Устройство для передачи высокочастотных сигналов

1 Изобретение относится к устройству для передачи высокочастотных сигналов, содержащему блок вырабатывания сигналов, сигнальную линию, излучающий элемент и волновод,закрытый в концевой зоне задней стенкой, причем блок вырабатывания сигналов направляет высокочастотные сигналы на излучающий элемент волновода и излучающий элемент входит в волновод. Устройство описанного выше рода используется, например, в измерительных приборах,определяющих уровень содержимого в емкости в зависимости от времени прохождения высокочастотных измерительных сигналов. Методы времени прохождения используют физическую закономерность, в соответствии с которой путь прохождения равен произведению времени прохождения на скорость распространения. В случае измерения уровня путь прохождения соответствует двойному расстоянию между антенной и поверхностью содержимого. Полезный эхо-сигнал, т.е. сигнал, отраженный от поверхности содержимого, и время его прохождения определяют с помощью так называемой эхофункции или с помощью преобразованной в цифровую форму огибающей, причем огибающая отражает амплитуды эхо-сигналов в качестве функции расстояния антенна-поверхность содержимого. Сам уровень является тогда разностью между известным расстоянием от антенны до дна емкости и определяемым посредством измерения расстоянием от поверхности содержимого до антенны. Обычными способами определения расстояния в зависимости от времени прохождения электромагнитных сигналов являются импульсная радиолокация и частотно-модулированное непрерывное излучение (способ FMCW). При импульсной радиолокации передают периодически короткие микроволновые импульсы. При применении способа FMCW передают непрерывную микроволну, которая является периодически линейной, например в соответствии с пилообразной функцией, и частотно-модулированной. Частота принятого эхо-сигнала имеет по сравнению с частотой, которую переданный сигнал имеет в момент приема, разность частот,зависимую от времени прохождения эхо-сигнала. Разность частот переданного и принятого сигналов, которая может быть получена за счет смешивания обоих сигналов и обработки спектра Фурье смешанного сигнала, соответствует,таким образом, расстоянию от отражателя, например поверхности содержимого, до антенны. Далее амплитуды спектральных линий частотного спектра, полученного за счет преобразования Фурье, соответствуют амплитудам эхо-сигнала, так что спектр Фурье представляет собой эхо-функцию. Распространение высокочастотных измерительных сигналов происходит в сигнальной линии и в волноводе в соответствии с физиче 005259 2 скими законами распространения электромагнитных волн. Обычно сигнальная линия представляет собой коаксиальную линию. За счет ввода высокочастотные измерительные сигналы направляют от внутреннего проводника коаксиального кабеля на излучающий элемент волновода. Волновод не выполнен ни прямоугольным, ни круглым, причем в зоне изменения уровня используют предпочтительно антенны кругообразного сечения, поскольку они лучше пригодны для установки, например, в опорах емкости (цистерна, силос и т.д.), чем волновод прямоугольного сечения. В коаксиальной линии поперечно-электромагнитная мода (ТЕМ-мода) распространяется в идеальном случае без рассеивания. Эта ТЕМмода особенно хорошо подходит поэтому для передачи пакетов волн или электромагнитных волн, имеющих определенную ширину полосы. Пакеты волн, распространяющиеся в ТЕМ-моде,не получают, следовательно, никакого расширения; точно так же у линейно частотно-модулированных волн в значительной степени предотвращается отклонение от линейности. Для направленной передачи электромагнитных волн посредством антенны используют предпочтительно моду, характеристика излучения которой имеет явно выраженный прямой лепесток. Этим свойством обладает способная к распространению в круглых волноводах поперечно-электрическая основная мода, ТЕ 11-мода. В прямоугольном волноводе соответствующей основной модой является ТЕ 10-мода. В зависимости от размеров выполненной в виде волновода антенны, имеется соответственно определенный частотный диапазон, в котором способной к распространению является исключительно эта основная мода. За пределами этого частотного диапазона распространяются также более высокие моды, менее пригодные для направленного излучения микроволн, напримерTM01-мода у круглого волновода и ТЕ 20-мода у прямоугольного волновода. В то время как у прямоугольного волновода диапазон однозначности, т.