DE102020103978A1

DE102020103978A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Transmissionsmessung von reflektierten Mikrowellen

Info

Publication number: DE102020103978A1
Application number: DE102020103978.6A
Authority: DE
Inventors: Ewa Felber
Original assignee: TEWS Elektronik GmbH and Co KG
Current assignee: TEWS Elektronik GmbH and Co KG
Priority date: 2020-02-14
Filing date: 2020-02-14
Publication date: 2021-08-19
Also published as: JP7472295B2; KR20220137677A; US20230341338A1; CN115135997A; WO2021160387A1; EP4103935A1; JP2023526569A

Abstract

Vorrichtung zur Transmissionsmessung eines Messobjekts durch Messung und Auswertung von reflektierten Mikrowellen, die folgendes aufweist:
• Einen Mikrowellengenerator,
• Eine Sende- und Empfangseinheit, die mit dem Mikrowellengenerator verbunden ist und Mikrowellenstrahlung auf das Messobjekt sendet und reflektierte Strahlung) von diesem empfängt,
• einen Reflektor auf einer von der Sende- und Empfangseinheit abgewandten Seite des Messobjekts, der einen Polarisator aufweist, der die Polarisation der reflektierten Strahlung gegenüber der einfallenden Strahlung dreht und
• einen Modulator für die Sende- und Empfangseinheit, der eine Amplitude und/oder Phasenlage zwischen ausgesendeter und reflektierter Strahlung bestimmt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Transmissionsmessung mit reflektierten Mikrowellen.
Das Messverfahren beruht darauf, dass physikalische Parameter eines Objekts mit Hilfe von transmittierter Mikrowellenstrahlung bestimmt werden. Die Mikrowellen treten in das Messobjekt ein und werden an diesem oder an einem Reflektor auf der Rückseite des Messobjekts reflektiert.
Das bekannte Messverfahren wird beispielhaft in EP 1 407 254 B1 beschrieben. Das Messverfahren wird für eine Reihe von Messobjekten, wie beispielsweise Holz, Tabak und Lebensmittel eingesetzt, um den Feuchtegehalt zu bestimmen. Eine genaue Kenntnis des Feuchtegehalts ist für den Ablauf des Produktionsprozesses oftmals wichtig und erlaubt eine zuverlässige Steuerung der Ausgangsqualität für das Produkt.
Das der Messung zugrundeliegende physikalische Prinzip beruht auf der komplexwertigen relativen Permittivität des Messobjekts. Über die Kramers-Kronig-Relation kann beispielsweise der Zusammenhang zwischen der komplexen Permittivität und optischen Kenngrößen, wie Brechungsindex und Absorptionskoeffizient dargestellt werden. Grob gesprochen, ergeben sich die dielektrischen Eigenschaften eines Materials dahingehend, dass der Realteil der komplexen Permittivität die Fähigkeit eines Materials zur Speicherung von elektrischer Energie bezeichnet und der Imaginärteil einen Verlust von dielektrischer Energie in dem Medium beschreibt. Durch Messung dieser beiden Größen kann der Wassergehalt und die Dichte des Materials sehr genau bestimmt werden.
Grundsätzlich können auch andere Stoffe als Wasser in dem Messobjekt ausgewertet werden.
Allgemein hat sich für die Messung bewährt, einen Reflektor für die transmittierte Strahlung vorzusehen. Diese Strahlung wird nach Durchtritt durch das Medium von dem Reflektor zu einer Empfangsantenne zurückgeworfen. Hierfür ist vorgesehen, einen Lambda-1/4-Polarisator oder genauer einen ¼ * (2n + 1)(n∈ℕ)-Lambda-Polarisator zu verwenden, mit dem die Polarisation der reflektierten Strahlung gegenüber der der einfallenden Strahlung gedreht wird. Auf diese Weise ist es möglich, zwischen der an der Oberfläche des Messobjekts reflektierten Strahlung und der nach dem Durchtritt durch das Messobjekt reflektierten Strahlung zu unterscheiden, da diese eine unterschiedliche Polarisation besitzen.
