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)確定存儲在存儲罐中的介質(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)儀測量存儲在存儲罐中的介質(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，在從存儲罐中的介質(zhì)的表面的反射之后，把一個與存儲罐中的介質(zhì)相通的管子用作雷達(dá)單元所傳輸?shù)摹⒉⒂稍摾走_(dá)單元加以接收的微波的一個波導(dǎo)管。
在標(biāo)高測量中，用作波導(dǎo)管的管子通常呈圓形，并擁有一個至少兩倍于雷達(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，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，使用了一個包括一個用于生成一個較高量級的微波模式波導(dǎo)的模式生成器，另外還包括作為存儲罐中從較窄的波導(dǎo)管到較寬的管子的一個過渡階段的一個長的、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，其中，這一天線的設(shè)計使一個獨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扁平天線實現(xiàn)一個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)明的一個方面，提供了一種針對用于確定存儲罐中的介質(zhì)的表面標(biāo)高的雷達(dá)水準(zhǔn)儀的天線。把一個擁有一個至少兩倍于所傳輸微波波長的直徑的管子用作存儲罐內(nèi)的一個波導(dǎo)管。這一天線擁有一個第一和第二導(dǎo)電層，以及導(dǎo)電層之間的一個介電層。第二導(dǎo)電層配備有一系列呈一個預(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波導(dǎo)管的介電層的一個饋點將其向外傳輸。經(jīng)由第二導(dǎo)電層中的所述孔，把一個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的一個主要波導(dǎo)模式。
根據(jù)本發(fā)明的一個第二方面，提供了一種獲得一個根據(jù)獨立的方法權(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)行的測量中，所希望的主模式為H01模式。
當(dāng)天線中的層呈圓形時，較佳的做法是令向介電層的微波信號的饋入發(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優(yōu)點是，設(shè)備較為簡單。另一個優(yōu)點是，不需要旨在實現(xiàn)一個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。用一個介電層代替針對微波信號的供給介質(zhì)，其中介電層從介電層的中心徑向地向外饋送信號，第二導(dǎo)電層中的實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)電平面對公差無過分的要求，所以可以把天線制造得更加結(jié)實?？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在存儲罐中的介質(zhì)的表面標(biāo)高的存儲罐中的雷達(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)天線實現(xiàn)一個預(yù)確定微波模式的一個槽型圖案的實例。
實施例描述以下，參照附圖描述一個實施例的實例。
圖1中描述了雷達(dá)水準(zhǔn)儀的原理。把一個存儲罐1用作一個介質(zhì)2的存儲器。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。把一個雷達(dá)3安裝在存儲罐1的頂部4上，從存儲罐1的頂部4經(jīng)由存儲罐內(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。通過在一個計算和控制單元中比較和估計使用傳輸?shù)暮头瓷涞男盘柼卣髦g的微波時的時間延遲，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。在這一圖中，說明了一個第一導(dǎo)電層11。于是，可以由一個金屬層，例如薄銅板，形成第一導(dǎo)電層11。緊靠第一導(dǎo)電層11實施介電層12，并與其相結(jié)合。介電層擁有一個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。在所示實例中，把所有層描述為圓形層，因為在這一實例中把天線用于傳輸和接收一個圓形波導(dǎo)管中的微波。也制作為一個由銅或其它導(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算天線參數(shù)的理論，例如用于計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)考慮到一個主要波導(dǎo)模式的生成，并為這一目的計算了圖案。
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導(dǎo)電連接實現(xiàn)第二層的接地。對于導(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。以在層中所制作的開口的形式為第一導(dǎo)電層11配備一個導(dǎo)通孔16。把傳輸線15的信號承載部分設(shè)計成可經(jīng)由導(dǎo)通孔16導(dǎo)入，并終止于居中地形成在介電層12的一個空穴中。這一空穴可以為一個凹槽，例如，這一凹槽按用作傳輸線的信號承載第三導(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導(dǎo)電層之間這一事實，將類似一個波動把微波信號徑向地從空穴17朝介電層12的外圍傳播，其中，介電層作為一個波導(dǎo)層。可以把一個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的一個環(huán)或鑲邊形成吸收層，并將其定位在兩個導(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中傳播的微波信號的形式的波動，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)備如天線一樣動作。通過使槽14的位置適合于所使用的微波信號，可以使所希望的微波模式得以生成。這發(fā)生于微波信號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。由于從相應(yīng)槽泄漏的波部分之間的積極的干擾，所以對它們加以聚集，以形成一個所希望的微波模式。其后的理論上的計算，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)，因為這一模式非常適合于用作存儲罐中的波導(dǎo)管的所述管子中的標(biāo)高測量。所述模式適用于觀察型測量，因為它給出了預(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。當(dāng)使用所描述的天線結(jié)構(gòu)時，微波信號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特定的圖案，在所示的實例中，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)建了一個與天線表面成對角線角度的微波波束。
權(quán)利要求
1.一種用于確定存儲罐(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-一個第一(11)和一個第二(13)導(dǎo)電層，-一個在導(dǎo)電層(11，13)之間的介電層(12)，-一系列在第二導(dǎo)電層(13)中按一個預(yù)確定模式制作的孔(14)，以及-一條傳輸線(15)，經(jīng)由一個連接安裝于介電層(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)制作有一個針對用于把微波信號供給于介電層(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附近的一個點開始，沿半徑展開。
8.根據(jù)權(quán)利要求1～7的任何一個的天線，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的任何一個的天線，其中，天線(10)經(jīng)由一個管子(7)，傳輸和接收由表面(6)所反射的一個微波信號，管子(7)用作針對分別由雷達(dá)(3)所傳輸和接收的微波的一個波導(dǎo)管。
10.根據(jù)權(quán)利要求1～7的任何一個的天線，其中，天線(10)經(jīng)由一個管子(7)，傳輸和接收由表面(6)所反射的一個微波信號，管子(7)用作針對分別由雷達(dá)(3)所傳輸和接收的微波的一個波導(dǎo)管，而且，其中，管子(7)擁有一個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)，把一個微波信號從雷達(dá)(3)傳輸?shù)浇殡妼?12)，-把一個第一(11)和一個第二(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，-在第二導(dǎo)電層(13)中，允許微波信號穿過形成一個預(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
一種用于確定存儲在存儲罐(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)擁有一個第一(11)和一個第二(13)導(dǎo)電層，以及一個導(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饋送點將其向外傳輸。經(jīng)由第二導(dǎo)電層(13)中的所述孔(14)，一個微波波束向外輻射。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的一個主要波導(dǎo)模式。
文檔編號H01Q1/22GK1605017SQ02825141
公開日2005年4月6日 申請日期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 申請人:塞伯海洋電氣公司