РАДИОЛОКАЦИОННОЕ ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ ЗАПОЛНЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КРУГОВОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ ВОЛН Российский патент 2008 года по МПК G01F23/284 

Область техники

Настоящее изобретение относится к устройству радиолокационного измерения уровня заполнения для бесконтактного измерения уровня заполнения заполняющего вещества в резервуаре и, в частности, к устройству радиолокационного измерения уровня заполнения, обеспечивающему генерацию и прием эллиптически-поляризованной волны или, в специальном случае, волны кривой поляризации с помощью направленного ответвителя, который в соответствии с конкретным вариантом осуществления может быть выполнен как 3дБ-ответвитель. Кроме того, настоящее изобретение относится к использованию направленного ответвителя для генерации эллиптически-поляризованной волны или, в специальном случае, волны круговой поляризации, а также к способу генерации и приема поляризованных волн эллиптической и круговой поляризации.

Для непрерывного определения уровней заполнения жидких или сыпучих материалов в сосудах могут использоваться различные сенсоры, работающие, например, в соответствии с принципом радиолокации. При этом измеряется время задержки, требуемое для прохождения микроволнами, передаваемыми сенсором, расстояния от сенсора до поверхности заполняющего вещества и обратно. Используемые микроволны могут иметь частоту приблизительно от 1 до 100 ГГц и обычно излучаются антенной в виде электромагнитных волн. Затем после отражения от поверхности на уровне заполнения они снова принимаются сенсором.

Известны также устройства, в которых волна направляется по волноводу от сенсора к поверхности заполняющего материала и принимается волна, отраженная от этой поверхности по тому же направлению. В этом способе и в способе, использующем радиолокационный принцип, отражение волн от поверхности заполняющего материала обусловлено изменением импеданса распространения волны в этой точке.

Для определения полезной задержки волны существуют различные радиолокационные принципы. Один из них - способ задержки импульса (импульсный радиолокационный способ), другой - радиолокационный способ с частотно-модулированным непрерывным излучением (FMCW). В радиолокационном способе FMCW задержка определяется косвенным образом путем передачи частотно-модулированного сигнала и получения разности между переданной и принятой мгновенной частотой.

Импульсный радиолокационнный способ использует излучение коротких микроволновых импульсов, или пачек импульсов, и временной интервал непосредственно определяется как интервал между передачей и приемом отдельных импульсов. Затем из этого временного интервала возможно получить значение расстояния между сенсором и поверхностью заполняющего материала, и поскольку конструктивное местоположение сенсора в резервуаре и размеры резервуара известны, то можно определить и уровень заполнения.

Уровень техники

Обычно радиолокационные измерители уровня используют излучение линейно-поляризованных микроволн. Линейная поляризация означает то, что вектор напряженности электрического поля волны всегда находится в одной и той же плоскости всюду вдоль направления распространения волны. При этом направление поляризации передаваемой волны определяется конструкцией передающей антенны. Если, например, линейно-поляризованная волна отражается заполняющим резервуар материалом, то направление поляризации линейно-поляризованной волны не обязательно изменяется. Вместе с тем, волна испытывает скачок фазы 180°, или λ/2, что приводит к реверсированию вектора напряженности поля волны при отражении.

В любом случае, если отражается линейно-поляризованная волна, то направление ее поляризации сохраняется, что обуславливает возможность приема отраженной волны приемной антенной, подобной передающей антенне. Таким образом, не требуется раздельных передающей и приемной антенн и может использоваться одна и та же антенна, способная одновременно и передавать, и принимать микроволны. Такие сенсоры известны также как моностатические радиолокационные системы, характеризующиеся, с одной стороны, возможностью значительно снизить стоимость, поскольку нет необходимости в двух разных антеннах - отдельно для передачи и отдельно для приема. С другой стороны, такие моностатические радиолокационные системы имеют относительно малые конструктивные размеры так, что излишне не расходуется пространство, обычно ограниченное имеющимися отверстиями в резервуаре для монтажа сенсора уровня заполнения.

При использовании одной антенны для передачи и приема необходимо разделить электрические сигналы - передаваемые сигналы, направляемые от микроволнового генератора к антенне, и принимаемые сигналы, направляемые от антенны к микроволновому приемнику. Это единственная возможность гарантировать то, что передаваемые сигналы от микроволнового генератора не попадут непосредственно в микроволновый приемник без передачи их антенной.

Обычно это разделение передачи приема выполняется сенсорами, излучающими линейно-поляризованные волны, с помощью, например, циркулятора или направленного ответвителя. Эти схемные компоненты соединяются с микроволновым генератором, с микроволновым приемником, с антенной, посредством отдельного ввода, обеспечивая, с одной стороны то, что генерируемые микроволновым генератором сигналы в основном посылаются в антенну и не попадают непосредственно в микроволновый приемник. С другой же стороны, отраженные сигналы, приходящие обратно из антенны, в основном направляются к микроволновому приемнику, а не к микроволновому генератору.

Радиолокационный измеритель уровня с объединенной приемопередающей антенной и с использованием линейной поляризации может быть выгоден еще и тем, что при исключении второй антенны достаточно одного антенного ввода, например, в виде коаксиального кабеля, при соответствующей антенной фидерной системе. Это обуславливает простую конструкцию антенного узла. Однако циркуляторы обычно относительно дороги. А еще большей проблемой, нежели стоимость этих систем, оказываются потери сигнала, вызванные поглощающими свойствами деталей направленного ответвителя, что приводит к снижению отношения сигнал/шум измерительной системы.

Другой вариант реализации приемопередающей антенны заключается в использовании эллиптически-поляризованной волны или, в специальном случае, волны круговой поляризации, вместо линейно-поляризованной волны. В случае эллиптически-поляризованной волны вектор напряженности электромагнитного поля поворачивается относительно направления распространения по спирали с эллиптическим поперечным сечением, т.е. вектор интенсивности поля образуется суперпозицией двух волновых компонент с различными амплитудами. В специальном случае волны круговой поляризации вектор напряженности электромагнитного поля также поворачивается по спирали относительно направления распространения. Однако спираль имеет круговое поперечное сечение и две складывающиеся волновые компоненты имеют равные амплитуды. В зависимости от направления закручивания спирали можно различать круговую поляризацию в направлении по часовой стрелке и против часовой стрелки.

