CN212908063U - 物位计双工天线射频板、天线结构和天线系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种物位计双工天线射频板、天线结构和天线系统，包括信号传输层，设有接收端口和发射端口；第一金属地层，设在信号传输层的上方，分别设有第一蚀刻部和第二蚀刻部；第二金属地层，设在信号传输层的下方；绝缘层，设在信号传输层、第一金属地层和第二金属地层之间；多个金属过孔，沿接收端口、发射端口、带状线、第一蚀刻部和第二蚀刻部的边缘设置；模式转换器探针，设在信号传输层上且分别位于第三蚀刻部和第四蚀刻部内，分别通过相应的带状线与接收端口和发射端口连接。实现电磁波传输结构由平面结构转换为立体结构，延长物位计天线射频板上的射频器件与高温环境的距离，以满足物位计天线系统的耐高温要求。

Description

物位计双工天线射频板、天线结构和天线系统

技术领域

本实用新型涉及物位计测量技术领域，特别涉及一种物位计双工天线射频板、天线结构和天线系统。

背景技术

近年来，物位计测量技术广泛应用于石油、化工、建筑、矿山等工业生产领域，对于提高产品质量，优化过程控制，实现环境保护具有十分重要的意义。随着自动化进程的加快使各大相关企业对物位计仪表的需求不断提高。物位计分为接触式物位计和非接触式物位计，其中接触式物位计具有稳定性差、测量精度不高、应用场景单一等缺点，而非接触式物位计多为天线式雷达物位计，具有测量精度高、可以满足大型罐体使用、安装灵活、可维护性好等诸多优点，因此在工业生产中得到大范围的应用。其中以调频连续波(FrequencyModulation Continuous Wave，简称FMCW)雷达应用技术最为广泛。相对于脉冲雷达系统，调频连续波雷达由于不存在距离盲区、接收灵敏度高、抗干扰能力强、分辨率高、功率要求小、结构简单等特点而越来越受到重视。

而FMCW雷达物位计也对天线系统有更高的要求，要求系统具有宽频带和以及高增益低旁瓣等要求，在环境适应性方面，高温环境一直是限制雷达物位计使用的难题。如何设计出耐高温、高性能指标的物位计产品一直是物位计设计厂家努力解决的难题。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种物位计双工天线射频板、天线结构和天线系统，能够将沿平面带状线传输的电磁波过渡到波导管，从而实现电磁波传输结构由平面结构转换为立体结构，以满足物位计天线系统的耐高温要求。

第一方面，根据本实用新型实施例的物位计双工天线射频板，包括信号传输层，设置有接收端口和发射端口，所述接收端口和所述发射端口均连接有带状线；第一金属地层，设置在所述信号传输层的上方，所述第一金属地层上分别设置有用作模式转换器接口的第一蚀刻部和第二蚀刻部；第二金属地层，设置在所述信号传输层的下方；绝缘层，设置在所述信号传输层、所述第一金属地层和所述第二金属地层之间；多个金属过孔，沿所述接收端口、所述发射端口、所述带状线、所述第一蚀刻部和所述第二蚀刻部的边缘设置，且分别连接于所述第一金属地层和所述第二金属地层；模式转换器探针，设置在所述信号传输层上且分别位于第三蚀刻部和第四蚀刻部内，所述第三蚀刻部和所述第四蚀刻部分别与所述第一蚀刻部和所述第二蚀刻部适配，所述模式转换器探针分别通过相应的所述带状线与所述接收端口和所述发射端口连接。

根据本实用新型的一些实施例，所述信号传输层和所述第二金属地层之间还设置有第三金属地层，所述第三金属地层上设置有与所述接收端口、所述发射端口和所述带状线对应的第五蚀刻部。

第二方面，根据本实用新型实施例的物位计双工天线结构，包括波导管和上述的物位计双工天线射频板，所述波导管与所述模式转换器接口连接。

根据本实用新型的一些实施例，所述波导管远离所述物位计双工天线射频板的一端设置有馈源喇叭。

根据本实用新型的一些实施例，所述馈源喇叭采用光壁喇叭、波纹喇叭、塞型喇叭或圆波导喇叭。

根据本实用新型的一些实施例，所述波导管采用具有双通道的圆形波导管或矩形波导管。

根据本实用新型的一些实施例，所述波导管的外侧设置有金属壳体，所述金属壳体上安装有透镜天线，所述透镜天线位于所述波导管的远离所述物位计双工天线射频板的一端，且所述透镜天线与所述波导管之间设置有间隙。

