)計(jì)算和控制單元中比較和估計(jì)使用傳輸?shù)暮头瓷涞男盘?hào)特征之間的微波時(shí)的時(shí)間延遲，按一種已知的方式確定介質(zhì)的表面6的標(biāo)高。該圖還描述了經(jīng)由一個(gè)與介質(zhì)相通的管形波導(dǎo)管7，通過波導(dǎo)管壁上的一個(gè)開口(未在圖中加以顯示)傳輸微波的情況，在這一情況中，介質(zhì)為液體。
圖2中描述了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)天線10的結(jié)構(gòu)。根據(jù)以上的描述，這一天線旨在于雷達(dá)水準(zhǔn)儀中傳輸和接收微波信號(hào)。在這一圖中，說明了一個(gè)第一導(dǎo)電層11。于是，可以由一個(gè)金屬層，例如薄銅板，形成第一導(dǎo)電層11。緊靠第一導(dǎo)電層11實(shí)施介電層12，并與其相結(jié)合。介電層擁有一個(gè)由微波的頻率和傳播速度所確定的厚度。介電層中的材料可以為聚四氟乙烯，但也可以由任何擁有足夠低的損耗和承受放置天線的空間中的環(huán)境(例如這一空間中的溫度)的電介質(zhì)組成。天線10中的下一層由一個(gè)第二導(dǎo)電層13組成，這一層與介電層12的另一側(cè)相結(jié)合，即，與面對(duì)第一介電層11而又與第一介電層11相間的所述介電層的那一側(cè)相結(jié)合。最好把這一第二導(dǎo)電層也制作為一個(gè)由銅或其它導(dǎo)電材料構(gòu)成的金屬層。在這一第二導(dǎo)電層13上已鉆或刻出了一系列的孔。在所示實(shí)例中，這些孔由按某一圖案制作的長方形槽14組成。在所示實(shí)例中，把所有層描述為圓形層，因?yàn)樵谶@一實(shí)例中把天線用于傳輸和接收一個(gè)圓形波導(dǎo)管中的微波。也制作為一個(gè)由銅或其它導(dǎo)電材料構(gòu)成的金屬層。圖案的外觀由旨在加以實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)場圖像加以確定。在P.W.Davis和M.E.Bialkowski于1997年7月撰寫在IEEE論文集第7期AP-45卷上的關(guān)于天線與傳播(Antennas andPropagation)的文章中，簡要地說明了用于計(jì)算天線參數(shù)的理論，例如用于計(jì)算所希望的微波模式中的槽的位置和槽的幾何形狀的理論。其中所描述的天線旨在針對(duì)正常的天線功能，即通常的拋物面天線。在本情況中，在天線中已經(jīng)考慮到一個(gè)主要波導(dǎo)模式的生成，并為這一目的計(jì)算了圖案。
把第一11和第二導(dǎo)電層13接地，有利于防止各層的靜電充電?？梢酝ㄟ^把第一層連接到一條傳輸線的接地的包層上實(shí)現(xiàn)接地。例如，通過在第一和第二導(dǎo)電層之間各層的外圍的一個(gè)導(dǎo)電連接實(shí)現(xiàn)第二層的接地。對(duì)于導(dǎo)電層11，13，一種可供選擇的方法是，將它們連接到周邊導(dǎo)電材料上，例如將它們連接到其中固定了天線的管狀波導(dǎo)管7上。
經(jīng)由一條傳輸線15，從雷達(dá)水準(zhǔn)儀3的雷達(dá)單元向天線供給微波信號(hào)。以在層中所制作的開口的形式為第一導(dǎo)電層11配備一個(gè)導(dǎo)通孔16。把傳輸線15的信號(hào)承載部分設(shè)計(jì)成可經(jīng)由導(dǎo)通孔16導(dǎo)入，并終止于居中地形成在介電層12的一個(gè)空穴中。這一空穴可以為一個(gè)凹槽，例如，這一凹槽按用作傳輸線的信號(hào)承載第三導(dǎo)線的尺寸加工，并接納第三導(dǎo)線。由于這一設(shè)置以及把介電層定位在兩個(gè)導(dǎo)電層之間這一事實(shí)，將類似一個(gè)波動(dòng)把微波信號(hào)徑向地從空穴17朝介電層12的外圍傳播，其中，介電層作為一個(gè)波導(dǎo)層?？梢园岩粋€(gè)吸收層施加在介電各層的外圍，以獲得更好的性能。此處，作為沿介電層12的外圍封閉電層12的一個(gè)環(huán)或鑲邊形成吸收層，并將其定位在兩個(gè)導(dǎo)電層11，13之間。
