專利名稱：料位雷達頻率轉換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及料位測量。特別地，本發(fā)明涉及一種用于料位雷達的頻率 轉換器， 一種用于確定罐中料位的料位雷達，將這種頻率轉換器用于料位 測量的應用，以及一種用于為料位雷達進行頻率轉換的方法。
背景技術：
已公開的料位測量設備除了用于發(fā)射或接收雷達波或微波的天線之 外還具有頻率轉換器，該頻率轉換器將發(fā)射脈沖振蕩器生成的電磁信號向 高頻變換。
DE 43 31 353涉及一種帶有頻率轉換電路的雷達—距離測量設備，該 頻率轉換電路具有本地振蕩器、混頻器和天線端子。頻率轉換電路將雷達 模塊所接收的信號的頻率通過與本地振蕩器的另 一頻率混合來轉換為更 高的頻率，發(fā)射信號以該更高的頻率^L送給天線端子。
在此，發(fā)射功率與混頻器的功率相關。在離開混頻器之后，不可能再 對發(fā)射信號進行放大。

發(fā)明內容
本發(fā)明的任務是，為料位雷達提供一種改進的頻率轉換。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，為料位雷達提供了一種頻率轉換器，該頻 率轉換器包括信號生成單元，用于產(chǎn)生被頻率轉換的電磁發(fā)射信號；接收電路，用于對接收信號進行接收，以確定料位；發(fā)射耦合器；和第一放 大器，用于放大被頻率轉換的發(fā)射信號和/或接收信號，其中發(fā)射耦合器 具有輸入端，用于從信號生成單元接J^L大的、被頻率轉換的發(fā)射信號； 第一輸出端，用于直接將發(fā)射信號發(fā)送給天線裝置和用于從天線裝置對接 收信號進行接收；以及第二輸出端，用于將接收信號發(fā)送給接收電路。
由此，根據(jù)本發(fā)明的頻率轉換器具有放大器，在被頻率轉換的高頻發(fā) 射信號被天線發(fā)射出去之前，該放大器對該發(fā)射信號進行放大，或者在天 線接收到的接收信號被向回轉換為低頻之前，該放大器對該接收信號進行 放大。
通過這種附加的放大，可以實現(xiàn)更好的信噪比以及更高的敏感性。特 別地，由此也可能對較為不利的填料進行測量。否則，在這種*^的情況 下所^Jt的信號會太小，以致不能實現(xiàn)可接受的、可用的測量結果。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，發(fā)射耦合器具有定向耦合器，該定向耦合 器具有對稱的或者非對稱的混合電路(Hybrid )。
這種非對稱的混合耦合器例如可以實施為90?；旌像詈掀?，該混^ 合器特別適合于與圓形的波導耦合輸入裝置相連。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，天線裝置具有圓形的波導耦合輸入裝置， 其中發(fā)射耦合器的第一輸出端與圓形的波導耦合輸入裝置耦合，用于耦合 輸4射信號。
作為另外的優(yōu)點，由對稱的90?；旌像詈掀骱蛨A形的耦合輸入裝置構 成的組合已經(jīng)得到將發(fā)射路徑和接^徑分開。通過這種方式，可以省去 昂貴的部件，例如環(huán)行器，并且同時可以將全部的生成器功率轉發(fā)給天線。
根據(jù)本發(fā)明的另 一實施例，以60 GHz到120 GHz之間的頻率來實施 用于產(chǎn)生電>^發(fā)射信號的信號生成單元。
例如，頻率轉換器可以實施為79GHz的高頻模塊。然而，也可能為 更高的頻率，例如120 GHz左右的頻率。
根據(jù)本發(fā)明的另 一實施例，頻率轉換器包括第二放大器用于放大接收 信號，其中該第二放大器設置在第二輸出端之后。
根據(jù)本發(fā)明的該實施例，現(xiàn)在i殳計了兩個放大器，其中第一放大器例 如用于對輸入到發(fā)射耦合器中的信號進行放大，而第二放大器用于放大從