Такая эллиптическая или круговая поляризация пригодна, в частности, для радиолокационного измерения уровня в высоких, относительно узких резервуарах, поскольку в таких случаях часть волны, излучаемой антенной, не достигает поверхности заполняющего материала, а вследствие неидеальности характеристики направленности антенны отклоняется в сторону стенками резервуара перед отражением от заполняющего материала, и затем отражается назад к антенне, а такое непрямое отражение обуславливает сигнал с несколько большей задержкой, чем сигнал прямого отражения от заполняющего материала. В силу ограниченного локального разрешения рассматриваемой здесь системы два эхо-сигнала с близкими задержками перекрываются, что для традиционных сенсоров означает наложение и интерференцию оцениваемого эхо-сигнала от заполняющего материала с эхо-сигналом от стенки резервуара и что понижает точность и достоверность измерений сенсора.

Этого недостатка можно избежать в радиолокационных измерителях уровня, использующих волны круговой поляризации, поскольку такие сенсоры различают различные отраженные компоненты и могут подавлять нежелательные компоненты, в том числе и образующиеся в результате отражения от стенок резервуара. Обусловлено это тем, что волна круговой поляризации изменяет направление вращения поляризации так, что дважды отраженная волна имеет противоположное направление вращения относительно однократно отраженной волны. А так как приемная антенна принимает волны только с одним направлением вращения плоскости поляризации, то мешающие отражения с противоположными направлениями вращения не попадают в микроволновый приемник и не оказывают таким образом, отрицательного влияния на измерения.

Кроме того, использование круговой поляризации может быть полезно для определения уровня заполнения сыпучего материала в резервуаре, когда поверхность заполняющего материала неровная и изломанная. Линейно-поляризованные волны отражаются от поверхностей таких сыпучих материалов под разными углами, в зависимости от положения плоскости поляризации относительно структуры поверхности, что в неблагоприятных условиях сыпучих материалов может даже привести к ситуации, когда корректно отраженная компонента сигнала настолько мала, что достоверность измерения уже не гарантируется. Если же в этом случае используется волна круговой поляризации, то суммарное отражение представляет собой усредненное множество различных компонент и средняя интенсивность отражения оказывается значительно сильнее, чем это может быть достигнуто с помощью простой линейно-поляризованной волны.

Недостаток известных радиолокационных измерителей уровня, использующих круговую поляризацию, заключается в том, что получение волны круговой поляризации в этих измерителях было относительно дорогостоящим. Например, из EP 0592584 и WO 93/01474 известно, что, помещая диэлектрический диск внутрь полого проводника, можно из линейно-поляризованной волны получить волну круговой поляризации. Однако эта дополнительная часть полого проводника, в которую помещался диэлектрический диск, требует значительного пространства. Кроме того, практическая реализация этого варианта, предложенного в указанном документе только в принципе, требует дополнительных конструктивных мер, таких как защита внутренней части полого проводника от загрязнения, крепление конструкции на резервуаре высокого давления или обеспечение химической стойкости всего узла, так что данное устройство является непрактичным в использовании.

Следует дополнительно отметить известность микроволнового сенсора для контроля уровня расплавленного металла в процессе непрерывного литья, описанного в EP 0060597 A2. Это устройство измерения уровня расплавленного металла содержит микроволновый генератор, соединенный с излучающей головкой, состоящей из волновода, ось которого перпендикулярна поверхности металла так, что обеспечивается прием отраженной волны. Предусмотрены средства для измерения, фиксированном в пространстве положении, величины поля, создаваемого стоячей волной, устанавливающейся в волноводе, и для подачи сигнала, который зависит от величины этого поля на средство регистрации. Соответствующая схемная конфигурация использует направленный ответвитель. Направленный ответвитель по существу представляет собой схему с четырьмя портами, так что вся поступающая в один порт мощность выходит после деления из двух портов (порты ответвления), тогда как в оставшийся порт мощность не попадает (изолированный порт). Примером направленного ответвителя является гибридный циркулятор.

В US 5546088 описан высокоточный радиолокационный дальномер, основанный на принципе FMCW и использующий цифровую обработку сигнала при ограниченном частотном сдвиге. Блок передачи/приема предложенного радиолокационного измерителя уровня имеет направленный ответвитель, который ответвляет часть передаваемого сигнала для приемника. Его передающее главное ответвляющее плечо соединяется непосредственно с направленным 6дБ-ответвителем, который разделяет передаваемый и принимаемый сигналы. Принятый сигнал поступает из антенны на смеситель через 3дБ-ответвитель, и на выходе смесителя формируется видеосигнал в базовой полосе (сигнал биений) благодаря так называемому гомодинному частотному преобразованию на промежуточной частоте (IF).

Наконец, US 2002/0154052 А1 относится к устройству измерения уровня на основе измерения времени распространения сигнала. Предложенный измеритель уровня содержит электронный блок, включающий в себя устройство передачи и приема электромагнитных волн с частотой ниже 3 ГГц, устройство сопряжения, связанное с электронным блоком, которое направляет передаваемый сигнал по измеряемой трассе и направляет отраженные сигналы в электронный блок, а также высокочастотный преобразователь, с которым связаны устройства передачи и приема, а также устройство сопряжения. В качестве высокочастотного преобразователя предложен дифференциальный преобразователь.

