專利名稱：具有作為蓋的陶瓷片的貼片天線的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及料位測量。本發(fā)明尤其是涉及一種用于料位雷達的具有處 理隔離部(Prozesstrennung)的平面天線、 一種具有平面天線的料位雷達 以及一種將這種平面天線用于料位測量的應用。
背景技術：
在料位測量技術中有許多應用，其中存在高溫或者高壓。過程溫度例 如可以達到400°C。壓力可以達到160巴或者更高的值。
為了能夠在這些應用中借助雷達傳感器來測量料位，處理端子(即天 線)必須構建為使得其經受住這樣的溫度或壓力而不受損。對此通常使用 如陶瓷、玻璃或者不銹鋼的材料。
在已知的傳感器中用作天線填充物或者密封物的塑料首先不能耐受 高溫。這些塑料材料例如是聚四氟乙烯(PTFE)或者聚醚醚酮(PEEK)。
如果要用陶瓷或者玻璃替代這些塑料，則由于陶瓷和玻璃的高的介電 常數Sr,在雷達傳感器的較高的發(fā)射頻率的情況下不能容易地達到目的。
一方面，尺寸變得非常小，而另一方面由于周圍的空氣和Sr大的差而 使高頻特性劣化。
這在6GHz附近的頻率的情況下已導致問題，并且特別是在鄰近區(qū)域 中，傳感器的靈敏度會極大地降低。在圖1中示出了這種傳感器。
處理隔離部的另一種可能性在于將陶瓷片用作波導中的窗。在此，厚 度為發(fā)射頻率的半波長(或者半波長的整數倍)的片用作波導中的"窗"。這在圖2中示出。然而，由于片的高Sr, >11射強烈到使得在此由于在鄰近 區(qū)域中的多次反射而也會強烈地降低靈敏度。

發(fā)明內容
本發(fā)明的任務是提出一種具有改進的處理隔離部的平面天線。
根據本發(fā)明的一個實施例，提出了一種用于測量料位的料位雷達的、 具有處理隔離部的平面天線，其中該平面天線具有平面的輻射元件，用于 朝著天線的外部區(qū)域輻射電磁發(fā)射信號，以及具有片狀的處理隔離部，用 于使天線的外部區(qū)域與天線的內部區(qū)域隔離，其中片狀的處理隔離部設置 在平面的輻射元件與外部區(qū)域之間。
平面的輻射元件于是位于片狀的處理隔離部的(內側)背面，并且因 此將發(fā)射信號通過處理隔離部輻射進天線的外部區(qū)域中。因為輻射元件由 此位于通過處理隔離部對外密封的天線的內部，所以形成了天線的高化學 耐受性以及改進的高頻特性。
根據本發(fā)明的另一實施例，處理隔離部實施為陶瓷片或者玻璃片。
陶瓷和玻璃都耐受提高的溫度和壓力，而不會受損。
平面的輻射元件例如可以以結構化的金屬化物的形式在片狀的處理 隔離部的背面實施。
根據本發(fā)明的另一實施例，平面天線還包括金屬壁，作為平面輻射元 件的接地面，其中金屬壁與平面的輻射元件間隔地設置。
根據本發(fā)明的另 一實施例，在金屬壁與處理隔離部之間存在氣體或者 真空。
通過在金屬壁與處理隔離部之間的中間區(qū)域中使用具有低介電常數 的介質(或者通過使用真空)，天線的帶寬得到最大值。
根據本發(fā)明的另一實施例，處理隔離部具有如下厚度該厚度對應于 電磁發(fā)射信號的半波長的整數倍。
由此，可以降低發(fā)射信號的由于處理隔離部而引起的損耗或者干擾。
根據本發(fā)明的另 一實施例，平面天線還包括在天線的內部區(qū)域中環(huán)繞 的邊緣，用于支持處理隔離部反抗來自外部的壓力。
例如，天線具有殼體和多個密封環(huán)，這些密封環(huán)在環(huán)繞的邊緣、處理隔離部和殼體之間提供密封。
以這樣的方式提供了能夠簡單制造但仍非常強健的天線裝置，該天線 裝置即使在高壓力差時也保證了處理隔離。