6發(fā)射耦合器中出來之后的被接收的信號或輸出信號。兩個放大器都位于頻 率轉換器的高頻側。由此，保證了輸入信號和輸出信號的靈活放大。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，信號生成單元包括脈沖發(fā)生器，用于生 成具有第一頻率的第一電磁信號；本地振蕩器，用于生成具有第二頻率的 第二電>^信號；以及第一混頻器，用于借助4^振蕩器的第二電磁信號對 脈沖發(fā)生器的第一電磁信號進行頻率轉換，其中第一混頻器被實施用于輸 出發(fā)射信號。于是設置了一種混頻器，其獲得脈沖發(fā)生器的輸入信號，并 且將該輸入信號借助本地振蕩器的信號(其例如可以在10 GHz到25 GHz 之間)混頻為更高的頻率。由該混頻于是得到發(fā)射信號，該發(fā)射信號l^ 被放大并饋送到發(fā)射耦合器中。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，頻率轉換器此外還包括第二混頻器，該第 二混頻器用于借助本地振蕩器的第三電磁信號將接收信號進行頻率轉換。 于是，兩個信號被相同的本地振蕩器進行混頻。
例如，也可以設置附加的本地振蕩器，其例如在相位中與其他本地振 蕩器嚴格地耦合，^吏得兩個振蕩器同步運行。
例如，第二混頻器可以將接收信號的頻率混頻為低頻，使得被頻率轉 換的接收信號隨后可以被容易地分析。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，頻率轉換器的信號生成單元此外還包括 脈沖發(fā)生器，用于生成具有第一頻率的第一電磁信號；以及第一倍增器， 用于將脈沖發(fā)生器的第一電磁信號倍增，以及用于將倍增后的信號作為發(fā) 射信號來輸出。
信號倍增通過例如在半導體器件的非線性特性曲線上形成諧波來實 現(xiàn)?；祛l器不是必需的。根據(jù)該實施例，不是具有不同頻率的兩個輸入信 號(通過混頻器)相加。更確切地說，僅有唯一的輸入信號，該信號被倍 增(例如按因子4或者因子8或者其他因子來倍增)。
由此，提供了一種簡單的電路，其可以提供良好的信噪比以及更高的 靈敏度。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，頻率轉換器包括第三混頻器，用于借助本 地振蕩器的第三電v^信號將脈沖發(fā)生器的低頻信號進行頻率轉換，由此形 成被頻率轉換的信號。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，頻率轉換器另外還包括第三放大器，用于將被頻率轉換的信號進行放大，以均衡在笫三混頻器中積聚的損耗。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，提供了一種料位雷達，用于確定罐中的料 位。該料位雷達具有用于發(fā)射和/或接收電磁波的天線以及上述的頻率轉 換器。
此外，提供了將根據(jù)本發(fā)明的頻率轉換器用于料位測量的應用。
此外，提供了 一種用于為料位雷達進行頻率轉換的方法，該方法包括 生成被頻率轉換的電磁發(fā)射信號；放;UL射信號；接fcSL射耦合器的輸入 端中的枕故大的發(fā)射信號；直接將發(fā)射信號M射耦合器的第一輸出端發(fā) 送到天線裝置；接^發(fā)射耦合器的第一輸出端中的接收信號；將接收信 號從發(fā)射耦合器的第二輸出端發(fā)送到接收電路；以及對接收信號進行接 收，以確定料位。
由此，提供了一種方法，通過該方法可以提高測量的敏感性，其方式 是，例如將發(fā)射信號在頻率轉換器的高頻側進行放大。
發(fā)射信號由此還可以在頻率轉換之后再次被放大。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，生成被頻率轉換的電磁信號的步驟包括借 助第一混頻器的第一頻率轉換。
此夕卜，分析接收信號以確定料位可以包括借助第二混頻器的第二頻率 轉換。
