Радарный модуль с двойным ребром
Использование: изобретение относится к технике радарных измерений для контроля оборудования и автоматизации процессов. Сущность: радарный модуль выполнен с возможностью контроля оборудования, содержащий микроволновый чип с источником радарного сигнала и устройство ввода, который соединен с источником радарного сигнала и который вводит радарный сигнал, сгенерированный источником радарного сигнала, в волновод или антенну. Технический результат: уменьшение размеров механических элементов волноводного ввода или антенного ввода для интегрирования в микроволновый чип. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.
Ссылка на родственные заявки
Настоящая заявка испрашивает приоритет немецкой патентной заявки № 10 2019 204 671.1, поданной 2 апреля 2019, которая в полном объеме включена в настоящий документ посредством ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к технике радарных измерений для контроля оборудования и автоматизации процессов. В частности, изобретение относится к радарному модулю для контроля оборудования, радарному измерительному прибору с подобным радарным модулем и применению радарного модуля для измерения уровня заполнения, измерения предельного уровня, автоматизации логистики или автоматизации производства.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Радарные измерительные приборы используются для автоматизации процессов, в частности, для контроля оборудования, например, в области измерения уровня заполнения, измерения предельного уровня или распознавания объектов.
Излучаемые радарные сигналы генерируются радарным модулем с источником радарного сигнала и вводятся в волновод или антенну, от которой радарные сигналы затем излучаются в направлении контролируемого объекта или загружаемого материала.
Для этого обычные выполнения волноводного ввода предусматривают металлический штырь, ребро, патч-антенну или подобную структуру. Чаще всего, микроволновый сигнал посредством монтажного соединения подключается к частям схемы (например, микрополосковым структурам) на несущей плате.
Подобные радарные измерительные приборы могут выполняться, в частности, для частот W-диапазона или K-диапазона.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей изобретения является предложить альтернативный радарный модуль, который пригоден для контроля оборудования.
Эта задача решается посредством предмета независимых пунктов формулы изобретения. Дальнейшие развития изобретения следуют из зависимых пунктов формулы изобретения и нижеследующего описания форм выполнения.
Первый аспект изобретения относится к радарному модулю, выполненному с возможностью контроля оборудования, который содержит микроволновый чип. Микроволновый чип содержит источник радарного сигнала, который выполнен с возможностью генерации радарного сигнала с частотой более 75 ГГц. Он также содержит устройство ввода, которое далее также может упоминаться как элемент связи, который соединен с источником радарного сигнала.
В случае контроля оборудования речь может идти, например, об измерении уровня заполнения или измерении предельного уровня. Радарный модуль может быть выполнен с возможностью контроля опасной зоны машины, обнаружения объектов или даже распознавания, например, в рамках контроля опасного пространства, или обнаружения и подсчета объектов на ленточных транспортерах или определения массового расхода сыпучего материала на ленточном транспортере.
Под термином “техника автоматизации” может пониматься подотрасль техники, которая включает в себя мероприятия по эксплуатации машин и установок без участия людей. Цель связанного с этим контроля оборудования и автоматизации процессов состоит в том, чтобы автоматизировать взаимодействие отдельных компонентов производственного оборудования в отраслях химической, пищевой, фармацевтической, нефтяной, бумажной, цементной промышленности, судоходстве или горнодобывающей промышленности. Для этого может использоваться множество датчиков, которые согласованы, в частности, с конкретными требованиями технологической отрасли, такими как, например, механическая стабильность, нечувствительность к загрязнению, экстремальные температуры и экстремальные давления. Измеренные значения этих датчиков обычно передаются в диспетчерскую, в которой контролируются параметры процесса, такие как уровень заполнения, предельный уровень, расход, давление или плотность, и настройки для всей производственной установки могу изменяться вручную или автоматически.