根據本發(fā)明的另一實施例，密封環(huán)實施為石墨環(huán)。石墨尤其是良好地 適于對處理隔離部的密封，因為石墨環(huán)由于其可壓縮性而幾乎完全填滿了 要密封的部分之間的間隙，并且此外也能導電并且由此也能夠保證電連 接。在常用的由彈性體構成的密封環(huán)的情況下，形成了以介電方式填充的 空間，該空間會妨礙高頻的傳播。此外，石墨極其耐高溫和耐多種化學物 質。
根據本發(fā)明的另一實施例，密封環(huán)分別具有如下寬度該寬度對應于 電磁發(fā)射信號的半波長。
這導致在由石墨環(huán)和殼體的朝著處理隔離部的面形成的、長度為A72 (即半波長)的"短截線(Stichleitung)"的端部上的短路反映為側壁上的 近似短路，并且因此至外壁中的穿入好像不存在。
根據本發(fā)明的另 一實施例，在天線的內部區(qū)域中的環(huán)繞的邊緣實施為 金屬環(huán)，其中處理隔離部被熔融、燒結或者收縮到金屬環(huán)中。
根據本發(fā)明的另 一實施例，在片狀的處理隔離部上設置有錐體狀的突 出部，以4更有利于液體的滴落。
通過這樣的方式，可以減低處理隔離部的外部區(qū)域的沾污。
根據本發(fā)明的另 一實施例，平面天線還包括至微波模塊的高頻端子， 其中高頻端子實施為同軸輸入端。
例如，同軸端子可以包括玻璃熔融物，該玻璃熔融物是在易爆區(qū)域中 的可靠的區(qū)域隔離。
根據本發(fā)明的另一實施例，高頻端子實施為帶有波導的耦合器。 因此，通過帶有波導的耦合器可以激勵各個輻射元件。
根據本發(fā)明的另一實施例，設置有至少一個另外的平面輻射元件，該 輻射元件與第 一輻射元件一 同構成貼片天線。
于是在此涉及兩個或者整數多個的平面輻射元件，這些平面輻射元件 設置在處理隔離部的背面并且共同產生發(fā)射信號。
所有已知的形狀，如矩形、三角形或者圓形都適于作為輻射元件。根據本發(fā)明的另 一實施例，平面天線包括天線喇叭(Antennenhorn )， 該天線喇p八設置在平面天線的外部區(qū)域中，其中平面輻射元件彼此電連 接，使得它們形成陣列。
根據本發(fā)明的另一實施例，平面天線還包括波導，該波導設置在平面 天線的外部區(qū)域中，其中平面輻射元件和波導一起作用，使得在平面天線 工作時將電磁的發(fā)射信號耦合輸入到波導中。
隨后在波導上例如又可以連接天線。
根據本發(fā)明的另一實施例，給出了一種用于確定罐中的料位的料位雷 達，該料位雷達包括如上面所描述的平面天線。
此外，給出了將上面所描述的平面天線用于料位測量的應用。
由從屬權利要求中得到本發(fā)明的另外的實施例和優(yōu)點。


以下參照附圖來描述本發(fā)明的優(yōu)選的實施例。
圖1示出了具有由介電體構成的匹配錐體的喇叭天線的示意圖。
圖2示出了具有由介電體構成的窗的喇叭天線的示意圖。
圖3示出了才艮據本發(fā)明的一個實施例的平面天線的示意圖。
圖4示出了才艮據本發(fā)明的另一實施例的平面天線的示意圖。
圖5示出了才艮據本發(fā)明的另一實施例的平面天線的示意圖。
圖6示出了才艮據本發(fā)明的另一實施例的平面天線的輻射元件陣列的 示意圖。
圖7示出了才艮據本發(fā)明的一個實施例的具有天線喇叭的平面天線。
圖8示出了根據本發(fā)明的一個實施例的具有波導的平面天線。
圖9示出了根據本發(fā)明的一個實施例的料位雷達的示意圖。
圖10示出了根據本發(fā)明的另 一實施例的具有錐體狀的凹進部分1001 的平面天線的示意圖。
附圖中的圖示是示意性的而非合乎比例的。
具體實施例方式
在以下的附圖描述中，對于相同或者相似的元件使用了相同的參考數字。