Сущность изобретения

Принимая во внимание проблемы, связанные с устройствами и способами, известными из предшествующего уровня техники, в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предлагается радиолокационный измеритель уровня, имеющий направленный ответвитель, соединенный последовательно с антенной. Используя указанный направленный ответвитель, оказывается возможным, с одной стороны, получать эллиптически-поляризованную волну и, в частном случае, волну круговой поляризации, при незначительном усложнении по сравнению с радиолокационным измерителем уровня с линейной поляризацией волн. С другой стороны, одновременно с использованием направленного ответвителя оказывается возможным достичь необходимого разделения в приемопередающей антенне. По сравнению с системами с линейной поляризацией это обеспечивает дополнительное преимущество, заключающееся, с одной стороны, в экономии на дорогостоящем циркуляторе, а с другой стороны, в возможности избежать или существенно снизить затухание сигнала, связанное с использованием направленного ответвителя.

Конструкция микроволнового блока радиолокационного измерителя уровня в соответствии с настоящим изобретением предусматривает передачу и прием эллиптически-поляризованной волны и, в частном случае, волны круговой поляризации, пригодной в некоторых случаях измерения уровня заполнения резервуаров. При использовании схемы направленного ответвителя согласно настоящему изобретению возможна простая конструкция антенного узла. Кроме того, может быть решена проблема разделения приема/передачи. Такой подход обеспечивает низкое затухание и низкую стоимость устройства.

В соответствии с настоящим изобретением генерация эллиптически-поляризованной волны обеспечивается с помощью хорошо известного направленного ответвителя, имеющего четыре вывода, причем микроволновый генератор соединен с первым выводом, микроволновый приемник - со вторым выводом, а антенный фидер - с третьим и четвертым выводами, выполненными, например, как возбуждающие штыри или как микрополосковый проводник или излучатель. Используемые волновые частоты могут принадлежать широкому частотному диапазону. Однако в технологии радиолокационных измерителей уровня заполнения предпочтительными оказываются частоты в интервале от 1 до 100 ГГц, что, вместе с тем, не означает неприменимость частот вне этого диапазона. В частности, подходящими частотами являются частоты между приблизительно 4 и 8 ГГц и приблизительно 18 и 28 ГГц.

В соответствии с настоящим изобретением, за счет связи антенного фидера с третьим, и четвертым выводами направленного ответвителя, т.е. соединения антенного фидера не только с одним выводом направленного ответвителя, как это осуществлялось в известных радиолокационных измерителях уровня, эллиптически-поляризованная волна и, в частном случае, волна круговой поляризации могут быть получены путем суперпозиции двух линейно-поляризованных волновых компонент, подаваемых в антенну с помощью антенного фидера. Направленный ответвитель сам делит компоненты сигнала, поданные микроволновым генератором на первый вывод, между третьим и четвертым выводами, откуда волновые компоненты направляются к первому и второму антенным фидерам, соответственно для питания антенны.

В соответствии с дальнейшим вариантом реализации, так называемый 3дБ-ответвитель может быть использован в качестве направленного ответвителя, обеспечивая то, что волна, генерируемая радиолокационным измерителем уровня заполнения по настоящему изобретению, имеет круговую поляризацию. Особенность 3дБ-ответвителя заключается в том, что подаваемые на него волновые сигналы делятся пополам для каждого из его третьего и четвертого выводов (3дБ=10·log(L₁/L₂), где L₁ - мощность волнового сигнала, поданного на направленный ответвитель, а L₂ - мощность одного из волновых сигналов на одном из выходов).

Естественно, что могут быть использованы и другие ответвители, делящие сигналы между двумя выводами в любой требуемой пропорции. Такое неравномерное деление подводимого волнового сигнала может затем приводить к эллиптически-поляризованной волне. Хотя использование волн круговой поляризации особенно выгодно в технологии измерения уровня заполнения, также возможно использование в некоторых случаях и эллиптически-поляризованных волн.

При использовании 3дБ-оветвителя волна круговой поляризации может быть сформирована из волновых сигналов, введенных в ответвитель в антенне радиолокационного измерителя уровня заполнения. Однако это предполагает, что плоскости двух линейно-поляризованных волн, из которых путем суперпозиции получена волна круговой поляризации, ориентированы под прямым углом друг к другу. Этого можно достигнуть, например, включением двух антенных фидеров, связанных с третьим и четвертым выводами направленного ответвителя в антенне, под углом приблизительно в 90°. Генерация волны круговой поляризации требует также того, чтобы две волновые компоненты, подаваемые в антенну по двум антенным фидерам, были сдвинуты по фазе на λ/4. Этого можно достигнуть, например, путем выполнения выводов направленного ответвителя со сдвигом по фазе на λ/4 относительно друг друга так, как это обычно бывает в так называемых гибридных кольцевых ответвителях (см., например, Фиг.4). В соответствии с другой реализацией, фазовый сдвиг λ/4 может быть получен, например, при использовании так называемого кольцевого ответвителя (см., например, Фиг.5), в котором два выхода не сдвинуты по фазе; однако фазовый сдвиг получается благодаря антенным фидерам с длинами, различающимися на λ/4.

Если в контексте настоящего изобретения упоминаются фазовый сдвиг на λ/4, например, или размеры в λ/4, то специалистам в данной области техники должно быть ясно, что и другие разности фаз или размеры также могут приводить к желаемым интерференционным эффектам - к взаимной компенсации или максимальному усилению. В случае гибридного кольцевого ответвителя это может означать, например, что третий и четвертый выводы не обязательно должны быть разнесены на λ/4, т.е. эти два вывода могут также быть разнесены и на 3/4λ, 5/4λ, т.е. на (n+1)·λ/4, где n=k·2; k∈N. То же самое относится к кольцевому ответвителю, в котором два антенных фидера не обязательно должны различаться по длине на λ/4. В данном случае разность их длин может составлять (n+1)·λ/4, где n=k·2; k∈N.

Выше было сказано, что для получения волны круговой поляризации целесообразно, в частности, установить в антенне два антенных фидера с радиальным смещением друг относительно друга на 90°. Однако в конкретном варианте реализации может быть предпочтительным включить антенные фидеры в антенну под отличающимся углом друг к другу, поскольку тем самым может оказаться возможным компенсировать не точно половинное деление волновых сигналов, подводимых к двум выводам, или фазовый сдвиг не точно на λ/4.

