在料位雷达测量设备中的独立的参考脉冲生成

本发明涉及料位测量。尤其是，本发明涉及一种用于为料位测量设备 独立地生成参考脉冲的微波模块、一种用于确定罐中的料位的料位测量设 备、将这种微波模块用于测量料位的应用以及一种用于独立地生成参考脉 冲的方法。

在根据脉冲传播时间方法的料位测量设备中使用在微波模块内部产 生的反射作为测量传播时间的参考。

内部产生的反射在幅度、形式和位置方面的稳定性对于测量设备的精 度是决定性的，因为任何改变都会导致参考(零点)的漂移。

在目前的料位测量设备中，参考脉冲从不同的反射的混合中获得。各 个反射例如通过天线耦合输入、在微波模块上的插接连接、印刷电路板至 同轴线路或者波导的过渡部以及通过发射/接收组合器(例如定向耦合器 或者循环器)中的泄漏信号来形成。此外，参考脉冲的形式会由于在天线 的区域中与填料的非常大的回波叠加而改变非常多，以致出现不精确性。

通过在不同的电路部分之间插入线路(其中这些线路具有至少对应于 料位雷达的分辨能力的长度)，可以使不同的反射彼此更好地分离。

为了减小由于在附近区域中的回波造成的影响，具有发射脉冲的长度 (譬如对应于传感器的分辨能力)的线路可以使用在发射/接收组合器与 从微带线路至同轴线路的过渡部之间。同样，一段同轴线路可以使用在该 过渡部与波导耦合输入之间。

然而，在此存在剩余的反射对参考脉冲的影响。例如，如果发射/接 收组合器的隔离随着温度改变，这也影响参考脉冲并且由此也影响测量 值。

获取参考脉冲的另一可能性在于，信号的一部分已明显更早地在电路 中耦合输出并且通过定向耦合器又馈送到混合器中。然而这通常要求发射 信号的延迟，由此能够可靠地使不希望的反射与有针对地获得的参考信号 分离。然而，传播时间线路在此具有比较大的衰减，该衰减又必须通过放 大器来补偿。这导致提高了微波模块的电能消耗。

本发明的任务是提出一种用于料位雷达的改进的参考脉冲生成。

根据本发明的一个实施例，提出了一种用于为料位测量设备独立地生 成参考脉冲的微波模块，该微波模块具有用于提供回波信号的回波信号单 元和用于生成参考脉冲的参考脉冲生成单元，其中参考脉冲和回波信号是 彼此分离的信号，并且其中参考脉冲生成单元具有专用的第一采样混合器 或者专用的振荡器。

回波信号和参考脉冲因此是彼此独立的信号，这些信号可以彼此分离 地被进一步处理。例如，为此参考脉冲生成单元具有特别的采样混合器， 该采样混合器用于将参考信号降低到中间频率。在另一实施例中，参考脉 冲生成单元具有特别的振荡器，振荡器用于独自生成参考脉冲。因此，参 考脉冲与发射/接收组合器上的、例如由于没有隔离而会在循环器或者定 向耦合器上产生的泄漏信号无关。

此外，参考脉冲与在发射/接收组合器和天线之间会出现的反射无关。 参考脉冲也与附近区域中的大的回波无关，其中这些回波会导致在采样混 合器中的过调制效应(Uebersteuerungseffekten)。在雷达传感器的发射 频率上不需要延迟线路，该延迟线路由于高的衰减而需要发射放大器。

根据本发明的另一实施例，微波模块此外还包括在回波信号单元中的 第二采样混合器以及在参考脉冲生成单元中的第一分接器(Abzapfung)， 其中第二采样混合器被实施为用于将接收信号转换成第一中频信号形式 的回波信号。第一分接器被实施为用于将参考信号从用于发射信号的传输 段耦合输出，其中传输段设置在第一振荡器和料位测量设备的探针或者天 线之间。第一采样混合器被实施为将耦合输出的参考信号转换为第二中频 信号形式的参考脉冲。