Aus dem bereits erwähnten Dokument EP 1 407 254 B1 ist eine Anordnung und ein Messverfahren bekannt, bei dem mit zwei Antennen eingearbeitet wird. Eine Sendeantenne richtet die ausgesendete Mikrowellenstrahlung auf das Messobjekt, während eine zweite, hiervon unabhängige Empfangsantenne die reflektierte Strahlung empfängt und für eine Analyse weiterleitet. Ein solcher Aufbau mit zwei Antennen ist erforderlich, da bei der Verwendung von nur einer Antenne es zu einem Übersprechen zwischen Antenneneingang und -ausgang kommt, durch das die reflektierte Strahlung verfälscht wird. Dieses Übersprechen zwischen Eingang und Ausgang der Antennen macht einen kostspieligen Aufbau mit zwei getrennten Antennen notwendig.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Messverfahren bereitzustellen, die einen möglichst einfacheren Aufbau benötigen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Transmissionsmessung mit den Merkmalen aus Anspruch 1 und ein Verfahren zur Transmissionsmessung mit den Merkmalen aus Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen bilden den Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorgesehen und bestimmt zur Transmissionsmessung eines Messobjekts. Die Vorrichtung misst von dem Messobjekt reflektierte Mikrowellen, sei es die an der Oberfläche oder nach dem Durchtritt durch das Messobjekt reflektierten Mikrowellen. Die reflektierten Mikrowellen werden gemessen und ausgewertet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt einen Mikrowellengenerator, der Mikrowellen mit einer vorgestellten Frequenz oder in einem vorbestimmten Frequenzband zur Verfügung stellt. Es kann mit einer festen oder einer mit der Zeit veränderlichen Frequenz gearbeitet werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt ferner eine Sende- und Empfangseinheit, die mit dem Mikrowellengenerator verbunden ist und Mikrowellenstrahlung auf das Messobjekt sendet und reflektierte Strahlung von diesem empfängt. Die Sende- und Empfangseinheit besitzt bevorzugt eine auf das Messobjekt gerichtete Richtungscharakteristik, die es erlaubt, große Anteile der anliegenden Mikrowellen auf das Messobjekt zu richten. Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt ferner einen Reflektor auf einer von der Sende- und Empfangseinheit abgewandten Seite des Messobjekts, der einen Polarisator aufweist, mit dem die Polarisation der reflektierten Strahlung gegenüber der einfallenden Strahlung gedreht wird. Der Polarisator dient durch die Drehung bzw. durch die Veränderung der Polarisation dazu, die am Polarisator bzw. Reflektor zurückgeworfene Mikrowellenstrahlung von anderer Strahlung, insbesondere von an der Oberfläche des Messguts reflektierter Strahlung zu unterscheiden. Ferner besitzt die Vorrichtung einen Modulator für die Sende- und Empfangseinheit, der eine Amplitude und eine Phasenlage zwischen ausgesendeter und reflektierter Strahlung bestimmt. Der Modulator erlaubt den Vergleich zwischen der durch das Messobjekt hindurchgetretenen Strahlung und der ausgesendeten Strahlung. Auf diese Art und Weise kann sowohl die Dämpfung als auch die Verschiebung der Strahlung erfasst werden und damit in an sich bekannter Weise auf die komplexe, relative Permittivität und somit auf Größen im Messobjekt, wie beispielsweise Feuchte und Dichte, zurückgerechnet werden.
Die erfindungsgemäße Verwendung eines Modulators erlaubt es, die Signale hinreichend genau zu trennen. Hierin ist ein großer Vorteil gegenüber der im Stand der Technik verwendeten Lösung zu sehen, bei der ein Signalpfad mit einem Dämpfungselement und einem Phasenschieber vorgesehen ist, um die Charakteristik dieses Kanals genau an die Charakteristik des Messkanals anzupassen (vergleiche beispielsweise [0030], EP 1 407 254 B1 ).