Из приведенных объяснений, касающихся получения эллиптически-поляризованной волны и, как оптимальный вариант, волны круговой поляризации, можно видеть, что настоящее изобретение основано на идее использования с этой целью направленного ответвителя. Для этого второй антенный фидер предложено ориентировать под заранее определенным углом, радиально смещенным относительно первого антенного фидера, при том, что оба фидера - и первый, и второй соединяются с третьим и четвертым выводами направленного ответвителя соответственно. Такая компоновка целесообразна потому, что два выходных волновых сигнала от третьего и четвертого выводов направленного ответвителя используются для получения пространственной суперпозиции волн, что совершенно отлично от получения линейно-поляризованной волны, когда с помощью направленного ответвителя выходной сигнал третьего или четвертого выходов бесполезно теряется в резисторе, и должно быть допустимым значительное ослабление.

Хотя кольцевой или гибридный кольцевой ответвители, относящиеся к группе гибридных ответвителей и предпочтительно конфигурируемые как 3дБ-ответвители и пригодны для получения эллиптически-поляризованной волны, возможно использование других направленных ответвителей для расщепления подводимого сигнала, по меньшей мере, на две компоненты. Здесь можно отметить, например, линейные ответвители связанных параллельных линий, ответвители Ланге, которые относятся к группе линейных ответвителей, а также шлейфовые ответвители, относящиеся опять-таки к группе гибридных ответвителей. Кроме того, также могут быть использованы ответвители с двумя отверстиями связи и двойные волноводные тройники, которые относятся к группе ответвителей на полых проводниках, а также и некоторые ответвители на коаксиальных линиях. Рассматривая настоящее изобретение, специалистам в данной области техники должно быть ясно, что может также быть использован и любой другой направленный ответвитель, пригодный для получения расщепленного волнового сигнала.

В других предпочтительных вариантах осуществления изобретения направленный ответвитель может быть сконструирован совместно с антенными вводами, антенными фидерами, а возможно и с другими схемными компонентами, такими как микроволновый генератор и микроволновый приемник, на одной печатной плате. Таким образом можно получить дешевый и компактный блок электронных и механических компонент. Такие варианты комбинирования ряда схемных компонентов совместно с антенным вводом и антенным фидером на одной печатной плате ранее уже описывались (например, в DE 10023497 или соответствующей публикации WO 01/88488), однако в отличие от настоящего изобретения рассматривались только варианты с линейной поляризацией волны.

В одном из вариантов реализации настоящего изобретения компоненты микроволнового сигнала могут быть направлены в антенну посредством двух элементов связи на полых проводниках в форме возбуждающих штырей в полом проводнике радиолокационного измерителя уровня заполнения. Для получения волны круговой поляризации возбуждающие штыри элементов связи на полых проводниках вставляются в полый проводник под прямыми углами.

Вместо полого проводника для питания антенны возможно применение фидера другого типа, что позволяет использовать для получения эллиптически-поляризованной волны планарную микрополосковую антенну. В противоположность уже описанным вариантам, в этом случае, по меньшей мере, один прямоугольный или квадратный излучатель запитывается компонентами микроволнового сигнала, ответвленными на третьем и четвертом выводах направленного ответвителя. Для получения волны круговой поляризации антенные фидеры расположены на микрополосковом излучателе с двух его сторон под прямыми углами, обеспечивая суперпозицию двух линейно-поляризованных волн, возбуждаемых с перпендикулярными плоскостями поляризации с фазовым сдвигом на λ/4, или 90° для формирования волны круговой поляризации. Конечно же, вместо одного микрополоскового излучателя возможно использование в качестве антенны двух или нескольких аналогичных микрополосковых излучателей, соединенных в решетку.

В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предлагается способ генерации и приема эллиптически-поляризованной волны, в котором на первом этапе процесса микроволновый сигнал генерируется микроволновым генератором. Предпочтительно микроволновый сигнал имеет частоту в диапазоне приблизительно от 1 до 100 ГГц, а в конкретном варианте реализации - в диапазоне от 4 до 8 ГГц или от 18 до 28 ГГц. Полученный таким образом микроволновый сигнал подается затем на первый вывод направленного ответвителя, который, в соответствии с конкретным вариантом реализации, может быть выполнен как 3дБ-ответвитель. В качестве конкретной реализации 3дБ-ответвителя можно отметить кольцевой ответвитель и гибридный кольцевой ответвитель, которые относятся к группе гибридных ответвителей. Специалистам в данной области техники должно быть ясно, что могут быть использованы любые направленные ответвители, пригодные для получения двух или нескольких выходных сигналов из одного подаваемого волнового сигнала, включая, например, линейные ответвители на связанных параллельных линиях, ответвители Ланге, которые относятся к группе линейных ответвителей, а также шлейфовые ответвители, относящиеся также к группе гибридных ответвителей. Также могут быть использованы ответвители с двумя отверстиями связи и двойные волноводные тройники, которые относятся к группе ответвителей на полых проводниках, а также и некоторые ответвители на коаксиальных линиях.

На последующей стадии процесса микроволновый сигнал, подаваемый на первый вывод направленного ответвителя, ответвляется на третий и четвертый выводы направленного ответвителя в форме двух компонент микроволнового сигнала, формируемых направленным ответвителем. Затем ответвленные компоненты микроволнового сигнала направляются на первый и второй антенные фидеры, которые формируют в антенне радиолокационного измерителя уровня заполнения две линейно-поляризованные волны, плоскости поляризации которых взаимно перпендикулярны. Наконец, вслед за этим компоненты микроволнового сигнала подаются в антенну через первый и второй антенные фидеры со взаимным сдвигом по фазе, и в результате их суперпозиции формируется эллиптически-поляризованная волна, а если при этом две волны имеют одинаковую напряженность, а фазовый сдвиг составляет λ/4, то в результате суперпозиции образуется волна круговой поляризации.

В соответствии с дополнительным аспектом способа, соответствующего изобретению, фазовый сдвиг между двумя компонентами микроволнового сигнала создается с помощью направленного ответвителя посредством ответвления компонентов микроволнового сигнала на третьем и четвертом выводах направленного ответвителя при их взаимном фазовом сдвиге λ/4.