圖1示出了具有由介電體構成的匹配錐體102的喇叭天線101的示意 圖。電磁發(fā)射信號在此通過波導103和匹配錐體102導入喇叭天線101中， 并且隨后朝著填料輻射。如果由介電體構成的匹配錐體102要實施為針對 高溫和高壓的處理隔離部，則其必須具有相應的耐高溫性和抗壓性。該匹 配錐體因此不能由塑料來實施，塑料在提高的溫度的情況下會熔化。然而， 如果由耐高溫的材料如陶瓷或者玻璃來實施匹配錐體102，則由于陶資或 者玻璃材料的高的介電常數而會在信號傳輸中出現(xiàn)問題。由此會使高頻特 性劣化。此外，尺寸必須選擇得相應小。
圖2示出了具有作為處理隔離部的、由介電體構成的窗201和波導 103的喇叭天線101的示意圖。由于窗201的高的介電常數而形成了強烈 的反射，使得由于在鄰近區(qū)域中的多次反射而強烈地降低天線裝置的靈敏 度。
圖3示出了才艮據本發(fā)明的一個實施例的平面天線300的示意圖。該平 面天線300具有作為處理隔離部的陶瓷片302。在陶資片302的背面上施 加有結構化的金屬化物形式的平面輻射元件301、 311。此外，設置有金 屬的背壁305。
于是平面的天線結構301、 311被施加到陶瓷片或者玻璃片302上。 該結構由導電的材料構成，并且可以是單個的貼片輻射器301或者由多個 單個貼片301、 311構成的陣列。
輻射元件301、 311產生波長為入的電>^發(fā)射信號316，該信號通過片 302朝著填料輻射。
金屬化物由于化學耐受性以及更好的高頻特征而位于與處理背離的 側304上。
間隔的金屬壁305用作貼片結構的接地面。在接地面305與在陶資片 302上的結構301、 311之間存在例如氣體(例如空氣)或者真空，因為 由于氣體或者真空的低介電常數而使天線300的帶寬獲得最大值。
在該中間區(qū)域314中使用(具有較高的介電常數的)介電體也是可能 的。由此減小了帶寬。為了使干擾最小化，陶瓷片302具有NxA/2 (N-l， 2， 3， 4...)的 厚度。
該結構具有一些優(yōu)點，例如在使用高品質的陶瓷時的高的化學抵抗性 和高的溫度可承受性，以及高的壓力可承受性。
圖4示出了具有支承環(huán)306的平面天線的示意圖。
片302抗壓力的支承可以以不同的方式來實現(xiàn)。最簡單的方式是在玻 璃片或者陶瓷片302的背壁上的環(huán)繞的邊緣或者支承環(huán)306。該支承環(huán)306 為片302提供了環(huán)形的支承。
在邊緣306、片302和殼體309之間的密封例如借助兩個石墨環(huán)307、 308來實現(xiàn)，該石墨環(huán)安裝在片302之前和之后。對石墨環(huán)307、 308預 壓所需的力可以通過背壁與殼體309之間的螺紋來施加。
針對石墨環(huán)307、 308的寬度b315,例如可選擇為待傳輸的頻率的波 長X的一半。這導致，在由石墨環(huán)和殼體309的朝著陶瓷的面形成的長度 為b = X/2的"短截線，，的端部上的短路317反映為側壁上的近似短路318， 并且因此至外壁中的穿入好像不存在。
以下方法提供了片302的密封的其他可能性 -熔融到金屬環(huán)中(例如在玻璃的情況下)； -燒結到金屬環(huán)中(例如在陶瓷的情況下)；以及 -收縮到金屬環(huán)中。
例如接著可以將這樣形成的部件焊接到另外的金屬零件上。
圖5示出了根據本發(fā)明的另一實施例的平面天線的示意圖。為了獲得 玻璃片或者陶瓷片302上的更好的滴落特性，附加地可以將錐體狀的突出 部501安裝到片302上。如果在這樣的情況下在片的下側上形成冷凝物， 則冷凝物可以在斜面上朝著中心流去，并且當冷凝物聚集足夠多時，從那 里滴落。錐體狀的突出部501也可以相反地構建，佳_得冷凝物在外面的環(huán) 上聚集。陶瓷片302同樣可以在朝著處理的側上具有錐體狀的凹進部分 1001,由此冷凝物可以朝著陶瓷片302的外環(huán)流出。這在圖10中示出。