Одна подотрасль техники автоматизации относится к автоматизации логистики. С помощью датчиков расстояния или угла, в отрасли автоматизации логистики автоматизируются процессы внутри здания или в пределах отдельного логистического оборудования. Типовыми применениями являются, например, применения в системах для автоматизации логистики в области упаковки и отправки груза в портах, в области контроля дорожного движения (системы платного проезда), в торговле, системах доставки посылок или также в области безопасности в зданиях (контроль доступа). Общим для всех перечисленных примеров является то, что требуется распознавание присутствия в комбинации с точным измерением габаритов и положения объекта с соответствующей стороны применения. Для этого могут применяться датчики на основе оптических способов измерения посредством лазера, LED, 2D-камер или 3D-камер, которые измеряют расстояния по принципу времени распространения (времени пролета, ToF).
Еще одна подотрасль техники автоматизации относится к заводской/производственной автоматизации. Случаями применения этого являются применения в самых различных отраслях, таких как автомобилестроение, пищевая промышленность, фармацевтическая промышленность или, в общем, в отрасли упаковки. Целью заводской автоматизации является автоматизировать изготовление товаров машинами, технологическими линиями и/или роботами, т.е. обеспечивать выполнение процесса без участия людей. Применяемые при этом датчики и специфические требования по точности измерений при определении положения и габаритов объекта сопоставимы с таковыми в предыдущем примере автоматизации логистики.
За счет применения при высоких частотах сокращаются размеры антенны, а также устройства ввода и волноводного или антенного ввода в целом, компонентом которого является устройство ввода. Тем самым все компоненты ввода радарного сигнала могут быть интегрированы непосредственно в микроволновом чипе.
Ввод радарных сигналов, которые генерируются источником радарного сигнала микроволнового чипа, осуществляется непосредственно из микроволнового чипа в волновод или непосредственно в антенну. Источник радарного сигнала выполнен с возможностью, в частности, генерации радарного сигнала на частоте выше 75 ГГц или выше 150 ГГц, альтернативно выше 200 ГГц и, в частности, 240 ГГц или выше этого.
Согласно одной форме выполнения, устройство ввода содержит два ребра, которые расположены противоположно друг другу и, например, имеют зеркальную симметрию относительно друг друга. Оба ребра преобразуют передаваемые сигналы, сгенерированные источником радарного сигнала, в электромагнитные волны, которые затем распространяются в волноводе или антенном рупоре. Соединение между источником радарного сигнала и ребрами осуществляется также в микроволновом чипе, так что создающие помехи переходы от источника радарного сигнала (HF-генератора) к проводнику и от проводника к соответствующему ребру в значительной степени устраняются, благодаря чему снижаются создающие помехи отражения.
Согласно одной форме выполнения, оба ребра выполнены с возможностью излучения симметричного радарного сигнала.
Для улучшения свойств ввода, в зоне ввода могут быть предусмотрены одна или несколько ступенек.
Согласно другой форме выполнения, радарный модуль содержит рамку, которая охватывает два ребра, так что рамка защищает два ребра снаружи от механических воздействий. Рамка служит для подключения к волноводу или непосредственно к антенне. Внутри рамки и вокруг нее может быть предусмотрен диэлектрик, который является составной частью микроволнового чипа. При этом речь идет, например, о самом верхнем слое чипа.
Согласно другой форме выполнения, два ребра окружены полостью, которая также может называться резонатором, который по меньшей мере частично заполнен диэлектриком.
Согласно другой форме выполнения, полость заполнена атмосферным газом.
Согласно другой форме выполнения, устройство ввода представляет собой штырь ввода или патч-антенну.
Согласно другой форме выполнения, устройство ввода и источник радарного сигнала соединены друг с другом посредством общей подложки. Подложка является слоем микроволнового чипа. Сигнальное соединение между источником радарного сигнала и устройством ввода может быть с минимально возможным затуханием, так что на чувствительность радарного модуля оказывается минимально возможное влияние. Так как для подключения устройства ввода к источнику радарного сигнала не предусматриваются никакие проволочные выводы, отклонения в длине и размещении проволочных выводов не оказывают негативного влияния на рабочие характеристики радарного модуля.
Согласно другой форме выполнения, радарный модуль содержит волновод и/или антенну. Устройство ввода выполнен с возможностью ввода радарного сигнала в волновод и/или антенну, причем волновод выполнен с возможностью дальнейшего направления введенного радарного сигнала. Антенна выполнена с возможностью излучения введенного радарного сигнала и приема отраженного (эхо-) сигнала.