В соответствии еще с одним аспектом способа, соответствующего изобретению, фазовый сдвиг между двумя компонентами подаваемого микроволнового сигнала формируется посредством ответвления двух компонентов микроволнового сигнала в фазе на третьем и четвертом выводах направленного ответвителя и направления их в первый и второй антенные фидеры с использованием двух линий различной длины. При этом в случае разности длин в λ/4 формируется волна круговой поляризации.

В соответствии с дополнительным вариантом реализации способа по настоящему изобретению для получения эллиптически-поляризованной волны два компонента микроволнового сигнала подаются в антенну под прямым углом друг относительно друга с помощью двух антенных фидеров. Компоненты микроволнового сигнала могут быть поданы в антенну и под любым другим углом друг относительно друга, например, для компенсации неоптимального фазового сдвига между двумя компонентами с различными амплитудами.

На последующей стадии процесса полученная таким образом и переданная эллиптически-поляризованная волна может быть принята с помощью двух антенных фидеров, вставленных в антенну, например, после отражения от заполняющего материала, в виде компонент микроволнового сигнала, которые после суперпозиции представляют собой эллиптически-поляризованную волну. Принятый таким образом волновой сигнал, в виде компонент микроволнового сигнала, подается затем в направленный ответвитель на третий и четвертый выводы и направляется на микроволновый приемный блок через второй вывод направленного ответвителя. Соответствующим выбором длины соединения с направленным ответвителем и/или проводящих участков направленного ответвителя может быть достигнута компенсация компонент микроволнового сигнала на первом выводе и максимальное усиление на втором выводе, с которым связан приемный блок.

Краткое описание чертежей

Для обеспечения более полного понимания ниже описан ряд примерных вариантов реализации настоящего изобретения и описаны соответствующие чертежи, на которых:

Фиг.1а изображает схематичное представление известной микроволновой схемы радиолокационного измерителя уровня заполнения с линейной поляризацией;

Фиг.1b - поперечное сечение полого проводника, показанного на Фиг.1а;

Фиг.2а - схематичное представление другой известной микроволновой схемы радиолокационного измерителя уровня заполнения с круговой поляризацией;

Фиг.2b - поперечное сечение полого проводника, показанного на Фиг.2а;

Фиг.3а - схематичное представление микроволновой схемы радиолокационного измерителя уровня заполнения с круговой поляризацией в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.3b - поперечное сечение полого проводника, показанного на Фиг.3а;

Фиг.4 - схематичное представление другого варианта реализации микроволновой схемы радиолокационного измерителя уровня заполнения с гибридным кольцевым ответвителем в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.5 - схематичное представление другого варианта реализации микроволновой схемы радиолокационного измерителя уровня заполнения с 180°-ным кольцевым или "rat-race" кольцевым ответвителем в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.6 - схематичное представление другого варианта реализации микроволновой схемы радиолокационного измерителя уровня заполнения с микрополосковой антенной в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.7 - схема последовательности операций в способе генерации эллиптически-поляризованной волны в соответствии с настоящим изобретением; и

Фиг.8 - схема последовательности операций в способе приема эллиптически-поляризованной волны в соответствии с настоящим изобретением.

Описание примерных вариантов реализации изобретения

Приведенная на Фиг.1а микроволновая схема известного радиолокационного измерителя уровня заполнения содержит микроволновый генератор 1, включающий в себя блоки для генерации микроволновых колебаний, а также приемный блок 2 для приема и последующей обработки волновых сигналов, излучаемых рупорной антенной 8 и отраженных поверхностью заполняющего материала. С этой целью приемный блок 2 включает в себя, например, схемы для усиления сигнала, преобразования частоты, фильтрации, демодуляции или сжатия сигнала. Дополнительные блоки схемы функционально законченного радиолокационного измерителя уровня заполнения, такие как микропроцессор для управления микроволновым генератором и для оценки принятого сигнала, блок для измерения выходного значения и индикации или блок источника питания, менее существенны для настоящего изобретения и поэтому не показаны и детально не описаны.

Микроволновый генератор 1 и приемный блок 2 соединены с выводом блока 3 разделения приема/передачи. Относительно конкретного конструктивного выполнения можно сослаться на заявку DE 10102571 или на соответствующую заявку US 2002095987 А1. Третий вывод блока 3 разделения приема/передачи соединен с антенным узлом 4. Антенный узел в настоящем варианте реализации состоит из закрытого с одной стороны полого проводника 5, элемента 6 связи на полом проводнике, вставки 7 в полый проводник, антенного рупора 8 и фланца 9 для закрепления измерителя уровня заполнения в отверстии резервуара. Для достижения согласования импедансов вставка 7 в полый проводник, которая может быть выполнена из диэлектрического материала, может иметь конический профиль на концах, вдоль направления излучения.

На Фиг.1b элемент 6 связи на полом проводнике показан на увеличенном поперечном сечении полого проводника. Возбуждающий штырь 10 с утолщенным концом вводится в боковую стенку и выступает в полом проводнике 5, показанном здесь как круглый полый проводник. Возбуждающий штырь 10 запитывается через ввод 11, обеспечивающий подачу микроволновых сигналов от блока приема/передачи 3. Соединительная линия 11 может также представлять собой и коаксиальную линию. Во время передачи электромагнитная волна генерируется возбуждающим штырем 10 в полом проводнике 5, распространяется к антенному рупору 8 и излучается им направленным образом.

С другой стороны, во время приема отраженная волна принимается антенным рупором 8 и направляется на возбуждающий штырь 10. Последний преобразует волну в передаваемый по линии волновой сигнал так, что он может быть подведен от линии 11 обратно к электронным блокам. На Фиг.1b вектор напряженности электрического поля показан в виде стрелки 12 как мгновенное изображение. Он распространяется в плоскости вдоль направления распространения, поэтому он определяет линейную поляризацию. Техническая реализация элемента связи 6 на полом проводнике в общем хорошо известна, и поэтому можно только сослаться на полезную модель Германии DE 9312251 U1.