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist bevorzugt so ausgebildet, dass die Sende- und Empfangseinheit eine gemeinsame Antenne aufweist. Eine gemeinsame Antenne verdeutlicht den Aufwand, der hardwaretechnisch und auch auswertetechnisch für diese Vorrichtung erforderlich ist. Die Verwendung eines Modulators und insbesondere eines Q/I-Modulators erlaubt es, das Übersprechen zwischen Eingangs- und Ausgangssignal bei der Verwendung einer gemeinsamen Antenne zu unterdrücken. Der Q/I-Modulator, auch als Q/I-Demodulator bezeichnet, erlaubt es, die Phase Φ und die Amplitude A aus den I/Q-Signalen zu berechnen. Diese I/Q-Signale sind die Ausgangssignale von zwei Mischern, die in Quadratur zueinander stehen. Dies führt dazu, dass die I/Q-Ausgänge des Q/I-Modulators eine Phasenverschiebung von 90° aufweisen, so dass die Phasenlage und/oder die Amplitude aus den I/Q-Signalen bevorzugt über weite Bereiche, unabhängig vom Arbeitspunkt, bestimmt werden können. Das Übersprechen führt zu einem Gleichstrom-Offset der I/Q-Signale, das sich bei einer ersten Kalibration des Systems messen und beseitigen lässt.
In einer bevorzugten Weiterbildung liegt an dem Modulator ein Referenzsignal an, das aus dem Mikrowellengenerator stammt, genau wie das Signal für die Sende- und Empfangseinheit.
Weiter bevorzugt weist der Mikrowellengenerator einen Oszillator auf, dessen Signal an einem Splitter anliegt, dessen Ausgangssignale als Referenzsignale und als Eingangssignale für die Sende- und Empfangseinheit dienen. Ferner ist bevorzugt für das Referenzsignal und/oder das Eingangssignal zur Sende- und Empfangseinheit eine Phasenregelschleife (PLL) vorgesehen, die eine stabile Frequenz bereitstellt. Bevorzugt wird ein Oszillator für zwei Phasenregelschleifen eingesetzt, damit deren Signale phasensynchron laufen. Bevorzugt kann auch eine Signalaufbereitung für das Referenzsignal und/oder für das Eingangssignal der Sende- und Empfangseinheit vorliegen. Mit der Signalaufbereitung können in jedem Kanal oder in nur einem Kanal die Signale im Hinblick auf Amplitude, Frequenz und Phasenlage aufbereitet werden. Die Signalaufbereitung besitzt hierzu eine oder mehrere der folgenden Baugruppen: Verstärker, Tiefpass und Dämpfer. Bevorzugt sind in dem Fall, dass zwei Signalaufbereitungen vorgesehen sind.
Zusätzlich kann ein Phasenschieber für das Referenzsignal und/oder das Eingangssignal der Sende- und Empfangseinheit vorgesehen sein. Der Phasenschieber kann als ein separates Bauteil vorgesehen oder die gewünschte Phasenverschiebung wird auf digitale Art und Weise in der Phasenregelschleife eingestellt. Dieser Phasenschieber kann beispielsweise bei einer erstmaligen Kalibrierung der Vorrichtung so eingestellt werden, damit die Offsets der 1 und Q Signale, die vom Übersprechen zwischen dem Ein- und Ausgang der Mikrowellenantenne stammen, zu vermindern/reduzieren und/oder gleich zu halten. Dadurch kann das Übersprechen einfacher entfernt werden.
Der Reflektor, der unter Phasendrehung die einfallende Mikrowellenstrahlung reflektiert, ist bevorzugt als eine ¼ (2n + 1)-Lambda-Wellenplatte ausgebildet. Eine solche Wellenplatte wird oft auch kurz als Lambda-1/4-Reflektor bezeichnet. Durch den Reflektor, wird die Phasenlage um 90° gegenüber der einfallenden Phase gedreht, was eine maximale Trennschärfe der Phasenlage mit sich bringt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Q/I-Modulator zwei Mischer auf, die in Quadratur zueinander stehen. Diese Mischer werden jeweils über ein Eingangssignal gespeist, wobei an einem der Mischer ein um 90° phasenverschobenes Signal anliegt. Auf diese Weise erzeugen die Mischer zwei um 90° gegeneinander verdrehte Signale, die an den über ein Eingangssignal gespeisten Mischern anliegen.