于是，设置了两个分离的采样混合器。第一采样混合器用于转换耦合 输出的参考信号，而第二采样混合器用于转换接收信号。

根据本发明的另一个实施例，微波模块此外包括用于改变发射信号的 发射功率的可调节的衰减装置，其中可调节的衰减装置设置在传输段中。

由此可以改变发射功率。

根据本发明的另一个实施例，微波模块此外包括用于将扫描脉冲分配 到两个采样混合器的功率分配器。

由此，仅仅需要单个的振荡器用于生成扫描脉冲。

根据本发明的另一实施例，微波模块还包括用于存储回波信号的第一 存储器和用于存储参考脉冲的第二存储器。第一和第二存储器彼此分离， 但是可以设置在同一芯片上。

在另一实施例中，微波模块包括存储器，在该存储器中存储有参考脉 冲和回波信号。例如，回波信号为此在参考脉冲的位置上被屏蔽并且被参 考脉冲替代。为此，A/D转换器借助切换开关首先切换到参考脉冲上。在 其扫描之后，切换开关被切换到回波信号上。该切换必须在实际测量范围 开始之前进行，以便不丢失数据。

另一可能性在于，使用两个分离的A/D转换器，其相继地将其数字 化的值写入存储器。第一A/D转换器在此仅仅扫描参考脉冲，第二A/D 转换器仅扫描回波信号。由此，省去了中频信号的切换。

根据本发明的另一实施例，微波模块还包括切换开关和中频放大器， 其中切换开关被实施为用于将回波信号和参考脉冲传输至中频放大器。

由此仅需要单个的中频放大器。

根据本发明的另一实施例，微波模块还包括用于放大发射信号的第一 放大器，其中第一放大器在第一分接器之后设置在传输段中。

除了可调节的衰减装置或者对其替选地，该第一放大器可以使用在滤 波器和定向耦合器之间或者在耦合器与发射/接收组合器之间。这能够实 现有效改变发射功率，以便在发射良好的介质中和/或在附近区域中避免 过调制。

根据本发明的另一实施例，微波模块还包括第二分接器，其中第一放 大器设置在传输段中的第一分接器之前，并且其中第二分接器被实施为将 扫描脉冲分配到两个采样混合器上。

由此，参考脉冲可以通过两个定向耦合器的耦合衰减被选择得如此大 并且实际扫描脉冲被选择得相应小，使得扫描在一定程度上被反转，即发 射脉冲的耦合输出部分对扫描脉冲的耦合输出部分进行扫描。

根据本发明的另一实施例，微波模块还包括用于对耦合输出的参考信 号进行整流的第一整流器和用于对扫描信号进行整流的第二整流器，其中 两个整流器分别设置在第一采样混合器之前。

这会导致采样混合器和中频放大器的结构简单。

根据本发明的另一实施例，整流器实施为检测器。

此外，根据另一实施例，微波模块可以包括用于生成参考脉冲的第二 振荡器和用于使发射信号在其至天线或者探针的路径上延迟的延迟器。

回波信号和参考脉冲在时间上远地分离，使得参考脉冲可以在不受干 扰影响的情况下被分析。

根据本发明的另一实施例，延迟器实施为多层印刷电路板中的简单线 路。这种延迟线路可以简单地制造。

根据本发明的另一实施例，分接器实施为定向耦合器。

定向耦合器例如实施为对称的混合耦合器或者不对称的混合耦合器。

这种混合耦合器可以成本低廉地集成到微波模块的电路中。

根据本发明的另一实施例，提出了一种用于确定罐中的料位的料位测 量设备，该料位测量设备包括上面所描述的微波模块。

根据本发明的另一实施例，提出了一种将这种微波模块用于料位测量 的应用。

此外，提出了一种用于为料位测量设备独立地生成参考脉冲的方法， 其中提供回波信号并且参考脉冲通过专用的第一采样混合器或者专用的 振荡器来生成，其中参考脉冲和回波信号是彼此分离的信号。

由此，提供了一种方法，通过该方法可以有效地降低对参考脉冲的干 扰。

本发明的其他实施例和优点从从属权利要求中得到。

以下参照附图描述了本发明的优选的实施例。

图1示出了微波模块的框图。

图2示出了根据本发明的一个实施例的微波模块的框图。

图3示出了根据本发明的另一实施例的微波模块的框图。

图3a示出了用于在两个中频信号之间进行切换的电路的示意图。

图4示出了根据本发明的另一实施例的微波模块的框图。

图5示出了根据本发明的另一实施例的微波模块的框图。

图6示出了根据本发明的另一实施例的微波模块的框图。

图7示出了根据本发明的另一实施例的微波模块的框图。

图8示出了根据本发明的另一实施例的微波模块的框图。

图9示出了根据本发明的一个实施例的料位雷达的示意图。

附图中的图示是示意性的而非合乎比例的。

在以下的附图描述中，对相同的或者类似的要素使用相同的参考标 记。

图1示出了具有在其中存在反射110、111、112的微波模块100的框 图，其中这些反射一同形成参考脉冲。

微波模块100包括振荡器或者脉冲发生器101用于生成发射信号，该 发射信号随后通过滤波器102。此外，还设置有发射/接收组合器103，发 射信号通过该发射/接收组合器。之后，发射信号到达在微带与同轴线路 之间的过渡部104并且接着到达波导耦合输入器105，该波导耦合输入器 引导至天线(在图1中并示出)。