Блок 3 разделения приема/передачи в основном направляет генерируемый микроволновым генератором 1 волновой сигнал в антенный узел 4, а не в приемный блок 2. Аналогично принятые сигналы, поступающие назад от линии 11, в основном попадают в приемный блок 2, а не на микроволновый генератор 1. Идеальным устройством, способным решить эту задачу блока 3 разделения приема/передачи, был бы в общем хорошо известный циркулятор. Если значительное затухание сигналов допустимо, то вместо циркулятора может также быть использован и направленный ответвитель, который значительно дешевле циркулятора. Однако такие направленные ответвители имеют тот недостаток, что при генерации линейно поляризованной волны они преобразуют часть генерируемой мощности в резисторе 13 в тепло без какого-либо дальнейшего использования.

Фиг.2, аналогично Фиг.1, изображает схему еще одной известной микроволновой схемы радиолокационного измерителя уровня заполнения, которая может генерировать волну круговой поляризации. По сравнению с вариантом реализации на Фиг.1 антенный узел 4′ значительно расширен, а блок разделения приема/передачи отсутствует. В соответствии с этим вариантом реализации микроволновый генератор 1 непосредственно соединен с элементом 6 связи через линию 14, а элемент 6 связи по существу такой же, как и на Фиг.1. По этой причине также генерируется вектор 12 линейно-поляризованного поля, распространяющийся в направлении излучения. Представляемая полевым вектором 12 волна сначала падает на диэлектрический диск 15, введенный в полый проводник под углом 45° (см. Фиг.2b).

В соответствии с правилом сложения векторов линейная напряженность поля 12 может быть комбинацией двух взаимно перпендикулярных компонент, одна из которых направлена точно в направлении диска 15, тогда как другая по отношению к нему располагается вертикально. Направленная вдоль диска компонента при распространении в пределах диска задерживается относительно других компонент в силу понижения скорости распространения в диэлектрической среде. Если эта задержка составляет 90°, или четверть длины волны, то в результате сложения двух компонент на выходе диска 15 образуется волна круговой поляризации.

Для улучшения согласования импедансов диск с обеих сторон имеет треугольные вырезы. Вставка 7′ в полый проводник также имеет конусообразные концы с обеих сторон. Диэлектрическая вставка 7′ действует для защиты диска 15 и элемента 6 связи от контакта с атмосферой резервуара.

После отражения переданная волна круговой поляризации имеет обращенное направление вращения в направлении распространения, как это отмечено выше. После повторного прохождения через диэлектрический диск 15, вновь вызывающий различающиеся задержки линейно-поляризованных компонент волны, формируется вектор 16 напряженности линейно-поляризованного поля. Последний затем может быть принят вторым элементом 17 связи на полом проводнике, выполненным аналогично первому элементу 6 связи, но помещенным в полый проводник 5 с угловым сдвигом в 90°, и направлен к приемному блоку 2 по линии 18 как принятый сигнал.

Достоинство этого варианта реализации для генерации волны круговой поляризации заключается в том, что разделение передаваемого и принимаемого сигналов достигается не с помощью дополнительной схемы, а посредством самой конструкции антенного узла. Однако недостатком этого варианта реализации, помимо необходимости во втором антенном вводе и соответствующем втором элементе связи, является то, что механическая конструкция полого проводника и включенные в него элементы являются дорогостоящими и громоздкими. Кроме того, несмотря на меры по согласованию импедансов, имеется множество поверхностей столкновения в пределах полого проводника, что вызывает мешающие отражения и поэтому снижает качество измерения.

Этих недостатков удается избежать, если в соответствии с настоящим изобретением использовать микроволновую схему радиолокационного измерителя уровня заполнения с круговой поляризацией, показанную на Фиг.3, в которой разделение приема/передачи и генерация волны круговой поляризации обеспечиваются использованием 3дБ-ответвителя 19. Этот направленный ответвитель имеет четыре вывода - 20, 21, 22 и 23 и производит разделение сигнала, поданного на первый вывод 20, на две половины между третьим и четвертым выводами 22, 23. Второй вывод 21 не принимает компоненты сигнала, поскольку он развязан с входным выводом 20. В 3дБ-ответвителе два вывода, 22 и 23, между которыми разделяется сигнал, получают равные части мощности; однако имеется фазовый сдвиг между этими двумя выводами, который в зависимости от конфигурации ответвителя может быть 0°, 90° или 180°.

Хотя в контексте настоящего изобретения подробно рассматриваются только те варианты реализации, которые используют деление волнового сигнала от микроволнового генератора с помощью ответвителя, выполненного как 90°-ный или λ/4-ответвитель, выполненный как гибридный кольцевой ответвитель, или как 180°-ный или λ/2-ответвитель, выполненный как кольцевой (rat-race) ответвитель, любая подходящая электронная схема также может быть использована вместо указанных здесь ответвителей для деления волнового сигнала - например, указанные выше полосковый линейный ответвитель, линейные ответвители на связанных параллельных линиях, ответвители Ланге или шлейфовые ответвители, некоторые ответвители на коаксиальных линиях или на полых проводниках, такие как ответвители с двумя отверстиями связи и двойные волноводные тройники.

В отмеченном выше варианте реализации микроволновый сигнал, подаваемый от микроволнового генератора 1 к первому выводу 20, поровну делится между третьим и четвертым выводами 22, 23, при этом фаза сигнала на четвертом выводе 23 отстает на 90° или на λ/4 от фазы сигнала на третьем выводе 22. Обе компоненты сигнала направляются на первый и второй элементы 6, 26 связи через вводы 24, 25, которые подобно показанной на Фиг.1 или Фиг.2 антенной системе, включены в полый проводник 5, например, под прямым углом друг относительно друга. Элементы 6 и 26 связи, которые в соответствии с настоящей реализацией выполнены как возбуждающие штыри, генерируют две линейно-поляризованные волны, представленные векторами 12 и 27 полей, суперпозиция которых осуществляется в полом проводнике 5.