如以上所述，第二導(dǎo)電層13配備有一系列槽14。以在介電層12中傳播的微波信號(hào)的形式的波動(dòng)，將通過孔，即形成在第二導(dǎo)電層13中的槽泄漏，在這一情況中，微波能將從所述第二導(dǎo)電層13向外輻射，這一設(shè)備如天線一樣動(dòng)作。通過使槽14的位置適合于所使用的微波信號(hào)，可以使所希望的微波模式得以生成。這發(fā)生于微波信號(hào)及其相位積極地與第二導(dǎo)電層13中的槽14的位置進(jìn)行交互時(shí)。由于從相應(yīng)槽泄漏的波部分之間的積極的干擾，所以對(duì)它們加以聚集，以形成一個(gè)所希望的微波模式。其后的理論上的計(jì)算，代表著現(xiàn)有技術(shù)，因此不在這里加以描述。此處所希望的微波模式為H01(可供選擇的描述為TE01)，因?yàn)檫@一模式非常適合于用作存儲(chǔ)罐中的波導(dǎo)管的所述管子中的標(biāo)高測(cè)量。所述模式適用于觀察型測(cè)量，因?yàn)樗o出了預(yù)期管狀波導(dǎo)管7中低的衰減，甚至是當(dāng)波導(dǎo)管生銹或變污時(shí)。當(dāng)使用所描述的天線結(jié)構(gòu)時(shí)，微波信號(hào)的其它模式僅低程度地出現(xiàn)，無需為其它模式的衰減而擔(dān)憂。圖2中所示的槽圖案是與某一微波模式相連接的一個(gè)特定的圖案，在所示的實(shí)例中，用于生成H01模式。
如果把天線10跨越管狀波導(dǎo)管7加以放置，即按直角向管子加以放置，則把所傳輸?shù)奈⒉úㄊ挥谔炀€的表面，即正交于各導(dǎo)電層的平面加以設(shè)置。另一方面，如果希望把天線10相對(duì)于水平平面滑入，則按這樣的方式制作槽的圖案通過積極干擾從相應(yīng)槽所輻射的微波能量創(chuàng)建了一個(gè)與天線表面成對(duì)角線角度的微波波束。
權(quán)利要求
1.一種用于確定存儲(chǔ)罐(1)中的介質(zhì)(2)的表面(6)標(biāo)高的水準(zhǔn)儀中的雷達(dá)(3)天線(10)，其特征在于包括-一個(gè)第一(11)和一個(gè)第二(13)導(dǎo)電層，-一個(gè)在導(dǎo)電層(11，13)之間的介電層(12)，-一系列在第二導(dǎo)電層(13)中按一個(gè)預(yù)確定模式制作的孔(14)，以及-一條傳輸線(15)，經(jīng)由一個(gè)連接安裝于介電層(12)，其中，把來自雷達(dá)(3)的微波經(jīng)由這一傳輸線(15)的連接供給于介電層(12)，并沿徑向方向從這一連接在介電層中向外分布出去，并經(jīng)由第二導(dǎo)電層中的孔(14)，以一個(gè)預(yù)確定的主要微波模式從介電層向外輻射。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的天線，其中，圖案中的各孔的位置和孔的幾何形狀基于預(yù)確定的微波模式以及各孔處的微波頻率和相位位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的天線，其中，經(jīng)由介電層(12)中居中設(shè)置的一個(gè)連接，把微波饋送到該層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的天線，其中，第一層(11)制作有一個(gè)針對(duì)用于把微波信號(hào)供給于介電層(12)的傳輸線15的導(dǎo)通孔(17)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的天線，其中，在介電層(12)形成一個(gè)空穴(17)，以接納用于把微波向外傳輸?shù)酵鈬殡妼又械膫鬏斁€(15)的饋送部分。