微波传输装置、通信和/或测量系统以及雷达物位计系统
阅读说明：本技术 微波传输装置、通信和/或测量系统以及雷达物位计系统 (Microwave transmission device, communication and/or measuring system and radar level gauge system ) 是由 芒努斯·奥尔松 于 2021-03-22 设计创作，主要内容包括：公开了微波传输装置、通信和/或测量系统以及雷达物位计系统。一种微波传输装置,包括：导电中空波导,所述导电中空波导具有第一波导部分、在中空波导的第一波导部分与第一端之间的第二波导部分、以及中空波导的在第一波导部分与第二波导部分之间形成过渡的导电过渡表面；以及微波电路板,所述微波电路板包括介电载体以及在介电载体的第一侧上的第一导体图案,第一导体图案包括用于辐射或接收预定义波长范围内的微波信号的贴片以及围绕贴片的第一接地平面,其中,微波电路板的第一接地平面与中空波导的第一端导电接触,并且延伸到第二波导部分截面区域中以与中空波导的第二波导部分和过渡表面一起限定至少一个导电袋。(Microwave transmission devices, communication and/or measurement systems and radar level gauge systems are disclosed. A microwave transmission device, comprising: an electrically conductive hollow waveguide having a first waveguide portion, a second waveguide portion between the first waveguide portion and the first end of the hollow waveguide, and an electrically conductive transition surface of the hollow waveguide forming a transition between the first waveguide portion and the second waveguide portion; and a microwave circuit board comprising a dielectric carrier and a first conductor pattern on a first side of the dielectric carrier, the first conductor pattern comprising a patch for radiating or receiving microwave signals in a predefined wavelength range and a first ground plane surrounding the patch, wherein the first ground plane of the microwave circuit board is in electrically conductive contact with a first end of the hollow waveguide and extends into a cross-sectional area of the second waveguide portion to define at least one electrically conductive pocket together with the second waveguide portion of the hollow waveguide and the transition surface.)
技术领域
本发明涉及微波传输装置，涉及通信和/或测量系统以及涉及雷达物位计系统。
背景技术
为了将高频微波从微波收发器电路系统传输以及传输至微波收发器电路系统，已知使用从微波电路板到导电中空波导的过渡。这样的过渡可以利用所谓的四分之一波反向短路(back-short)来实现，但是特别是对于相对高的频率，这可能使得更难以将微波电路板与较低频率电路板集成以容纳其他电子器件例如信号处理电路系统。
因此，已经提出了如下解决方案，不需要四分之一波反向短路，但是其中使用贴片和至少部分地围绕贴片的接地平面来实现与波导的微波耦合。
期望以适合于在受到EX限制的环境特别是与所谓的本质安全有关的环境中使用的方式提供这种微波耦合。本质安全的概念由相关规范定义，并且意味着即使在最坏的情况下，在故障条件下可能出现的正常信号或电压都不应能够引起点火。本质安全的规范的示例是IEC610079-0和IEC610079-11。可以从中受益的应用包括例如在工业现场或加油站的储罐计量和微波通信等。