Если задержки двух компонент сигнала между третьим и четвертым выводами 22 и 23 равны вплоть до точки суперпозиции, то 90°-ный фазовый сдвиг приводит к образованию волны круговой поляризации. Для обеспечения равных задержек возможный сдвиг между двумя элементами 6 и 26 связи в продольном направлении полого проводника должен быть скомпенсирован различием длин вводов 24 и 25.

Во время приема линейные компоненты сигнала волны круговой поляризации, представленные векторами 12 и 27 напряженности поля, принимаются двумя элементами 6 и 26 связи и преобразуются в принимаемые сигналы. Направление вращения поляризации, обращенное в результате отражения, приводит к тому, что компоненты сигнала, подаваемые на 3дБ-ответвитель 19 через вводы 24 и 25, имеют взаимные фазовые сдвиги на 90°, или λ/4. В настоящем варианте реализации и во время приема и во время передачи сигнал на четвертом выводе 23 отстает относительно сигнала на третьем выводе 22 на 90°. Обе компоненты сигнала проходят через 3дБ-ответвитель во время приема и усиливаются в фазе на втором выводе 21, тогда как на первом выводе 20 они сдвинуты по фазе на 90° и поэтому взаимно компенсируются.

Это означает, что поставленная задача решена - передаваемый сигнал от микроволнового генератора 1 поступает только на антенный узел 4″ и не поступает на приемный блок 2, тогда как принимаемые сигналы от антенного узла 4″ направляются только на приемный блок 2, а не на микроволновый генератор 1. Такое разделение приема/передачи в сочетании с генерацией волн круговой поляризации обуславливает значительно меньшее ослабление, по сравнению с представленным на Фиг.1 вариантом, и может быть конструктивно реализовано достаточно просто и, в частности, с низкими затратами, что более подробно показано в варианте реализации на Фиг.4.

В этом варианте реализации (Фиг.4) вся микроволновая схема 1, 2, 19 вместе с антенными вводами 24 и 25 и элементами 28 и 29 связи выполнена на одной печатной плате. 3дБ-ответвитель 19, выполненный как гибридный кольцевой ответвитель, и различные антенные вводы 24 и 25 выполнены с использованием микрополосковой технологии, что исключает расходы на дополнительные компоненты схемы. В настоящем варианте реализации 3дБ-ответвитель 19 выполнен как гибридный кольцевой ответвитель с четырьмя вводами, конфигурированными в виде квадрата, причем каждый имеет длину в четверть длины волны λ. Волновые сигналы, подаваемые, например, на первый вывод 20 делятся между двумя соседними участками ввода. Одна компонента сигнала достигает третьего вывода 22 проходя длину в λ/4, тогда как обе компоненты сигнала достигают четвертого вывода 23 проходя длину в λ/2. Из-за этих различающихся длин прохождения между первым и третьим или четвертым выводами две компоненты сигнала имеют различие в задержке на λ/4, или на 90° на третьем и четвертом выводах 22 и 23 соответственно.

Элементы 28 и 29 связи на полом проводнике также выполнены травлением на печатной плате как медные поверхности и внедрены в металлическое полое тело 5. Поскольку два элемента 28 и 29 связи находятся в той же плоскости, что и полый проводник 5, то для обеспечения точного фазового соотношения вводы 24 и 25 должны иметь равные длины.

Следующий вариант реализации настоящего изобретения, показанный на Фиг.5, подобен в основных своих чертах конструкции, показанной на Фиг.4. В данном варианте реализации микроволновая схема 1, 2, 19 вместе с антенными вводами 24 и 25 и элементами 28 и 29 связи также могут быть скомпонованы на одной печатной плате, а отдельные компоненты схемы могут быть помещены на другие печатные платы. В отличие от варианта по Фиг.4, в данном случае 3дБ-ответвитель реализован как 180°-ный ответвитель или кольцевой ответвитель. В такой конфигурации ответвителя проводящий участок между вторым выводом, соединенный с приемным блоком 2, и третьим выводом имеет длину в 3/4λ. Все другие проводящие участки имеют длину λ/4. Сигнал, генерируемый микроволновым генератором 1 и подаваемый на первый вывод 30, в точности делится между третьим и четвертым выводами 32, 33, причем компоненты сигнала не имеют фазового рассогласования.

Для получения фазового сдвига, необходимого для ответвления в полый проводник, антенные вводы 24 и 25 в данном варианте реализации имеют различающиеся длины, так что за счет суперпозиции в полом проводнике может быть сформирована волна круговой поляризации. Например, антенный ввод 25 может быть длиннее антенного ввода 24 на λ/4. Во время приема отраженные волны с обращенным направлением вращения принимаются элементами 28 и 29 связи, причем компонента волнового сигнала, принимаемая элементом 29 связи, запаздывает относительно компоненты сигнала, принимаемой элементом 28 связи на 90°. Из-за различающихся длин вводов поступающая на четвертый вывод 33 компонента сигнала, после прохождения антенного ввода 25, отстает на 180° от компоненты сигнала на выводе 32, и поэтому компоненты сигнала взаимно усиливаются желательным образом на втором выводе 31 и взаимно компенсируются на первом выводе.

Следующий вариант реализации настоящего изобретения, показанный на Фиг.6, отличается от Фиг.4 конфигурацией антенны. Вместо рупорной антенны, запитываемой через полый проводник, в данном случае используется планарный микрополосковый излучатель - квадратная проводящая площадка 34, питаемая двумя вводами 24 и 25. Антенными фидерами в этом случае являются две точки присоединения к излучателю вводов 24 и 25. Ввиду этих двух точек питания микрополоскового излучателя на двух сторонах, расположенных под прямым углом друг к другу, возбуждаются две линейно-поляризованные волны со взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации, суперпозиция которых при фазовом сдвиге на λ/4, или 90° приводит к получению волны круговой поляризации. Хотя на Фиг.6 показан только один микрополосковый излучатель, могут использоваться два или более подобных микрополосковых излучателей, соединенных в виде решетки и используемых для генерации волн круговой поляризации.