е. диапазон, в котором способной к распространению является только основная мода, относительно широкий, диапазон однозначности у круглого волновода относительно узкий. Вероятность того, что при вводе широкополосных сигналов помимо основной моды будут возбуждаться также нежелательные более высокие моды, у круглого волновода поэтому существенно выше, чем у прямоугольного волновода. Нежелательным последствием распространения разных мод является так называемый микрофонный эффект. Вызван микрофонный эффект тем, что отдельные, способные к распространению в волноводе моды имеют разные скорости распространения. Это проявляется в том, что переданный импульс затухает не сразу,а медленно теряет амплитуду. Этот фронт может перекрывать эхо-сигнал в зоне измерения 3 или накладываться на эхо-сигнал так, что могут возникнуть относительно большие ошибки при определении измеренного значения. Примеры ставших известными уровнемеров описаны в ЕР 0821431 А 2 и DE-GM 9312251.9. В то время как в ЕР 0821431 А 2 описана форма выполнения, у которой излучающий элемент,так называемый передающий провод, проходит через заднюю стенку во внутреннее пространство волновода, в DE-GM 9312251.9 ввод высокочастотных измерительных сигналов в волновод происходит через боковую стенку. В основе изобретения лежит задача создания устройства для передачи высокочастотных измерительных сигналов, отличающегося оптимизированной характеристикой излучения. Задача решается за счет того, что излучающий элемент расположен под углом к задней стенке волновода или к параллельной задней стенке плоскости волновода. Известные решения всегда исходили из того, что для оптимизированного ввода электромагнитного поля излучающий элемент, т.е. штифт возбуждения, должен быть расположен параллельно задней стенке волновода. Неожиданным образом оказалось, что существенно лучшие результаты могут быть достигнуты тогда, когда штифт возбуждения проходит не параллельно задней стенке, а под определенным углом к задней стенке или к параллельной задней стенке плоскости. Этот угол зависит от прочей геометрии ввода и не может быть определен в целом. Как уже сказано, оказалось, что благодаря наклоненному штифту возбуждения возбуждение происходит намного более одномодно, т.е., в основном, возбуждается только нужная мода, здесь основная мода. Этот одномодный ввод достигается даже тогда,когда в волновод вводятся очень широкополосные измерительные сигналы. Кроме того, за счет устройства согласно изобретению достигается очень хорошее согласование между сигнальной линией и вводом. В результате обоих эффектов резко уменьшается уже описанный выше микрофонный эффект, в частности, при вводе широкополосных измерительных сигналов. Далее за счет подавления нежелательных более высоких мод достигается нужная излучательная характеристика с явно выраженной направленной характеристикой в направлении излучения. Согласно первому выполнению устройства в соответствии с изобретением излучающий элемент проходит через заднюю стенку волновода. Альтернативная форма выполнения устройства согласно изобретению предусматривает, что излучающий элемент проходит через боковую стенку волновода. Согласно одному предпочтительному усовершенствованию устройства согласно изобретению величина угла между излучающим элементом и задней стенкой волновода или парал 005259 4 лельной задней стенке плоскостью составляет более 4. Излучающий элемент представляет собой,например, передающий провод. Предпочтительно в зоне свободного конца передающего провода расположена передающая грибовидная головка. Альтернативно в качестве излучающего элемента может применяться проводящая структура, расположенная на печатной плате,причем излучающая структура на печатной плате расположена под углом к задней стенке волновода или к параллельной задней стенке волновода плоскости. В соответствии с предпочтительным выполнением устройства согласно изобретению волновод ведет к рупорной, штыревой или параболической антенне. За счет этого можно дополнительно оптимизировать излучательную характеристику устройства. Для защиты излучающего элемента от отложений одна предпочтительная форма выполнения устройства согласно изобретению предусматривает, что, по меньшей мере, внутреннее пространство волновода в зоне передающего провода заполнено диэлектрическим материалом. В частности,в этой связи предложено, что в диэлектрическом материале предусмотрена выемка, в которую входит передающий провод. Диэлектрический материал представляет собой,например, политетрафторэтилен (ПТФЭ) или триоксид алюминия (Аl2 О 3). Как уже сказано, устройство согласно изобретению является предпочтительно частью уровнемера. Однако использование устройства согласно изобретению никоим образом не ограничено этим применением. Устройство может использоваться, в принципе, в любых устройствах, работающих с высокочастотными измерительными сигналами. Изобретение более подробно поясняется с помощью прилагаемых чертежей, на которых изображают на фиг. 1 - схематично первое применение устройства согласно изобретению; на фиг. 2 - схематично второе применение устройства согласно изобретению; на фиг. 3 - схематично уровнемер согласно изобретению. На фиг. 1 схематично изображено устройство 1 согласно изобретению, встроенное в штыревую антенну 15. Устройство 1 состоит из блока 2 вырабатывания сигналов, сигнальной линии 3 и излучающего элемента 4, расположенного в волноводе 5, здесь круглом волноводе. В изображенном