发明内容
鉴于以上，本发明的总体目的是提供一种改进的微波传输装置，具体是一种适合于在受到EX限制的环境中使用的微波传输装置。
因此，根据本发明的一方面，提供了一种微波传输装置，包括：导电中空波导，所述导电中空波导被配置成沿着由中空波导限定的信号传播路径以预定义传播模式引导预定义波长范围内的微波信号，中空波导具有：具有第一波导截面区域的第一波导部分；在中空波导的第一波导部分与第一端之间的第二波导部分，第二波导部分具有比第一波导截面区域大的第二波导截面区域；以及中空波导的在第一波导部分与第二波导部分之间形成过渡的导电过渡表面；以及微波电路板，所述微波电路板包括介电载体以及在介电载体的第一侧上的第一导体图案，所述第一导体图案包括用于辐射或接收预定义波长范围内的微波信号的贴片以及围绕贴片的第一接地平面，其中，微波电路板的第一接地平面与中空波导的第一端导电接触，并且延伸到第二波导部分截面区域中以与中空波导的第二波导部分和过渡表面一起限定至少一个导电袋。
第一波导截面区域是垂直于信号传播路径的平面，并且第二波导截面区域位于垂直于信号传播路径的平面中。
第一接地平面延伸到第二波导部分截面区域中以与中空波导的第二波导部分和过渡表面一起限定至少一个导电袋应当被理解为是指第一接地平面——除了与中空波导的第一端导电接触之外——还存在于微波电路板的在中空波导的第一端处由中空波导限制的第一侧的区域内。在贴片的外周与第一接地平面的边缘之间可以存在间隙，并且第一接地平面可以从该边缘延伸并且至少延伸至中空波导的第一端，并且至少部分地延伸超出中空波导的第一端。
本发明人已经发现现有的微波传输装置——其中使用贴片和至少部分地围绕贴片的接地平面来实现与波导的微波耦合——不能将有效的微波能量传递与本质安全相结合。特别地，发明人发现贴片与中空波导之间的距离没有变得足够大以满足相关标准的要求。
鉴于该发现，本发明基于以下认识：通过以如下方式对中空波导和第一接地平面进行配置——该方式使得在微波电路板与中空波导之间的过渡处形成至少一个导电袋，可以实现贴片与中空波导之间的足够距离，同时实现微波能量在贴片与中空波导之间的有效传递。通过这样的导电袋(或者多个导电袋)的适当配置，可以增加贴片与中空波导之间的距离，同时保持可接受的微波能量传输能力。本发明人还惊奇地发现，具有一个或几个导电袋的配置可以以如下方式被配置，该方式使得用于将微波电路板和中空波导相对于彼此定位的公差可以增加，这有助于根据本发明的实施方式的微波传输装置以及包括微波传输装置的系统或设备的具有成本效益的大规模生产。
应当注意，一个或多个导电袋的确切配置通常将取决于微波电路板的布局和/或波长范围，并且本领域的普通技术人员将能够使用例如容易获得的仿真工具来得到适当的导电袋配置。
根据实施方式，中空波导的过渡表面可以在垂直于信号传播路径的方向上延伸至少与预定义波长范围的中心波长的0.4倍相对应的距离。这意味着至少一个导电袋的深度变为至少与预定义波长范围的中心波长的0.4倍相对应的距离。
仿真已经表明，至少一个导电袋的这样的最小深度对于微波信号从贴片到中空波导的传输可能是有利的。
此外，中空波导的过渡表面可以有利地在垂直于信号传播路径的方向上延伸小于与预定义波长范围的中心波长的0.6倍相对应的距离。这意味着至少一个导电袋的深度变为小于与预定义波长范围的中心波长的0.6倍相对应的距离。
仿真已经表明，至少一个导电袋的这样的最大深度对于微波信号从贴片到中空波导的传输可能是有利的。
各种仿真结果与所谓的半波长扼流圈的理论完全一致，并且确认至少一个导电袋可以被配置成充当虚拟短路壁，使得从贴片传播的微波信号当在中空波导的第一端处进入中空波导时将有效地看到具有第一波导截面区域的中空波导。
根据各种实施方式，微波传输装置还可以包括微波收发器电路系统，该微波收发器电路系统具有用于提供由微波收发器电路系统生成的微波信号的输出端和用于接收微波信号的输入端；并且贴片可以连接至输出端和输入端中的至少一个。
“收发器”可以是能够发射和接收微波信号的一个功能单元，或者可以是包括单独的发射器单元和接收器单元的系统。
根据实施方式，该微波传输装置可以有利地包括在通信和/或测量系统中，所述通信和/或测量系统还包括处理电路系统，该处理电路系统耦接至微波收发器电路系统并被配置成控制微波收发器电路系统以提供微波信号和/或对由微波收发器电路系统接收的微波信号执行信号处理。
根据一个特定实施方式，该微波传输装置可以有利地包括在用于确定产品在储罐中的填充水平的雷达物位计系统中，该雷达物位计系统还包括：耦接至微波传输装置的中空波导的天线，所述天线用于从微波传输装置向产品的表面辐射电磁发射信号，并且用于将由于电磁发射信号在表面处的反射所产生的电磁反射信号向微波传输装置返回；以及处理电路系统，所述处理电路系统耦接至微波传输装置中包括的微波收发器电路系统并被配置成基于发射信号与反射信号之间的时间关系确定填充水平。