Возможно также скомбинировать 3дБ-ответвители, показанные на Фиг.4, 5 и 6, с антенным узлом 4″, показанным на Фиг.3 и изготовленным по микрополосковой технологии. В этом случае вводы 24 и 25 могут быть коаксиальными. Кроме того, отдельные компоненты микрополосковых схем, показанных на Фиг.4 и 5, могут быть скомпонованы не на одной печатной плате. Более того, специалистам в данной области техники известны и другие 3дБ-ответвители, отличающиеся от описанных здесь кольцевых и гибридных кольцевых ответвителей. В принципе подходят все 3дБ-ответвители с четырьмя выводами. Примерами этих хорошо известных ответвителей являются линейные ответвители на связанных параллельных линиях, такие как ответвители Ланге, гибридные ответвители, такие как кольцевые (rat-race) ответвители, гибридные кольцевые ответвители, шлейфовые ответвители, ответвители на полых проводниках, такие как ответвители с двумя отверстиями связи или двойные волноводные тройники.

На Фиг.7 показана блок-схема этапов способа генерации эллиптически-поляризованной волны согласно настоящему изобретению. На первом этапе I, например, микроволновые сигналы с длиной волны λ генерируются с помощью микроволнового генератора 1, имеющего частоту приблизительно от 1 до 100 ГГц. Предпочтительные частотные диапазоны могут быть, например, от 4 до 8 ГГц и от 18 до 28 ГГц, хотя микроволновые сигналы других частот также могут быть использованы. На следующем этапе II микроволновый сигнал подается на первый вывод 20 направленного ответвителя 19 с четырьмя выводами - 20, 21, 22, 23. В случае 3дБ-ответвителя поданный таким образом микроволновый сигнал разделяется между третьим и четвертым выводами 22, 23 на первую и вторую компоненту. Затем первая и вторая компоненты микроволнового сигнала ответвляются на третьем и четвертом этапах III, IV на третий и четвертый выводы направленного ответвителя соответственно, откуда две компоненты микроволнового сигнала могут быть направлены в первый и второй антенные фидеры 28, 29. Далее на пятом этапе V первая и вторая компоненты сигнала подаются со сдвигом по фазе в антенну 4, где их суперпозиция формирует эллиптически-поляризованную волну, причем первая компонента микроволнового сигнала подводится через первый антенный фидер 28, а вторая компонента микроволнового сигнала подводится через второй антенный фидер 29 антенны 4. В соответствии с отдельным вариантом реализации компоненты микроволнового сигнала могут иметь фазовый сдвиг в λ/4, формируя в результате суперпозиции волну круговой поляризации.

Наконец, блок-схема на Фиг.8 иллюстрирует отдельные этапы приема эллиптически-поляризованной волны, после передачи и отражения, одной антенной с использованием способа согласно настоящему изобретению. На первом этапе i первая и вторая компоненты микроволнового сигнала принимаются посредством двух антенных фидеров 28 и 29, введенных в полый проводник 5. Затем на втором этапе ii две принятые компоненты микроволнового сигнала подаются на направленный ответвитель на третий и четвертый выводы 22 и 23. Наконец, приемный блок 2, расположенный на втором выводе 21 направленного ответвителя 19, получает компоненты микроволнового сигнала, взаимно интерферирующие так, что приемный блок 2 может далее обрабатывать принятые таким образом сигналы.

Настоящее изобретение относится к радиолокационным устройствам измерения уровня заполнения, обеспечивающим генерацию и прием эллиптически-поляризованной волны и, в конкретном случае, волны круговой поляризации с использованием направленного ответвителя, который, в соответствии с одним из вариантов реализации, может быть сконфигурирован как 3дБ-ответвитель. Использование 3дБ-ответвителя обеспечивает обязательное разделение функций передачи и приема. Кроме того, настоящее изобретение относится к использованию направленного ответвителя для генерации эллиптически-поляризованной волны и, в конкретном случае, волны круговой поляризации, а также к способам генерации и приема эллиптически-поляризованной волны. 3 н. и 34 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Радиолокационный измеритель уровня заполнения, для передачи и приема эллиптически поляризованных волн с длиной волны λ, содержащий направленный ответвитель, имеющий первый, второй, третий и четвертый выводы, микроволновый генератор, приемный блок, первый и второй антенные вводы, причем

первый вывод связан с микроволновым генератором,

второй вывод связан с приемным блоком,

третий вывод связан с первым антенным вводом, и

четвертый вывод связан со вторым антенным вводом,

при этом первый и второй антенные вводы предназначены для питания антенны,

при этом микроволновый генератор, приемный блок, направленный ответвитель, первый и второй антенные вводы размещены на одной печатной плате.

генерации микроволнового сигнала с длиной волны λ,

подачи микроволнового сигнала в направленный ответвитель по первому выводу,

ответвления первой составляющей микроволнового сигнала по третьему выводу направленного ответвителя,

ответвления второй составляющей микроволнового сигнала по четвертому выводу направленного ответвителя,

подачи первой составляющей микроволнового сигнала в антенну через первый антенный ввод радиолокационного измерителя уровня заполнения, а также подачи второй, смещенной по фазе, составляющей микроволнового сигнала в антенну через второй антенный фидер для получения эллиптически поляризованной волны,

излучения эллиптически поляризованной волны,

приема первой и второй составляющих отраженного микроволнового сигнала через два антенных ввода, соединенных с первым и вторым антенными фидерами, вставленными в антенну, причем из этих составляющих микроволнового сигнала формируется эллиптически поляризованная волна,

подачи первой составляющей микроволнового сигнала на третий вывод направленного ответвителя и подачи второй составляющей микроволнового сигнала на четвертый вывод направленного ответвителя, и

приема волновых сигналов, образованных первой и второй составляющими микроволнового сигнала, с помощью приемного блока, расположенного на втором выводе направленного ответвителя,

при этом микроволновый генератор, приемный блок, направленный ответвитель, первый и второй антенные вводы размещены на одной печатной плате.