替代地，可以設計信號倍增裝置，該裝置被用于如下生成電磁發(fā)射信 號使得由于器件的非線性特性曲線而形成諧波。
由此，不需要輸入側的混頻器用于產(chǎn)生高頻信號。
本發(fā)明的另外的實施例、任務和優(yōu)點由從屬權利要求中得到。


以下將參照附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例。 圖l示出了頻率轉換器的示意圖。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的頻率轉換器的示意圖。 圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的頻率轉換器的示意圖。圖4示出了祁*據(jù)本發(fā)明的另一實施例的頻率轉換器的示意圖。 圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的料位雷達的示意圖。 圖6示出了^^據(jù)本發(fā)明的另一實施例的頻率轉換器的示意圖。 附圖中的視圖是示意性的并且并不M比例。
具體實施例
在下面的附圖描述中，相同的或者相似的元件使用相同的參考數(shù)字。
圖1示出了頻率轉換器的示意圖。頻率轉換器具有發(fā)射脈沖振蕩器 101 (Tx Oszillator )。那里所生成的具有頻率fl的電磁信號被轉發(fā)給發(fā)射 耦合器102,該發(fā)射耦合器隨后將電磁信號傳輸給混頻器103。
本地振蕩器107生成具有頻率f2的另外的信號，該信號同樣被輸送 給混頻器103。現(xiàn)在混頻器103由發(fā)射脈沖振蕩器101的信號和本地振蕩 器107的信號生成頻率被向上混合的、具有頻率G=fl+f2的信號，該信 號lSt^被轉發(fā)給高通濾波器104。隨后，高頻發(fā)射信號由高通濾波器104 發(fā)送給天線105。天線105隨后將該信號朝著填料的方向發(fā)射。
由填料反射的信號被天線105接收，并且導送給高通濾波器104。高 通濾波器l^將接收信號轉發(fā)給混頻器103,該混頻器將頻率為f3的接收 信號與頻率為€2的本地振蕩器一同又混頻回發(fā)射脈沖振蕩器的頻率為 fl-f3-f2的、原有的較低頻率范圍，并且遞交給發(fā)射耦合器102。
在此，在混頻器103中將接收信號反向變換為低頻。
隨后，接收信號^L射耦合器102發(fā)送給前置放大器106。前置放大 器106隨后將接收信號引導至采樣—混頻器109，該采樣—混頻器附加地 接收掃描振蕩器108的信號。采樣—混頻器109的輸出信號l^送到中頻 放大器110，并且隨后可以被分析，以便例如確定料位。
在該系統(tǒng)中，根據(jù)所使用的混頻器，發(fā)射功率為大約-5dBm至OdBm。 這樣，最大可插入的衰減為大約75dB至80dB。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的頻率轉換器的示意圖。如在圖 2中可以看到的那樣，頻率轉換器200具有信號生成單元217、接收電路 216、放大器204、放大器207、 M振蕩器202和發(fā)射耦合器206。信號生成單元217在此包括脈沖發(fā)生器201,該脈沖發(fā)生器用于生成 電磁波或者電磁脈沖。所生成的具有頻率fl的信號218 1^被傳輸給混 頻器203，該混頻器同樣vM^振蕩器202接收頻率為f2的信號219?；?頻器由兩個輸入信號218、 219生成具有頻率f3=fl+f2的高頻輸出信號或 發(fā)射信號220。
該發(fā)射信號220 1^抝改大器204放大，并且隨后作為枕故大的信號 213轉發(fā)給發(fā)射耦合器206。
發(fā)射耦合器206例如實施為對稱的或非對稱的混^合器或者實施 為環(huán)行器(Zirkulator )。信號213在較小衰減的情況下通itiC射耦合器 206，并作為信號223轉發(fā)給天線系統(tǒng)205。天線系統(tǒng)205實施為用于發(fā) 射/接收高頻信號，并且包括例如波導，用于將信號M射耦合器206傳 輸給天線以及將信號向回傳輸。