对于所有实施方式，应当注意，处理电路系统可以被提供为一个设备或者一起工作的几个设备。
总之，本发明因此涉及一种微波传输装置，包括：导电中空波导，所述导电中空波导具有第一波导部分、在中空波导的第一波导部分与第一端之间的第二波导部分以及中空波导的在第一波导部分与第二波导部分之间形成过渡的导电过渡表面；以及微波电路板，所述微波电路板包括介电载体以及在介电载体的第一侧上的第一导体图案，所述第一导体图案包括用于辐射或接收预定义波长范围内的微波信号的贴片以及围绕贴片的第一接地平面，其中，微波电路板的第一接地平面与中空波导的第一端导电接触，并且延伸到第二波导部分截面区域中以与中空波导的第二波导部分和过渡表面一起限定至少一个导电袋。
附图说明
现在将参照示出本发明的当前优选实施方式的附图更详细地描述本发明的这些方面和其他方面，在附图中：
图1示意性地示出了根据本发明的实施方式的微波传输装置的示例应用；
图2是根据本发明的实施方式的微波传输装置以示例性雷达物位计系统的形式的一个示例应用的示意性侧视图；以及
图3A至图3C示意性地示出了根据本发明的示例实施方式的微波传输装置。
具体实施方式
在本详细描述中，主要参考雷达物位计系统来讨论根据本发明的微波传输装置的各种实施方式。
应当注意，这决不限制本发明的范围，本发明的范围同样还包括例如用于其他应用诸如通信系统的微波传输装置，例如，如可以例如在5G通信系统中使用的微波链路。
图1示意性地示出了工业现场1诸如加工工业，例如精炼厂或类似工厂。如图1中示意性地示出的，工业现场1包括储罐3和各种加工设备5。根据工业的类型，工业现场1上可能存在危险环境，从而要求根据适用标准对现场1上使用的设备进行认证。适当地，现场1上使用的设备中的至少一些可以满足本质安全的相关要求，这意味着设备被认证为不能够在危险环境中引起点火。本质安全的适用标准的示例是IEC610079-0和IEC610079-11。
工业现场1上可以被有利地配置成满足本质安全的要求的设备的示例可以包括图1中示意性地指示的微波链路7和雷达物位计系统9。根据本发明的实施方式的这样的系统的共同之处在于，它们各自包括用于在收发器电路系统与天线之间传输微波信号的微波传输装置。如相关领域的技术人员所公知的，对于分别在微波链路7和雷达物位计系统9中使用的设备，各种规格可以不同。例如，天线配置可以具体适配于天线被布置的环境。然而，在各种应用中使用的微波传输装置可以具有基本上相同的配置。
图2是根据本发明的实施方式的微波传输装置以示例性雷达物位计系统9的形式的一个示例应用的示意性侧视图。
如图2中概念性地指示的，雷达物位计系统9包括微波收发器电路系统11、包括中空波导15的微波传输装置13、天线17、处理电路系统19、通信电路系统21以及在此以法兰23的形式的工艺连接件。
微波收发器电路系统11具有用于提供由微波收发器电路系统11生成的微波信号的输出端25——在此示出为组合的微波输出端口和输入端口——以及用于接收微波信号的输入端25。如图2中示意性地指示的，微波收发器电路系统11还具有耦接至处理电路系统19的相应测量数据接口29的测量数据接口27。处理电路系统19另外具有耦接至通信电路系统21的相应通信接口33的通信接口31。
在雷达物位计系统9的操作中，处理电路系统19控制微波收发器电路系统11以生成和发射微波发射信号。微波发射信号由微波收发器电路系统11提供给微波传输装置13，该微波传输装置13将微波发射信号转移给天线17。简要地参照图1，天线17向储罐3中的产品6的表面4辐射微波发射信号ST。微波发射信号ST至少部分地作为微波反射信号SR向天线17被反射回。微波反射信号SR到达天线17，并由中空波导15引导，并且微波传输装置13将微波反射信号SR从由中空波导15引导的信号转变为由微波电路板(图2中未示出)上的带状线承载的信号，返回到微波收发器电路系统11。基于微波发射信号ST与微波反射信号SR之间的时间关系，处理电路系统19以本身公知的方式确定产品6在储罐3中的填充水平。指示所确定的填充水平的通信信号由通信电路系统21传送至外部主机。
在微波链路7中，可以不存在距离的确定，而是可以以相关领域的技术人员公知的方式在所发射的信号上对数据进行编码并且可以通过对所接收的信号进行解码来检索数据。
图3A至图3C示意性地示出了根据本发明的示例实施方式的微波传输装置13。在图3A至图3C中示意性地示出的这种微波传输装置13可以用于各种系统，例如图1中的微波链路7和雷达物位计系统9。