至微波模塊(未在圖中示出)的高頻端子在該例子中通過同軸輸入端 310來實現(xiàn)。玻璃熔融物可以被引入該同軸端子310中，該玻璃熔融物是 在易爆區(qū)域中的可靠的區(qū)域隔離物。對此，在內部導體和外部導體之間熔 融有長度為例如3mm的玻璃體。替代同軸端子，各個輻射元件也可以通過帶有波導的耦合器來激勵。
玻璃片或者陶瓷片302上的結構可以以薄層^支術來施加，或者作為絲 網印刷以厚層才支術來施加。
從上面的實施例中可以導出實現(xiàn)用于料位應用的天線不同的可能性。
單純的平面天線
單純的平面實施形式在具有高壓力加載的應用的情況下在尺寸上受 限制，因為陶瓷片應保持得盡可能薄，以便能夠使其被高頻良好地透射。 該實施形式尤其適合于如下的應用其中在高溫的情況下僅僅預期有小的 壓力，或者大的開口角或者小的天線增益已經足夠。該結構在此可以才艮據 圖4中所示的結構來實現(xiàn)。
陶瓷片上的結構在此由多個單個的輻射元件301、 311構成，這些輻 射元件一同形成貼片天線。所有已知的形狀，如矩形、三角形或者圓形都 適合作為輻射元件。特別地，使用矩形的輻射元件。
喇叭天線的激勵
另一實施例是將平面天線用于激勵喇叭天線。對此，小數目的單個輻 射器301、 311、 312、 313組合成陣列，如圖6中所示。單個輻射器301、 311、 312、 313通it^目應的線路601、 602、 603、 604與高頻端子310相 連。整個陣列600根據上面的說明來構建。
裝置600于是對應于圖7安裝到喇叭天線701中。
該裝置的優(yōu)點在于，陶瓷片302能夠保持得相對小，并且在相同厚度 的情況下承受更高的壓力。此外，可以通過改變喇叭大小而改變天線增益 和整個裝置的開口角度，其中具有貼片天線的耦合輸入區(qū)始終保持相同。
作為波導中的激勵器
如圖7中相同的裝置也可以安裝到波導801中，并且因此用作從同軸 線路(高頻端子310)至波導801的過渡。這在圖8中示出。在波導801 上于是例如又可以連接有喇叭天線。
圖9示出了根據本發(fā)明的另 一實施例的料位雷達的示意圖料位雷達在此具有帶有天線喇叭701的平面天線300。天線300被實 施為用于將電磁輻射卯l朝著填料表面卯3發(fā)射，以及接#*#表面 卯3上反射的電磁輻射902。
通過將天線實施為具有作為蓋的陶瓷片的貼片天線，通過使用材料如 陶瓷、石墨、金屬，可以實現(xiàn)整個天線系統(tǒng)和耦合輸入裝置的高的耐高溫 性。此外，併:證了陶瓷片或者玻璃片的高的壓力可承受性。此外，通過在 同軸穿通部的區(qū)域中的玻璃熔融物，提供了天線的高的化學耐受性和用于 防爆的區(qū)域隔離。
用于防爆的區(qū)域隔離也可以通過前面的玻璃片的熔融物來提供，在該 玻璃片上施加有天線結構。
權利要求
1. 一種用于測量料位的料位雷達的、具有處理隔離部的平面天線，所述平面天線(300)包括平面輻射元件(301)，用于朝著天線(300)的外部區(qū)域(303)輻射電磁發(fā)射信號；片狀處理隔離部(302)，用于使天線的外部區(qū)域(303)與天線(300)的內部區(qū)域(304)隔離；其中片狀處理隔離部(302)設置在平面輻射元件(301)與外部區(qū)域(303)之間。
2. 根據權利要求l所述的平面天線，其中處理隔離部(302)實施為 陶瓷片或者玻璃片。
3. 根據權利要求1或者2所述的平面天線，還包括 金屬壁(305)，作為平面輻射元件(301)的接地面； 其中金屬壁(305)與平面輻射元件(301)間隔地設置。