Согласно другой форме выполнения, антенна представляет собой рупорную антенну, при необходимости, с элементом подключения в форме волновода.
Согласно другой форме выполнения, радарный модуль выполнен с возможностью генерации радарного сигнала с частотой передачи выше 200 ГГц.
Согласно другой форме выполнения, диаметр резонатора меньше, чем 1,5 мм.
Другой аспект относится к радарному измерительному прибору с описанным выше и далее радарным модулем.
Другой аспект относится к применению описанного выше и далее радарного модуля для измерения уровня заполнения, измерения предельного уровня, автоматизации логистики или автоматизации производства.
Далее формы выполнения описываются со ссылками на чертежи. Виды на чертежах являются схематичными и представлены не в масштабе. Если в последующем описании фигур чертежей применяются одинаковые ссылочные позиции, то они обозначают одинаковые или подобные элементы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 показывает радарный модуль согласно одной форме выполнения.
Фиг. 2 показывает радарный модуль согласно фиг. 1 на виде сверху.
Фиг. 3 показывает перспективное представление радарного модуля согласно одной форме выполнения.
Фиг. 4 показывает радарный измерительный прибор с описанным выше и далее радарным модулем.
Детальное описание форм выполнения
Фиг. 1 показывает малый фрагмент радарного модуля 100 радарного измерительного прибора согласно одной форме выполнения. Радарный модуль используется в области автоматизации процессов, в частности, для контроля оборудования.
Он содержит микроволновый чип 101, на котором или в котором выполнен источник 102 радарного сигнала. Предусмотрено устройство ввода 103, например, в форме двух ребер 105, 106, которые расположены противоположно друг другу. Источник радарного сигнала с одним из обоих ребер 105 через электрическое соединение 116 подключен к источнику 102 радарного сигнала 102.
Чип сам образует резонатор, который образуется металлической рамкой 107, и в полости которого находится устройство ввода 103. Рамка служит для подключения устройства ввода к волноводу или непосредственно к антенне.
Рамка 107 и устройство ввода 103/105 состоят по меньшей мере по существу из металла и, например, по меньшей мере частично погружены в диэлектрический слой микроволнового чипа 101. Диэлектрический слой может доходить примерно до высоты торцевых плоскостей устройства ввода 103 или выше них, так что устройство ввода 103 полностью погружено в диэлектрический слой.
Поперечное сечение резонатора может быть выполнено прямоугольным с шириной, которая больше, чем его глубина, например, примерно в два раза больше.
На обеих более узких сторонах резонатора могут быть предусмотрены ступеньки 109, 110 (см., в частности, фиг. 2), с помощью которых могут быть улучшены свойства ввода.
Фиг. 2 показывает вид сверху радарного модуля согласно фиг. 1. Второе ребро 106 находится на плоскости 115 массы, которая проводящим образом соединена с рамкой 107.
Между противоположно расположенными ребрами 105, 106 находится полость 108, которая по меньшей мере частично может быть заполнена диэлектриком.
Фиг. 3 показывает другую форму выполнения радарного модуля 100, в которой основание рамки 107 выполнено более узким, чем верхняя область рамки 107. В нижней области на противолежащих, более длинных сторонах рамки предусмотрены выемки. Через эти выемки проходит электрическое соединение 116 к первому ребру 105.
Фиг. 3 показывает три слоя или пласта микроволнового чипа 101. Ссылочная позиция 111 показывает диэлектрический слой, под которым и над которым находится соответствующий металлический слой 112, 113. Над металлическим слоем 113 может быть предусмотрен дополнительный диэлектрический слой, который выполнен, например, до пунктирной линии 114, так что рамка 107 выступает из него.
К этой рамке 107 подключен далее ведущий волновод или непосредственно антенна.
На основе высоких частот радарного сигнала (выше 75 ГГц) механическая конструкция сдвоенного ребра становится настолько малой, что она без труда может быть интегрирована в микроволновый чип.