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的天線，其中，已按這樣的一個(gè)圖案設(shè)置了孔(14)所傳輸?shù)奈⒉Ｊ綄镠01模式。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的天線，其中，圖案包括一系列制作為槽的孔(14)，按槽的Z字形線排列這些槽，其中，Z字形線從傳輸線的饋送點(diǎn)附近的一個(gè)點(diǎn)開始，沿半徑展開。
8.根據(jù)權(quán)利要求1～7的任何一個(gè)的天線，其中，把導(dǎo)電層(11，13)至少之一接地。
9.根據(jù)權(quán)利要求1～7的任何一個(gè)的天線，其中，天線(10)經(jīng)由一個(gè)管子(7)，傳輸和接收由表面(6)所反射的一個(gè)微波信號(hào)，管子(7)用作針對(duì)分別由雷達(dá)(3)所傳輸和接收的微波的一個(gè)波導(dǎo)管。
10.根據(jù)權(quán)利要求1～7的任何一個(gè)的天線，其中，天線(10)經(jīng)由一個(gè)管子(7)，傳輸和接收由表面(6)所反射的一個(gè)微波信號(hào)，管子(7)用作針對(duì)分別由雷達(dá)(3)所傳輸和接收的微波的一個(gè)波導(dǎo)管，而且，其中，管子(7)擁有一個(gè)至少兩倍于微波波長的直徑。
11.根據(jù)權(quán)利要求1～7的任何一個(gè)的天線，其中，介電層(11)的厚度小于經(jīng)由天線傳輸?shù)奈⒉ǖ牟ㄩL的一半。
12.用于從水準(zhǔn)儀中的天線(10)生成一個(gè)主要微波模式的方法，用于所述模式的傳輸，其中雷達(dá)(3)用于確定存儲(chǔ)罐(1)中的介質(zhì)(2)的表面(6)標(biāo)高的，其中，該方法包括下列階段-經(jīng)由一條傳輸線(15)，把一個(gè)微波信號(hào)從雷達(dá)(3)傳輸?shù)浇殡妼?12)，-把一個(gè)第一(11)和一個(gè)第二(13)導(dǎo)電層排列在介電層(12)的每一側(cè)，并與介電層12相鄰接，-在用作波導(dǎo)管的介電層中，從傳輸線(15)，徑向向外地傳輸微波信號(hào)，-在第二導(dǎo)電層(13)中，允許微波信號(hào)穿過形成一個(gè)預(yù)確定模式的一系列孔(14)，以及-通過使孔圖案適合于微波信號(hào)的頻率和相位，獲得經(jīng)由第二導(dǎo)電層中的孔向外輻射的主要微波模式。
全文摘要
一種用于確定存儲(chǔ)在存儲(chǔ)罐(1)中的介質(zhì)(2)的表面(6)標(biāo)高的雷達(dá)水準(zhǔn)儀中的天線(10)。天線(10)擁有一個(gè)第一(11)和一個(gè)第二(13)導(dǎo)電層，以及一個(gè)導(dǎo)電層(11，13)之間的介電層(12)。第二導(dǎo)電層(13)配備有一系列呈一個(gè)預(yù)確定模式的孔(14)。導(dǎo)向介電層(12)中心的是一條傳輸線(15)，把來自雷達(dá)水準(zhǔn)儀中的一個(gè)雷達(dá)單元(3)的微波經(jīng)由這一傳輸線(15)供給于介電層(12)，并沿徑向方向從作為波導(dǎo)管的介電層中的一個(gè)饋送點(diǎn)將其向外傳輸。經(jīng)由第二導(dǎo)電層(13)中的所述孔(14)，一個(gè)微波波束向外輻射。由于微波的相位和這些孔所形成的圖案中的各孔(14)的放置之間的匹配，所以可以獲得所希望量級(jí)的一個(gè)主要波導(dǎo)模式。
文檔編號(hào)H01Q1/22GK1605017SQ02825141
公開日2005年4月6日 申請(qǐng)日期2002年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月16日
發(fā)明者簡·韋斯特林, 托爾比約恩·克里格 申請(qǐng)人:塞伯海洋電氣公司