根据本实用新型的一些实施例，所述透镜天线采用聚四氟乙烯(PTFE)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)或聚丙烯(PP)制备而成。

第三方面，根据本实用新型实施例的物位计双工天线系统，包括显控模块、信号处理与供电模块以及上述的物位计双工天线结构，所述物位计双工天线射频板上安装有驱动芯片，所述驱动芯片分别与所述接收端口和所述发射端口连接，所述显控模块和所述物位计双工天线射频板分别电连接于所述信号处理与供电模块。

根据本实用新型实施例的一个或多个技术方案，至少具有如下有益效果：在使用时，模式转换接口连接有波导管，接收端口和发射端口分离可以避免发射信号对接收信号的干扰，模式转换器探针将电磁波辐射到第二金属地层后形成反射波，反射波与入射波进行矢量叠加形成良好的匹配，抵消高阶凋落模式贡献的电抗，使入射功率全部耦合到波导管内，达到将沿平面带状线传输的电磁波过渡到波导管的目的，从而实现电磁波传输结构由平面结构转换为立体结构，通过选择合适长度的波导管，可以延长物位计天线射频板与高温环境的距离，降低高温环境对物位计天线射频板上的电路器件的影响，以满足物位计天线系统的耐高温要求。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本实用新型实施例的物位计双工天线射频板的结构分解示意图；

图2为图1示出的物位计双工天线射频板的俯视透视示意图；

图3为本实用新型实施例的物位计双工天线射频结构的剖面结构示意图之一；

图4为本实用新型实施例的物位计双工天线射频结构的剖面结构示意图之一；

图5为本实用新型实施例的物位计双工天线射频系统的剖面结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。

请参照图1，本实施例公开了一种物位计双工天线射频板100，包括信号传输层110、第一金属地层120、第二金属地层130、绝缘层140和多个金属过孔 150，信号传输层110设置有接收端口111a和发射端口111b，本实施例的接收端口111a和发射端口111b分离设置，可以避免发射信号对接收信号的干扰，具有较高的收发隔离度。

第一金属地层120设置在信号传输层110的上方，第一金属地层120上设置有用作模式转换器接口的第一蚀刻部121a和第二蚀刻部121b，模式转换器接口的数量为两个，分别为接收信号和发射信号的模式转换器接口，第二金属地层 130设置在信号传输层110的下方，绝缘层140设置在信号传输层110、第一金属地层120和第二金属地层130之间，金属过孔150沿第一蚀刻部121a、第二蚀刻部121b和带状线112的边缘设置，且分别连接于第一金属地层120和第二金属地层130，通过调整相邻的金属过孔150之间的间距，可以达到理想电壁条件，实现电磁波沿电壁切向方向传输，配合第一金属地层120和第二金属地层 130，可以束缚电磁波的传输方向，防止漏失电磁能力，从而降低损耗，还可以减少物位计双工天线射频板100的表面波干扰，从而提高抗干扰能力。

请参照图1和图2，信号传输层110上还设置有两根模式转换器探针160，两根模式转换器探针160分别位于第三蚀刻部113a和第四蚀刻部113b内，第三蚀刻部113a和第四蚀刻部113b均设置在信号传输层110上，且尺寸和位置均分别与第一蚀刻部121a和第二蚀刻部121b对应，两根模式转换器探针160分别通过相应的带状线112与接收端口111a和发射端口111b连接。使用时，两个模式转换器接口分别连接有波导管210，电磁波通过信号传输层110的带状线112分别传输至接收端口111a和发射端口111b的模式转换器探针160，模式转换器探针160将电磁波辐射到第二金属地层130后形成反射波，反射波与入射波进行矢量叠加形成良好的匹配，抵消高阶凋落模式贡献的电抗，使入射功率全部耦合到波导管210内，达到将沿平面带状线112传输的电磁波过渡到波导管210的目的，从而实现电磁波传输结构由平面结构转换为立体结构，通过选择合适长度的波导管210，可以延长物位计双工天线射频板100与高温环境的距离，降低高温环境对物位计双工天线射频板100上的电路器件的影响，以满足物位计双工天线系统的耐高温要求。