发射信号随后被天线发射，被填料反射以及又被天线接收。随后，该 发射信号回到发射/接收组合器103并且接着被转发给混合器108。

由于发射/接收组合器103没有隔离，发射信号的信号110在其至天 线的路上被分支并且同样导向混合器108。同样，干扰的反射111、112 被导向混合器108。

脉冲发生器106生成扫描脉冲，该扫描脉冲接着在滤波器107中被滤 波，然后同样被输送给混合器108。在采样混合器108中，接收信号113 连同扫描脉冲114被转换到中频范围中并且接着通过中频放大器109放 大。

图2示出了根据本发明的一个实施例的微波模块200的框图。微波模 块200在此尤其是具有可调节的衰减装置201、定向耦合器202、放大器 203、另一放大器204、功率分配器205和两个采样混合器206、207以及 附加的中频放大器208。

脉冲发生器101中生成的发射脉冲在滤波器102中进行滤波之后被提 供给定向耦合器202。在那里，发射脉冲的一部分被耦合输出并且与扫描 脉冲一起在第一采样混合器206中作为参考信号降至中频范围。

此外，在滤波器102与定向耦合器202之间或者在定向耦合器202 和放大器203之间的附加的可调节的衰减装置201还能够实现发射功率的 改变，以便在反射良好的介质情况下和/或在附近区域中避免过调制。衰 减装置的调节例如通过微控制器经过控制线路213来进行。

扫描脉冲如发射脉冲一样在脉冲发生器106中生成并且随后通过滤 波器107滤波。在需要时，在功率分配器205将该信号分配到两个采样混 合器206、207之前，该信号还可以通过放大器204放大。

发射脉冲的较大部分通过定向耦合器202，并且在其通过发射/接收组 合器203和波导耦合输入器105到达天线并且从那里朝着填料表面的方向 发射之前，在需要时还在可选地存在的放大器203中被放大。在填料表面 上反射的信号借助天线又被接收，并且通过波导耦合输入器105和发射/ 接收组合器到达微波模块的接收支路中。在那里，该信号在采样混合器 107中与扫描脉冲一同转换到中频范围中并且随后通过中频放大器209放 大。

此外，设置了附加的中频放大器208用于放大参考脉冲，该中频放大 器208例如设置在第一采样混合器206之后。

通过这样的设置，在中频输出端1获得如下信号：该信号由过渡部和 耦合输入部上的反射和泄露信号以及来自容器的填料回波构成。该中频信 号对应于在现有技术中希望的信号。

附加地，在中频输出端2上还获得没有干扰的参考信号。

在两个这样获得信号例如分别被输送给A/D转换器并且例如被存储 在分离的存储器用于分析之前，其还分别被再次放大(通过放大器209 或者放大器208)。

对此替选地，两个中频信号(参考脉冲和回波信号)也可以存储在相 同的存储器中。对此，在参考脉冲的位置上中频信号1被屏蔽并且由参考 脉冲中频信号2替代。

两个放大器203和204可以通过两个线路211和212来接通和关断。 在当前情况下，它们借助两个脉冲振荡器的输入节拍信号(PRF)来切换， 并且由此只有当实际上也存在输入信号时才接通。由此，两个放大器的能 量消耗可以减小到最小。

图3示出了根据本发明的另一实施例的微波模块300的框图。微波模 块300包括切换开关301。

两个来自采样混合器206、207的信号通过切换开关301提供给单个 的中频放大器208。切换的时刻在此取决于进一步的处理。如果要分离地 进一步处理两个信号，则必须分别等待完整的扫描循环，如果两个信号在 A/D转换之后要存储在共同的存储器(在图3中未示出)中，则用于中频 信号的切换开关首先切换到参考脉冲上，并且一旦其完成，就切换到回波 曲线。但是，该切换点还必须位于测量区域开始之前，以便不丢失信息。