首先参照图3A，图3A是微波传输装置13的分解图，微波传输装置13包括导电中空波导15和微波电路板34。中空波导15被配置成沿着由中空波导15限定的信号传播路径以预定义传播模式引导预定义波长范围内的微波信号。预定义波长范围可以例如是77GHz至81GHz，并且预定义传播模式可以例如是TE 10，但是其他波长范围和/或传播模式是可行的并且根据应用可能是有益的。
如图3A中指示的，但在图3B中更好地示出的，中空波导15具有第一波导部分35和第二波导部分37，第一波导部分35具有第一波导截面区域，第二波导部分37具有比第一波导截面区域大的第二波导截面区域。第一波导部分35和第二波导部分37通过中空波导15的导电过渡表面39连接。在图3A至图3C中的微波传输装置13的示例配置中，中空波导15具有基本上矩形的截面(或者更确切地说，两个不同的基本上矩形的截面)。然而，应当注意，中空波导15可以具有其他截面，例如圆形截面或椭圆形截面。
微波电路板34包括介电载体41和在微波电路板34的面对中空波导15的第一侧上的第一导体图案43。如图3A中示意性地指示的，第一导体图案43包括贴片45和至少部分地围绕贴片45的第一接地平面47。微波带状线46将贴片45与微波电路系统19(图3A中未示出)连接。如图3A中示意性地指示的，第一接地平面47基本上完全围绕贴片45和微波带状线46。在第一导体图案43中存在将贴片45和第一接地平面47分开的间隙48。贴片45在此被示为基本上是矩形的，因为贴片45适配于中空波导15。如相关领域的技术人员将理解的，对于其他波导配置，其他贴片配置可能是合适的。
在图3A中的示例配置中，微波电路板34另外具有在介电载体41的与第一侧相对的第二侧上的第二导体图案49。第二导体图案49包括与贴片45和第一接地平面47相对布置的第二接地平面51。如图3A中示意性地示出的，第一接地平面47和第二接地平面51通过延伸穿过介电载体41的导电通孔52互连。
如图3A中示意性地指示的，导电中空波导15的第一端53与微波电路板34的第一接地平面47导电接触。此外，如图3A中还可以看出的，第一接地平面47延伸到第二波导部分截面区域中，以与中空波导15的第二波导部分37(第二波导部分37的导电侧壁)和过渡表面39一起限定至少一个导电袋55a至55b。
具体地，现在将参照图3B中的示意性透视图更详细地描述微波传输装置13的中空波导15。
参照图3B，示意性地指示由中空波导15限定的信号传播路径57。如上面进一步提及的，第一波导部分35具有第一波导截面区域59，第一波导截面区域在具有垂直于信号传播路径57的平面的截面中，并且第二波导部分37具有第二波导截面区域61，第二波导截面区域在具有垂直于信号传播路径57的平面的截面中。
沿着信号传播路径57从中空波导15的第一端53到中空波导15的导电过渡表面39的距离或者第二波导部分37的深度可以有利地大于0.2mm且小于2mm。最小深度被选择以确保微波传输装置13满足本质安全的相关要求，并且最大深度被选择以用于微波能量在贴片45与中空波导15的第一波导部分35之间的有效传输。
此外，过渡表面39可以有利地在垂直于信号传播路径57的至少一个方向上延伸距离d1，该距离d1与微波传输装置13被配置用于的预定义波长范围的中心波长的0.4倍至0.6倍相对应。
在图3B的示例配置中，第一波导部分35具有矩形截面，该矩形截面具有第一侧63和垂直于第一侧63的第二侧65。第二波导部分37也具有矩形截面，该矩形截面具有与第一波导部分35的第一侧63平行的第一侧67以及与第一波导部分35的第二侧65平行的第二侧69。
在该特定配置中，已经发现第二波导部分37的第一侧67可以有利地比第一波导部分35的第一侧63长至少与预定义波长范围的中心波长的0.8倍相对应的距离，并且第二波导部分37的第二侧69的长度与第一波导部分35的第二侧65的长度之间的差可以小于与预定义波长范围的中心波长的0.4倍相对应的距离。例如，过渡表面39可以有利地在垂直于信号传播路径57的至少一个方向上延伸距离d2，该距离d2与小于微波传输装置13被配置用于的预定义波长范围的中心波长的0.2倍相对应。这样做的原因是防止在微波传输装置13中形成另外的传播模式。根据实施方式，距离d2可以有利地接近零，使得第二波导部分37的第二侧69的长度基本上等于第一波导部分35的第二侧65的长度。
图3C示意性地是图3A中的微波传输装置13沿着图3A中的线A-A'截取的截面的侧视图。图3C中的侧视图更清楚地示出了微波电路板34的第一导体图案43和第二导体图案49，如具体清楚地指示了由第一接地平面47、中空波导15的第二波导部分37和过渡表面39限定的第一导电袋55a和第二导电袋55b。
本领域技术人员认识到，本发明决不限于上述优选实施方式。相反，在所附权利要求的范围内，许多修改和变型是可能的。
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