天線系統(tǒng)205發(fā)射出測量脈沖210，該測量脈沖l^被要測量的物體 或媒質(其中例如是*#表面212 )作為接收信號211而反射。接收信號 211 1^又被天線系統(tǒng)205接收，并且傳輸給發(fā)射耦合器206。
發(fā)射耦合器206現(xiàn)在將所接收的信號在輸出端214輸出。放大器207 放大接收信號214，并且將該接收信號傳輸給接收電路216。
在此要注意的是，并非必須設置兩個放大器204、 207。更確切地說， 根據(jù)應當放大輸入信號220還M當放大輸出信號214，也可以僅設置唯 ——個放大器，例如放大器204或僅仗故大器207。在任何情況下，放大 器都設置在頻率轉換器200的高頻側。
接收電路216包括混頻器208、采樣-混頻器225、脈沖發(fā)生器226 和中頻放大器227。
在第二混頻器208和采樣-混頻器225之間可以連接另 一放大器(未 在圖2中示出)。
要注意的是，本地振蕩器202、 221可以是不同的振蕩器。但是，它 們也可以實施為唯一的一個振蕩器，該振蕩器為混頻器203、 208饋電。
振蕩器202可以設置在接收電路216中，或者設置在信號生成單元 217中，或者分離地"&置。
在接收電路216中，具有頻率f3的被放大的接收信號l^被饋送到第二混頻器208中，該第二混頻器也被本地振蕩器202饋送以具有頻率f2 的信號222。在此，現(xiàn)在進行向較低頻率的反向混頻。得到的具有頻率為 fl=f3-f2的信號224 ^^4L送給釆樣-混頻器225，在采樣-混頻器中， 該信號被采樣。被采樣的、時間延遲的信號229隨后再次通過放大器227 放大，并且在中頻輸出端209上作為中頻信號用于分析和確定料位。
這樣構建的系統(tǒng)實現(xiàn)了明顯更高的敏感性。根據(jù)放大器使用，在測量 段中最大可插入的衰減達到大約95 dB。
圖3示出了^L據(jù)本發(fā)明的另一實施例的頻率轉換器的示意圖。在圖3 中所示的頻率轉換器200此外具有帶通302，并且?guī)?02設置在第一混 頻器203和脈沖發(fā)生器201之間。此外，圖3的實施為79 GHz高頻模塊 的模塊具有第二帶通303。該第二帶通303設置在第一混頻器203和第一 放大器204之間。
第一放大器204具有直流電源311，其或者可以持續(xù)地被供給電壓， 或者可以被供給脈沖發(fā)生器201的脈沖輸入信號。通過脈沖式的運行，得 到比持續(xù)運行中明顯更小的電流消耗。
此外，設置了圓形的波導耦合輸入裝置301，以便M射耦合器206 耦合輸入信號，或者將信號(從天線出發(fā))發(fā)送給發(fā)射耦合器206。發(fā)射 耦合器206在此實施為90。混合電路。
兩個混頻器203、 208由本地振蕩器202 (其產(chǎn)生例如10 GHz到25 GHz之間的頻率)和倍增器304饋電。倍增器304具有直流電源312，該 直流電源同樣可以持續(xù)地處于供給電壓上，或者被供給兩個脈沖發(fā)生器 201和226的脈沖輸入信號。
收良向混頻的低頻信號由第二混頻器208發(fā)送給采樣—混頻器225。 此外，脈沖發(fā)生器226的信號228被輸送給采樣-混頻器225。在采樣-混頻器225和脈沖發(fā)生器226之間可以連接帶通306。
采樣-混頻器225的輸出信號通itit大器227來放大，并且在中頻輸 出端209用于進一步的處理和分析。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的另一頻率轉換器的示意圖。圖4的頻率轉換 器在此除了具有脈沖發(fā)生器201之外還具有帶通302、倍增器403和另一 帶通303。倍增器403通過形成半導體器件(例如晶體管或二極管)的非 線性特性曲線上的諧波來進行信號倍增。由脈沖發(fā)生器201所生成的信號例如具有fl=10 GHz的頻率。按因 子8倍增的或者被濾波的信號220例如具有G=8*10 GHz=80 GHz的頻 率。自然，也可以生成其他頻率。