Ввод радарного сигнала в волновод или антенну осуществляется через резонатор 108 с помощью обоих зеркально симметричных противоположно расположенных ребер 105, 106. Тем самым электромагнитная волна с самого начала симметрично и без искажений вводится в волновод или антенный рупор.
Посредством заполнения резонатора 108 вокруг обоих ребер пригодным для микроволн диэлектриком, механическая конструкция устройства, благодаря возникающему (физическому, определяемому волновой техникой) коэффициенту укорочения, уменьшается, за счет чего может экономиться соответствующая площадь на чипе и, тем самым, затраты.
За счет интеграции на чипе, отпадает необходимость во внешних для чипа соединительных проводниках между чипом и сдвоенным ребром. Тем самым исключаются отражения, благодаря чему может улучшаться так называемое поведение “звона” (реверберации) радарного модуля, а также может обеспечиваться экономия затрат.
За счет использования высоких частот, размеры механических элементов волноводного ввода или антенного ввода настолько уменьшаются, что они могут непосредственно интегрироваться в микроволновый чип.
Сдвоенное ребро может быть создано путем соответствующего конфигурирования меди и диэлектрика, как и других элементов чипа, в рамках процесса изготовления чипа. При этом промежуточное пространство между обоими ребрами либо оставлено в воздухе, либо заполняется диэлектриком. Какой из обоих вариантов является предпочтительным, может зависеть от того, в антенну какого рода, например, в диэлектрический проводник или в незаполненный рупор, осуществляется ввод.
Фиг. 4 показывает радарный измерительный прибор 400 с вышеописанным радарным модулем 100 и подключенной к нему рупорной антенной 401.
Дополнительно следует отметить, что термины “включающий” и “содержащий” не исключают другие элементы или этапы, и формы единственного числа не исключают множественное число. Кроме того, следует отметить, что признаки или этапы, которые описаны со ссылкой на один из приведенных выше примеров выполнения, также могут применяться в комбинации с другими признаками и этапами других из вышеописанных примеров выполнения. Ссылочные позиции в пунктах формулы изобретения не следует рассматривать как ограничения.
1. Радарный модуль (100), выполненный с возможностью контроля оборудования, содержащий микроволновый чип (101) с:
- источником радарного сигнала (102), который выполнен с возможностью генерации радарного сигнала с частотой выше 75 ГГц,
- устройством ввода (103), которое соединено с источником радарного сигнала,
причем устройство ввода (103) содержит два ребра (105, 106), которые расположены противоположно друг другу.
2. Радарный модуль (100) по п. 1,
причем два ребра (105, 106) являются зеркально-симметричными друг относительно друга, в результате чего излучают радарный сигнал симметрично.
3. Радарный модуль (100) по любому из пп. 1 или 2,
причем радарный модуль имеет рамку (107), которая окружает два ребра (105, 106), так что рамка защищает снаружи два ребра от механических воздействий.
4. Радарный модуль (100) по любому из предыдущих пунктов,
причем два ребра (105, 106) окружены полостью (108);
причем полость заполнена диэлектриком.
5. Радарный модуль (100) по любому из предыдущих пунктов,
причем два ребра (105, 106) окружены полостью (108);
причем полость заполнена атмосферным газом.
6. Радарный модуль (100) по любому из предыдущих пунктов,
причем устройство ввода (103) и источник радарного сигнала (102) соединены друг с другом посредством общей подложки (111).
7. Радарный модуль (100) по любому из предыдущих пунктов,
причем радарный модуль содержит волновод и/или антенну (401);
причем устройство ввода (103) выполнено с возможностью ввода радарного сигнала в волновод или антенну;
причем волновод выполнен с возможностью последующего направления введенного радарного сигнала.
8. Радарный модуль (100) по п. 7,
причем антенна представляет собой рупорную антенну.
9. Радарный измерительный прибор (400) с радарным модулем (100) по любому из предыдущих пунктов.
10. Применение радарного модуля (100) по любому из предыдущих пунктов для измерения уровня заполнения, измерения предельного уровня, автоматизации логистики или автоматизации производства.