在一些实施例中，物位计双工天线射频板100可以通过覆铜板、半固化片和铜箔压合而成，其中，覆铜板的基材层和压合后的半固化片层均为绝缘层140。通过选择合适厚度的材料，实现模式转换器探针160与第二金属地层130之间的等效距离为波长的1/4，并进行合理的阻抗匹配，可以免去在物位计双工天线射频板100底部额外添加的短路金属件，有利于提高生产效率，以及避免短路金属件因加工精度和装配公差而影响雷达的距离分辨率和灵敏度，有利于提高产品的可靠性。

请参照图1，在另一些实施例中，物位计双工天线射频板100通过上下两块覆铜板以及位于两块覆铜板之间的半固化片压合而成，因此，信号传输层110 和第二金属地层130之间还设置有第三金属地层170，第三金属地层170上设置有与接收端口111a、发射端口111b和带状线112对应的第五蚀刻部171。在工作时，模式转换器探针160辐射的电磁波从第三蚀刻部113a或第四蚀刻部113b 对应的第五蚀刻部171穿过第三金属地层170，从而到达第二金属地层130，并经过第二金属地层130发射后形成反射波，反射波与入射波矢量叠加形成良好的匹配，抵消高阶凋落模式贡献的电抗，使入射功率全部耦合到波导管内。值得理解的是，第一蚀刻部121a、第二蚀刻部121b、第三蚀刻部113a、第四蚀刻部113b 和第五蚀刻部171均可在PCB生产时通过蚀刻铜皮而得到。通过调整模式转换器探针160的端口阻抗以及模式转换器探针160位于第三蚀刻部113a或第四蚀刻部113b内的长度，可以实现模式匹配的调整，从而获得良好的电气性能。

请参照图3，本实用新型实施例还公开一种物位计双工天线结构，包括波导管210和上述的物位计双工天线射频板100，波导管210与模式转换器接口连接，其中波导管210内壁的尺寸与模式转换器接口的尺寸相同，以避免电磁波泄露。物位计双工天线射频板100将平面带状线112传输的电磁波过渡到波导管210，从而实现电磁波传输结构由平面结构转换为立体结构，通过选择合适长度的波导管210，可以延长物位计双工天线射频板100与高温环境的距离，降低高温环境对物位计双工天线射频板100上的电路器件的影响，以满足物位计双工天线系统的耐高温要求。

在一些实施例中，根据性能需要选择具有开口的波导管210作为接收与发射馈源，在另一些实施例中，波导管210远离物位计双工天线射频板100的一端设置有馈源喇叭(为图示)，并以馈源喇叭作为接收与发射馈源，具体的，馈源喇叭采用光壁喇叭、波纹喇叭、塞型喇叭或圆波导喇叭。

请参照图3，在一些实施例中，波导管210可以采用两根独立的波导管210，两根波导管210分别连接于接收信号和发射信号的两个模式转换器接口，在另一些实施例中，波导管210采用具有双通道的圆形波导管或矩形波导管，即在同一根波导管210中，具有两个平行的电磁波传输通道，结构紧凑，有利于减少装配零件的数量。

请参照图4，波导管210的外侧设置有金属壳体230，金属壳体230上安装有透镜天线240，透镜天线240位于波导管210的远离物位计双工天线射频板100 的一端，且透镜天线240与波导管210之间设置有间隙241。本实施例利用透镜天线240偏离焦点不会导致大的增益跌落以及不会导致大的主波束角度偏离的特性，使接收信号的波导管210和发射信号的波导管210共用透镜天线240，通过波导管210与透镜天线240的良好锥削匹配，可以实现65％的辐射效率，35dB 的天线收发隔离度的优良性能。金属壳体230与波导管210之间还设置由缝隙 231，波导管210通过缝隙231与外部冷空气进行热量交换，从而达到散热的目的。

透镜天线240采用聚四氟乙烯(PTFE)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT) 或聚丙烯(PP)制备而成。其中，采用聚四氟乙烯制成的透镜天线240具有耐高温特性，可在250℃的高温环境下工作。

请参照图5，本实用新型实施例还公开一种物位计双工天线系统，包括显控模块310、信号处理与供电模块320以及上述的物位计双工天线结构，物位计双工天线射频板100上安装有驱动芯片，驱动芯片可采用市面上现有的MMIC (Monolithic MicrowaveIntegrated Circuit，单片微波集成电路)芯片，驱动芯片分别与物位计双工天线射频板100的接收端口111a和发射端口111b连接，显控模块310和物位计双工天线射频板100分别电连接于信号处理与供电模块320，其中显控模块310以及信号处理与供电模块320均可采用现有的集成模块。本实施例的物位计双工天线系统的波段属于W波段，而W波段的驱动芯片具有体积小的优点，采用双天线馈源也不会过多的占用物位计双工天线射频板100的面积。