In einer bevorzugten Weiterbildung erzeugt der Q/I-Modulator unabhängig vom Arbeitspunkt, zuverlässig Werte für I- und Q-Signale, die in Phase und Amplitude umgerechnet werden.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls durch ein Verfahren zur Transmissionsmessung eines Messobjekts gelöst. Das Verfahren misst und wertet reflektierte Mikrowellen aus. Hierzu wird Mikrowellenstrahlung auf das Messobjekt gesendet und reflektierte Strahlung von diesem mit einer Antenne empfangen. Die Polarisation der reflektierten Strahlung wird nach Durchlaufen des Messobjekts gegenüber der einfallenden Strahlung gedreht und die reflektierte Strahlung wird empfangen, wobei Amplitude und/oder Phasenlage zwischen ausgesendeter und reflektierter Strahlung bestimmt werden. Der besondere Punkt ist, dass das Senden der Mikrowellenstrahlen und Empfangen der reflektierten Mikrowellenstrahlung von einer Sende- und Empfangseinheit erfolgt. Amplitude und/oder Phasenlage der reflektierten Strahlung wird in einem Q/I-Modulator bestimmt, wobei bevorzugt dazu ein Referenzsignal für den Q/I-Modulator anliegt. Das Referenzsignal und das Signal der reflektierten Strahlung erlauben es dem Q/I-Modulator, die Veränderung in Amplitude und/oder Phase der reflektierten Strahlung genau zu bestimmen.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe einiger Figuren näher beschrieben. Es zeigen:

1 eine Sende- und Empfangseinheit, die auf ein Messobjekt gerichtet ist,
2 die gesamte Messvorrichtung in einer schematischen, stark vereinfachten Ansicht,
3 eine detailliertere Ansicht der Messvorrichtung aus 2,
4a, b die Funktionsweise eines I/Q-Demodulators,
5 die Signalwege bei einer Messung mit zwei Antennen im Stand der Technik,
6 der Verlauf der Strahlung durch das Messobjekt und den Reflektor,
7a, b unterschiedliche Wege für den Strahlenverlauf zwischen Sende- und Empfangseinheit, Messgut und Reflektor.

1 zeigt eine Sende- und Empfangseinheit 10, die eine Mikrowellenstrahlung 12 auf ein Messobjekt 14 richtet. Die einfallende Mikrowellenstrahlung 12 wird an einem Reflektor 16 reflektiert und als reflektierte Strahlung 18 von der Sende- und Empfangseinheit empfangen. Eingangssignale 20 und Ausgangssignale 22 sind mit der Antenne (nicht dargestellt) der Sende- und Empfangseinheit 10 verbunden. Zwischen dem Eingang 20 und dem Ausgang 22 findet wie durch den Pfeil 24 angedeutet, ein Übersprechen der Signale statt. Dies bedeutet, dass die Eingangssignale direkt einen Beitrag zu den gemessenen Ausgangssignalen leisten. Bei der eingesetzten Antenne in der Sende- und Empfangseinheit 10 handelt es sich um eine Antenne, die eine sehr gute Richtcharakteristik besitzt, so dass viel von dem Signal in Richtung Messgut abgestrahlt wird und ein Übersprechen 24 relativ klein ist. Wäre das Übersprechsignal 24 dagegen groß, dann wäre es ein Problem bei der Digitalisierung. Das große Offset würde in einem solchen Fall die Bits des AD-Wandlers ausfüllen und dadurch deren Verfügbarkeit für das Messsignal beeinträchtigen und so die gesamte erzielbare Genauigkeit reduzieren.