接收信號214被輸送給采樣—混頻器225，該采樣_混頻器在該例子 中必須針對高頻O而設計。釆樣-混頻器225此外獲得信號309，該信號 由脈沖發(fā)生器226生成并且在通過帶通306濾波之后被輸送給第二倍增器 401。在相應的倍增之后，信號在被饋送到采樣-混頻器225之前通過另 一帶通402。
通過這種方式，提供了一種簡單的電路，該電路能夠實現(xiàn)在頻率倍增 之后將發(fā)射信號220放大為高頻。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的料位雷達的示意圖。
在此，料位雷達500具有信號生成單元217、放大器204、發(fā)射耦合 器206和接收電路216。此外，設計了一種帶有圓形的波導耦合輸入裝置 301的天線裝置205。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的頻率轉換器的示意圖。在圖6 中示出的頻率轉換器如圖3中所描述的系統(tǒng)那樣工作。然而，去除了在圖 3中在較低頻率情況下工作的采樣—混頻器225。
替代地，低頻微波脈沖(例如10GHz)在混頻器604上被向上混頻 為例如80 GHz的更高頻率。該信號現(xiàn)在同樣可以借助放大器602在電平 上被提高，以便再次均衡混頻器208中所積聚的損耗。接著，該信號與所 接收到的并在放大器207中枕故大的信號一同在采樣-混頻器601中降為 中頻。
該系統(tǒng)中的優(yōu)點在于，在接收支路中僅僅需要混頻一次(在601中)。 在第二混頻器(圖3中的208或者圖6中的604)中的損耗可以通it^大 器602來均衡。根據(jù)質量，圖3中在混頻器208上出現(xiàn)的混頻損耗為大約 10...15 dB。相對于圖3中的系統(tǒng)，上面描述的系統(tǒng)的敏感性可以改進該 值。
采樣-混頻器601的性能通過調整到高頻而相對于圖3中的采樣 - 混 頻器225僅僅無關緊要地改變，其中圖3中的采樣—混頻器在較低頻率情 況中工作。
補充地，要指出的是，"包括"并不排除其他原件或者步驟，"一"或者"一個"不排除多個。此外要指出的是，參照上述實施例之一所描述的 特征或者步驟也可以與其他上述實施例的其他特征或步驟結合使用。在權 利要求中的參考標記不應視為限制。
權利要求
1.一種用于料位雷達的頻率轉換器，所述頻率轉換器(200)包括信號生成單元(217)，用于產(chǎn)生被頻率轉換的電磁發(fā)射信號(220)；接收電路(216)，用于對接收信號進行接收，以確定料位；發(fā)射耦合器(206)；和第一放大器(204)，用于放大被頻率轉換的發(fā)射信號(220)和/或放大接收信號；其中發(fā)射耦合器(206)具有輸入端(213)，用于從信號生成單元(217)接收放大的、被頻率轉換的發(fā)射信號(220)；第一輸出端(223)，用于直接將發(fā)射信號發(fā)送給天線裝置(205)和用于從天線裝置(205)對接收信號進行接收；以及第二輸出端(214)，用于將接收信號發(fā)送給接收電路(216)。
2. 根據(jù)權利要求l所述的頻率轉換器，其中發(fā)射耦合器(206)實施 為定向耦合器，該定向耦合器具有對稱的或者非對稱的混合耦合器。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的頻率轉換器，其中天線裝置(205 )具 有圓形的波導耦合輸入裝置(301);并且其中發(fā)射耦合器(206)的第一 輸出端(223 )與用于耦合輸AJL射信號的、圓形的波導耦合輸入裝置(301) 耦合。