случае излучающий элемент 4 проходит не параллельно задней стенке 6 волновода 5 или к параллельной задней стенке 6 волновода 5 плоскости, а под определенным углом к задней стенке 6 или к параллельной задней стенке 6 плоскости. В блоке 2 вырабатывания сигналов вырабатываются высокочастотные измерительные 5 сигналы и по сигнальной линии 3, которая представляет собой обычно коаксиальный кабель, вводятся в передающий элемент 4. Штыревая антенна 15, через которую излучаются высокочастотные измерительные сигналы или через которую принимаются отраженные эхо-сигналы, состоит в изображенном случае из круглого волновода 5. Во внутреннем пространстве круглого волновода 5 позиционирована концевая зона стержнеобразного диэлектрического материала 18. В боковой стенке 8 круглого волновода 5 предусмотрено отверстие 7, в котором фиксирован ввод 9, через который измерительные сигналы направляются с сигнальной линии 3 на излучающий элемент 4. Излучающий элемент 4 расположен в соответствующей выемке 14 стержнеобразно выполненного диэлектрического материала 18. Переходник 17, также изготовленный из диэлектрического материала,посредством фланца 19 и крепежных штифтов 20 закреплен на фланце 12 и служит одновременно для согласования, а также фиксации стержнеобразного диэлектрического материала 18 в круглом волноводе 5. На фиг. 2 схематично изображено устройство 1, встроенное в рупорную антенну 16. В то время как у изображенной на фиг. 1 штыревой антенны 15 характеристика излучения оптимизируется стержнеобразным диэлектрическим материалом 18, оптимизация у рупорной антенны 16 поддерживается рупорообразным элементом 11, который в направлении излучения примыкает к свободному концу волновода 5. Для улучшения направленной характеристики рупорной антенны 16 служит также размещенный в волноводе 5 диэлектрический материал 10,сужающийся, кроме того, в направлении излучения. На фиг. 3 схематично изображен уровнемер 29, согласно изобретению закрепленный в отверстии 24 крышки 22 емкости 21. Уровнемер 29 представляет собой рупорную антенну 16, в которой находит применение устройство 1. Для определения уровня содержимого 23 в емкости 21 через рупорную антенну 16 в направлении поверхности содержимого 23 передают высокочастотные, выработанные передающим блоком 25 измерительные сигналы. Отраженные от поверхности содержимого 23 эхо-сигналы детектируют посредством приемного блока 26. С помощью разности времени прохождения измерительных и эхо-сигналов блок регулирования и обработки определяет уровень содержимого 23 в емкости 21. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Устройство для передачи высокочастотных сигналов, содержащее блок вырабатывания 6 сигналов, сигнальную линию, излучающий элемент и волновод, закрытый в концевой зоне задней стенкой, причем блок вырабатывания сигналов выполнен с возможностью направлять высокочастотные сигналы на излучающий элемент волновода, и излучающий элемент входит в волновод, отличающееся тем, что излучающий элемент (4) расположен под таким углом к задней стенке (6) волновода (5) или к параллельной задней стенке (6) волновода (5) плоскости, что обеспечивается одномодное возбуждение нужной моды. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем,что излучающий элемент (4) проходит через заднюю стенку (6) волновода (5). 3. Устройство по п.1, отличающееся тем,что излучающий элемент (4) проходит через боковую стенку (6) волновода (5). 4. Устройство по пп.1, 2 или 3, отличающееся тем, что величина угла между излучающим элементом (4) и задней стенкой (6) волновода (5) или параллельной задней стенке (6) волновода (5) плоскостью составляет более 4. 5. Устройство по п.1 или 4, отличающееся тем, что излучающий элемент (4) представляет собой передающий провод. 6. Устройство по п.5, отличающееся тем,что в зоне свободного конца излучающего элемента (4) расположена передающая грибовидная головка (28). 7. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что излучающий элемент (4) представляет собой проводящую структуру, расположенную на печатной плате, при этом излучающая структура на печатной плате расположена под углом к задней стенке (6) волновода (5) или к параллельной задней стенке (6) волновода (5) плоскости. 8. Устройство по п.1, отличающееся тем,что волновод (5) ведет к рупорной (16), штыревой (15) или параболической антенне. 9. Устройство по п.1 или 8, отличающееся тем, что оно содержит диэлектрический материал (10; 18), заполняющий, по меньшей мере,внутреннее пространство волновода (5) в зоне излучающего элемента (4). 10. Устройство по п.9, отличающееся тем,что в диэлектрическом материале (10; 18) предусмотрена выемка (14), в которую входит излучающий элемент (4). 11. Устройство по п.9 или 10, отличающееся тем, что диэлектрический материал (10; 18) представляет собой политетрафторэтилен(ПТФЭ) или триоксид алюминия (Аl2 О 3). 12. Устройство по одному или нескольким пп.1-11, отличающееся тем, что устройство является частью уровнемера (29).