通过这些措施可以减小随后的针对A/D转换器或者接收电路的开销。

图3a示出了用于在两个中频信号之间进行切换的电路的示意图。由 于两个混合器的输出端欧姆值非常高并且由此对干扰敏感，所以建议在第 一晶体管级之后进行切换。

通常，使用由两个场效应晶体管(FET)构成的所谓的级联放大器作 为中频放大器。如果分开这两个FET并且在那里插入切换开关，则获得 根据图3a的电路。

为了测量参考脉冲，切换开关301通过控制线路317闭合至触点A， 并且由此由两个晶体管302和308与谐振电路311一同形成级联放大器， 其中该谐振电路针对中频频率被调谐。电阻303、309和310用于调节放 大器的直流工作点，存在的两个电容器304、313和314用于阻塞交流电 信号。

为了测量回波信号，切换开关301切换到位置B中。由此，由晶体 管305和308与谐振电路311一同构成级联。电阻306、309和310又用 于调节放大器的直流工作点，而电容器307、313和314用于阻塞交流电 信号。

电源电压连接在316上，放大器的输出端315可以输送给A/D转换 器。

该布置的优点在于相对于直接在两个混合器206和207上的切换开关 明显更低的干扰敏感性。相对于两个完全分离的放大器的优点在于：两个 信号路径经过相同的中频滤波器(谐振电路311)，并且由此经历相同的 滤波器波动。此外，减小了滤波器匹配的开销，并且该电路比两个完整的 放大器需要更小的电路板面积。

图4示出了微波模块400的另一变形方案，其中参考脉冲在发射放大 器203之后通过定向耦合器202耦合输出。在该例子中，通过两个定向耦 合器202、401的耦合衰减，可以将参考脉冲402选择得如此大并且实际 扫描脉冲403选择得相应小，使得扫描在传输的意义上被反转，即发射脉 冲的耦合输出的部分402对扫描脉冲的耦合输出的部分403进行扫描。

就此而言，这提供了优点，因为总是存在的发射放大器203产生足够 的功率，并且由此耦合输出的信号402也提供高电平，以便对第一采样混 合器206加偏压。由此可以省去在扫描支路中的放大器。

该变形方案的特征在于特别低的电能消耗，因为仅仅使用一个放大器 203。

图5示出了根据本发明的另一实施例的微波模块500的框图。在此， 如在上面所示的方案，通过耦合输出发射信号的一部分并且接着借助检测 器501来整流以生成参考脉冲。该信号于是可以与借助第二检测器503 同样被整流的扫描信号一同在采样混合器206中被转换成时间扩展的信 号。然而在此要注意的是，参考脉冲已经作为包络曲线存在并且由此不再 能直接与回波信号组合。优点在于采样混合器206和中频放大器208的结 构更为简单。

图6示出了微波模块600的另一实施例，该微波模块具有延迟线路 604、连接有滤波器602的附加的脉冲发生器601和定向耦合器603。

参考脉冲在此通过使用第二微波生成器601来生成。在脉冲发生器 601中产生的参考脉冲在滤波器602中被滤波并且借助定向耦合器603馈 送到接收器中。用于发射脉冲或参考脉冲的两个微波生成器101、601在 此相同地构建并且被相同的PRF信号(PRF＝脉冲重复率)控制。用于 发射脉冲发生器101的PRF信号在此在延迟线路(Delay line)604中延 迟，直至参考脉冲在采样混合器207中被扫描。由此，在混合器输出端上 产生中频信号607，该中频信号由参考脉冲605和回波信号606构成。两 个信号在时间上如此远地分离，使得参考脉冲605可以不受干扰影响地被 分析。

而对此的前提条件是，两个脉冲发生器101、601在时间上和老化上 的特性相同，在相同结构的情况下也提供了这一点。对延迟线路604的要 求是比较低的，因为PRF的频率仅仅在几兆赫兹(MHz)的范围中。由 此，延迟线路例如可以实施为在由FR4(玻璃纤维增强的环氧树脂)构成 的多层印刷电路板中的简单线路。

图7示出了根据本发明的另一实施例的微波模块700。在此生成参考 脉冲，其方式是第二脉冲发生器601的信号借助专用的采样混合器206 来扫描，并且根据在图2、3和4中所示的方式在分离的通道中或者一同 在一个通道中被进一步处理。

图8示出了微波模块800的另一实施例，在该微波模块中代替功率分 配器205(参看图7)设置有定向耦合器401。参考脉冲和回波信号在此 在单个的信道中被进一步处理。