4. 才艮據(jù)上述權利要求中任一項所述的頻率轉換器，其中信號生成單 元(217)被實施為用于產(chǎn)生頻率在60 GHz到120 GHz之間的電磁發(fā)射 信號(220 )。
5. 才艮據(jù)上i^C利要求中任一項所述的頻率轉換器，此外包括第二 放大器(207)用于放大接收信號，其中該第二放大器(207)設置在第二 輸出端(214)之后。
6. 根據(jù)上述權利要求中任一項所述的頻率轉換器，所述信號生成單 元(217)包括脈沖發(fā)生器(201),用于生成具有第一頻率的第一電磁信號；本地振蕩器(202)，用于生成具有第二頻率的第二電磁信號；以及第一混頻器(203 )，用于借助本地振蕩器(202 )的第二電磁信號(219 )對脈沖發(fā)生器(201)的第一電磁信號進行頻率轉換；其中第一混頻器(203)被實施用于輸出發(fā)射信號(220)。
7. 根據(jù)權利要求6所述的頻率轉換器，此外包括第二混頻器(208 )， 用于借助本地振蕩器(202)的第三電磁信號(222 )對接收信號進行頻率 轉換。
8. 根據(jù)權利要求1至5中任一項所述的頻率轉換器，所述信號生成 單元(217)包括脈沖發(fā)生器(201)，用于生成具有第一頻率的第一電磁〖信號；以及第一倍增器(403)，用于將脈沖發(fā)生器(201)的第一電磁信號倍增， 以及用于將倍增后的信號作為發(fā)射信號(220)來輸出。
9. 根據(jù)權利要求1至6中任一項所述的頻率轉換器，此外包括第三混頻器(604 )，用于借助本地振蕩器(202 )的第三電磁信號(222 ) 對脈沖發(fā)生器(226)的低頻信號(228)進行頻率轉換，由此形成被頻率 轉換的信號(603 )。
10. 根據(jù)權利要求9所述的頻率轉換器，此外包括:第三放大器(602 )， 用于將被頻率轉換的信號(603)進行放大，以均衡在第三混頻器(604) 中積聚的損耗。
11. 一種用于確定罐中的料位的料位雷達，所^位雷達包括 用于發(fā)射和/或接收電磁波的天線(205);以及 根據(jù)權利要求1至8中任一項所述的頻率轉換器(200 )。
12. —種應用，將根據(jù)權利要求1至8中任一項所述的頻率轉換器 (200)用于料位測量。
13. —種用于為料位雷達進行頻率轉換的方法，所述方法包括以下步生成被頻率轉換的電磁發(fā)射信號(220 ); 放;UL射信號(220);接^L射耦合器(206)的輸入端中的被放大的發(fā)射信號(220); 直接將發(fā)射信號M射耦合器(206)的第一輸出端發(fā)送到天線裝置(205);接^發(fā)射耦合器(206)的第一輸出端中的接收信號；將接收信號M射耦合器(206)的第二輸出端(214 )發(fā)送到接收電 路(216);以及分析接收信號以確定料位'
14. 根據(jù)權利要求13所述的方法，其中生成被頻率轉換的電磁發(fā)射 信號(220)包括借助第一混頻器(203)進行第一頻率轉換。
15. 根據(jù)權利要求13或14所述的方法，其中分析接收信號以確定料 位包括借助第二混頻器(208)進行第二頻率轉換。
16. 根據(jù)權利要求13至15中任一項所述的方法，其中生成電磁發(fā)射 信號(220)包括信號倍增。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供了一種用于料位雷達的頻率轉換器，該頻率轉換器包括信號生成單元、接收電路、發(fā)射耦合器以及放大器。在此，放大器用于在頻率轉換器的高頻側進行發(fā)射信號的放大。為了頻率轉換可以設置混頻器或者倍增器。
文檔編號G01F23/284GK101322016SQ200680045598
公開日2008年12月10日 申請日期2006年12月5日 優(yōu)先權日2005年12月5日
發(fā)明者丹尼爾·舒爾特海斯, 卡爾·格里斯鮑姆, 約瑟夫·費倫巴赫 申請人:Vega格里沙貝兩合公司