4. 根據權利要求3所述的平面天線，其中在金屬壁(305)與處理隔 離部(302)之間存在氣體或者真空。
5. 根據上述權利要求中任一項所述的平面天線，其中處理隔離部 (302 )具有如下的厚度該厚度對應于電磁發(fā)射信號的半波長的整數倍。
6. 根據上i^利要求中任一項所述的平面天線，還包括在天線的內部區(qū)域(304)中的環(huán)繞的邊緣(306)，用于支持處理隔 離部(302)對抗壓力。
7. 根據權利要求6所述的平面天線，還包括 殼體(309),以及第一密封環(huán)(307)和第二密封環(huán)(308)，用于在環(huán)繞的邊緣(306)、 處理隔離部(302)和殼體(309)之間提供密封。
8. 根據權利要求7所述的平面天線，其中密封環(huán)(307, 308)實施 為石墨環(huán)。
9. 根據權利要求7或者8所述的平面天線，其中密封環(huán)(307, 308) 分別具有對應于電磁發(fā)射信號的半波長的寬度。
10. 根據權利要求6所述的平面天線，其中環(huán)繞的邊緣(306)在天線的內部區(qū)域(304)中實施為金屬環(huán)； 其中處理隔離部(302)熔融、燒結或者收縮到金屬環(huán)中。
11. 根據上述權利要求中任一項所述的平面天線，其中錐體狀的突出 部(501)設置在片狀的處理隔離部(302)上，以便有利于液體的滴落。
12. 根據上述權利要求中任一項所述的平面天線，還包括 至微波模塊的高頻端子(310);其中高頻端子(310)實施為同軸輸入端。
13. 根據權利要求12所述的平面天線，其中在高頻端子(310)中設 置有玻璃熔融物。
14. 根據上ii^利要求中任一項所述的平面天線，還包括 至微波模塊的高頻端子(310);其中高頻端子(310)實施為帶有波導的耦合器。
15. 根據上述權利要求中任一項所述的平面天線，其中設置有至少一個另外的平面輻射元件(311, 312, 313)，所述平面輻 射元件與第一輻射元件(301) —同構成貼片天線。
16. 根據上述權利要求中任一項所述的平面天線，還包括天線喇叭(701)，其設置在平面天線(300)的外部區(qū)域(303)中；其中平面輻射元件(301， 311， 312, 313)彼此電連接，使得它們形 成陣列。
17. 根據權利要求1至15中任一項所述的平面天線，還包括波導(801)，其設置在平面天線(300)的外部區(qū)域(303)中；其中平面輻射元件和波導一起作用，使得在平面天線工作時將電磁輻 射發(fā)射信號耦合輸入到波導中。
18. 根據上述權利要求中任一項所述的平面天線，其中平面輻射元件 (301)實施為在處理隔離部的內側上的結構化的金屬化物。
19. 一種用于確定罐中的料位的料位雷達(卯O)，該料位雷達(卯0) 包括根據權利要求1至18中任一項所述的平面天線(100 )。
20. —種應用，其中將根據權利要求1至18中任一項所述的平面天 線(100)用于料位測量。
全文摘要
當處理隔離部需要高的溫度耐受性時，料位測量技術的領域中已知的、用于天線的處理隔離部會導致在鄰近區(qū)域中劣化的高頻特性或者不希望的多次反射。根據本發(fā)明的實施例提供了一種用于料位雷達的具有處理隔離部的平面天線，該平面天線具有耐高溫的片狀處理隔離部，其設置在平面輻射元件與天線外部區(qū)域之間。由此可以提高測量靈敏度。
文檔編號H01Q1/22GK101438458SQ200780014604
公開日2009年5月20日 申請日期2007年4月17日 優(yōu)先權日2006年4月27日
發(fā)明者丹尼爾·舒爾特海斯, 于爾根·莫策, 約瑟夫·費倫巴赫 申請人:Vega格里沙貝兩合公司