图9示出了根据本发明的另一实施例的料位雷达的示意图。

料位雷达900在此具有天线901和上面描述的微波模块之一，例如模 块200。天线901被实施为用于朝着填料表面904发射电磁辐射902以及 接收在填料表面904上反射的电磁辐射903。

要补充指出的是，“包括”并不排除其他元件或者步骤，以及“一”或者 “一个”并不排除多个。此外还要指出的是，参照上面的实施例所描述的特 征或者步骤也可以与上面描述的实施例的其他特征或者步骤组合使用。权 利要求中的参考标记不能视为限制。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种用于为料位测量设备独立地生成参考脉冲的微波模块，该微 波模块包括：

用于提供第一中频信号形式的回波信号的回波信号单元；

用于生成第二中频信号形式的参考脉冲的参考脉冲生成单元；

其中参考脉冲和回波信号是彼此分离的信号；以及

其中参考脉冲生成单元具有专用的第一采样混合器(206)或者专用 的振荡器(601)。

2.根据权利要求1所述的微波模块，还包括：

在回波信号单元中的第二采样混合器(207)；以及

在参考脉冲生成单元中的第一分接器(202)；

其中第二采样混合器(207)实施为用于将接收信号转换成第一中频 信号形式的回波信号；

其中第一分接器(202)被实施为用于从第一振荡器(101)与天线或 者探针之间的用于发射信号的传输段(210)耦合输出参考信号；以及其 中第一采样混合器(206)被实施为用于将耦合输出的参考信号转换成第 二中频信号形式的参考脉冲。

3.根据权利要求1或者2所述的微波模块，还包括：

用于改变发射信号的发射功率的可调节的衰减装置(201)；

其中可调节的衰减装置(201)设置在传输段(210)中。

4.根据上述权利要求中任一项所述的微波模块，还包括：

功率分配器(205)，用于将扫描脉冲分配到上述两个采样混合器(206， 207)上。

5.根据上述权利要求中任一项所述的微波模块，还包括：

用于存储回波信号的第一存储器；以及

用于存储参考脉冲的、与第一存储器分离的第二存储器。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的微波模块，

其中参考脉冲和回波信号存储在相同的存储器中；

其中回波信号在参考脉冲的位置上被屏蔽并且被参考脉冲替代。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的微波模块，还包括：

切换开关(301)；

中频放大器(208)；

其中切换开关(301)被实施为用于将回波信号和参考脉冲传输至中 频放大器(208)。

8.根据权利要求7所述的微波模块，还包括：

级联放大器的两个晶体管(302，305)；

其中转换开关(301)设置在两个晶体管(302，305)之间。

9.根据上述权利要求中任一项所述的微波模块，还包括：

用于放大发射信号的第一放大器(203)；

其中第一放大器(203)设置在传输段(210)中的第一分接器(202) 之后。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的微波模块，还包括：

第二分接器(401)；

其中第一放大器(203)设置在传输段(210)中的第一分接器(202) 之前；以及

其中第二分接器(401)被实施为用于将扫描脉冲分配到两个采样混 合器(206，207)上。

11.根据上述权利要求中任一项所述的微波模块，还包括：

用于对耦合输出的参考信号进行整流的第一整流器(501)；以及

用于对扫描脉冲进行整流的第二整流器(502)；

其中两个整流器(501，502)分别设置在第一采样混合器(206)之 前。

12.根据权利要求11所述的微波模块，其中整流器(501，502)实 施为检测器。

13.根据权利要求1或者3至12中任一项所述的微波模块，还包括：

用于生成参考脉冲的第二振荡器(601)；以及

用于使发射信号在其至天线或者探针的路径上延迟的延迟器(604)。

14.根据权利要求13所述的微波模块，其中延迟器(604)实施为多 层印刷电路板中的简单线路。

15.根据上述权利要求中任一项所述的微波模块，其中分接器(202， 401)实施为定向耦合器。

16.根据上述权利要求中任一项所述的微波模块，其中分接器(202， 401)实施为混合耦合器。

17.一种用于确定罐中的料位的料位测量设备，该料位测量设备 (900)包括：

根据权利要求1至15中任一项所述的微波模块。

18.一种应用，其中将根据权利要求1至16中任一项所述的微波模 块用于料位测量。

19.一种用于为料位测量设备独立地生成参考脉冲的方法，该方法包 括如下步骤：

提供第一中频信号形式的回波信号；

通过专用的第一采样混合器(206)或者专用的振荡器(601)生成第 二中频信号形式的参考脉冲；

其中参考脉冲和回波信号是彼此分离的信号。