请参照图1至图5，在使用时，接收端口111a和发射端口111b分离可以避免发射信号对接收信号的干扰，模式转换器探针160将电磁波辐射到第二金属地层130后形成反射波，反射波与入射波进行矢量叠加形成良好的匹配，抵消高阶凋落模式贡献的电抗，使入射功率全部耦合到波导管210内，达到将沿平面带状线112传输的电磁波过渡到波导管210的目的，从而实现电磁波传输结构由平面结构转换为立体结构，通过选择合适长度的波导管210，可以延长物位计天线射频板、显控模块310和信号处理与供电模块320等电气部分与高温环境的距离，降低高温环境对物位计天线射频板上的电路器件的影响，以满足物位计天线系统的耐高温要求。

上面结合附图对本实用新型实施例作了详细说明，但是本实用新型不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (9)

1.一种物位计双工天线射频板(100)，其特征在于，包括：

信号传输层(110)，设置有接收端口(111a)和发射端口(111b)，所述接收端口(111a)和所述发射端口(111b)均连接有带状线(112)；

第一金属地层(120)，设置在所述信号传输层(110)的上方，所述第一金属地层(120)上分别设置有用作模式转换器接口的第一蚀刻部(121a)和第二蚀刻部(121b)；

第二金属地层(130)，设置在所述信号传输层(110)的下方；

绝缘层(140)，设置在所述信号传输层(110)、所述第一金属地层(120)和所述第二金属地层(130)之间；

多个金属过孔(150)，沿所述接收端口(111a)、所述发射端口(111b)、所述带状线(112)、所述第一蚀刻部(121a)和所述第二蚀刻部(121b)的边缘设置，且分别连接于所述第一金属地层(120)和所述第二金属地层(130)；

模式转换器探针(160)，设置在所述信号传输层(110)上且分别位于第三蚀刻部(113a)和第四蚀刻部(113b)内，所述第三蚀刻部(113a)和所述第四蚀刻部(113b)分别与所述第一蚀刻部(121a)和所述第二蚀刻部(121b)适配，所述模式转换器探针(160)分别通过相应的所述带状线(112)与所述接收端口(111a)和所述发射端口(111b)连接。

2.根据权利要求1所述的物位计双工天线射频板(100)，其特征在于，所述信号传输层(110)和所述第二金属地层(130)之间还设置有第三金属地层(170)，所述第三金属地层(170)上设置有与所述接收端口(111a)、所述发射端口(111b)和所述带状线(112)对应的第五蚀刻部(171)。

3.一种物位计双工天线结构，其特征在于，包括波导管(210)和权利要求1或2所述的物位计双工天线射频板(100)，所述波导管(210)与所述模式转换器接口连接。

4.根据权利要求3所述的物位计双工天线结构，其特征在于，所述波导管(210)远离所述物位计双工天线射频板(100)的一端设置有馈源喇叭。

5.根据权利要求4所述的物位计双工天线结构，其特征在于，所述馈源喇叭采用光壁喇叭、波纹喇叭、塞型喇叭或圆波导喇叭。

6.根据权利要求3至5任意一项所述的物位计双工天线结构，其特征在于，所述波导管(210)采用具有双通道的圆形波导管或矩形波导管。

7.根据权利要求3至5任意一项所述的物位计双工天线结构，其特征在于，所述波导管(210)的外侧设置有金属壳体(230)，所述金属壳体(230)上安装有透镜天线(240)，所述透镜天线(240)位于所述波导管(210)的远离所述物位计双工天线射频板(100)的一端，且所述透镜天线(240)与所述波导管(210)之间设置有间隙(241)。

8.根据权利要求7所述的物位计双工天线结构，其特征在于，所述透镜天线(240)采用聚四氟乙烯(PTFE)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)或聚丙烯(PP)制备而成。

9.一种物位计双工天线系统，其特征在于，包括显控模块(310)、信号处理与供电模块(320)以及权利要求4至8任意一项所述的物位计双工天线结构，所述物位计双工天线射频板(100)上安装有驱动芯片，所述驱动芯片分别与所述接收端口(111a)和所述发射端口(111b)连接，所述显控模块(310)和所述物位计双工天线射频板(100)分别电连接于所述信号处理与供电模块(320)。

Images