2 zeigt die Sende- und Empfangseinheit 10 mit dem Reflektor 16. 2 zeigt einen Oszillator 26, dessen Ausgangssignal 28 an einem Splitter 30 anliegt. Der Splitter 30 teilt das anliegende Ausgangssignal 28 und legt ein Referenzsignal 32 an den Q/I-Modulator bzw. Q/I-Demodulator 34 an. Das zweite Ausgangssignal des Splitters 30 liegt als Eingangssignale 36 an der Sende- und Empfangseinheit 10 an. Die Antenne der Sende- und Empfangseinheit 10 sendet das anliegende Eingangssignale 36 als Mikrowellenstrahlung 12 aus und empfängt auch die reflektierte Mikrowellenstrahlung 18. Über den Ausgangsanschluss liegt ein Eingangssignal 40 an dem Q/I-Demodulator 34 an. Der Demodulator, dessen Funktionsweise nachfolgend noch erklärt wird, erzeugt ein Q-Signal 42 und ein I-Signal 44.
3 zeigt den Aufbau aus 2 für die Sende- und Empfangseinheit 10 weiter im Detail. Der Oszillator 26 sowie Splitter 30 können im Detail aufgebaut sein aus einem Referenzoszillator 46, der zwei PLL (Phasenregelschleifen) 48a, 48b speist. Die Phasenregelschleifen 48a, 48b werden auch als „phase locked loop“ bezeichnet und erzeugen, ausgehend von dem Referenzoszillator 46, zwei synchronisierte Schwingungen, was den beiden Ausgangssignalen des Splitters in 2 entspricht. 3 zeigt zusätzlich in dem zu der Sende- und Empfangseinheit führenden Pfad einen Phasenschieber 50, der beispielsweise in die Phasenregelschleife mit eingebaut sein kann. Der Phasenschieber 50 kann in eine oder beide Phasenregelschleifen 48a, 48b mit integriert sein. Aufgabe des Phasenschiebers 50 ist es, bei einer Einstellung bzw. Kalibrierung der Vorrichtung ein Offset zwischen den Q- und I-Signalen zu reduzieren, womit auch aus dem Übersprechen stammende Signalanteile reduziert werden.
3 zeigt ferner eine Signalaufbereitung 52a und 52b, die jeweils aus einem Verstärkungsglied 54, einem Tiefpassfilter 56 und einem Dämpfungsglied 58 bestehen. Die Signalaufbereitungen 52a und 52b können grundsätzlich unterschiedlich ausgebildet sein. Die aufbereiteten Signale liegen als Referenzsignal 32 und als Eingangssignal 40 an dem Q/I-Demodulator 34 an, um das Q- und das I-Signal 42, 44 zu erzeugen.
Der Q/I-Demodulator 34 wird mit Bezug auf die 4a, b näher erläutert. 4a zeigt ein Eingangssignal 60, das in einem Splitter 62 in zwei Signale geteilt wird, die an dem Mischer 64 und 66 anliegen. Das Signal für die Mischer 64 wird im Splitter 62 mit einem Phasenschieber 74 um 90° verschoben, ein solcher Splitter wird auch als Quadratur-Hybrid-Splitter bezeichnet. An dem zweiten Eingang der beiden Mischer 64, 66 liegt ein Referenzsignal RF an, das in einem Splitter 69 in die Referenzsignale 68 und 70 aufgeteilt wird. Die Mischer 66 und 64 geben das I- und Q-Signal aus. 4b zeigt die beiden um 90° gegeneinander verschobenen I- und Q-Signale, die zur weiteren Auswertung herangezogen werden können.
5 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung aus dem Stand der Technik gemäß EP 1 407 254 B1 . Demnach ist ein Schalter 115 vorgesehen, mit dem eine Mikrowellenquelle 100 geschaltet wird.
Der Schalter 115 definiert die mittlere Frequenz einer sich linear mit der Zeit ändernden Mikrowellenquelle 100. Ein Koppler 102 teilt das Signal in jeweils 50 % auf. Über den Referenzzweig läuft das Referenzsignal 108a zu einer Dämpfer- und Phasenschiebeeinrichtung 103, deren Ausgang als Referenzsignal 108b an dem Empfänger 101 anliegt. Die Phasenschiebeeinrichtung 103 kompensiert sowohl bei einer Leermessung als auch bei einer Messung mit Messgut die Unterschiede gegenüber dem gemessenen Signal 110b. Bevorzugt werden die Kompensationswerte miteinander verglichen, um eine Signaländerung durch das Messgut zu ermitteln. Ein Messsignal 110a geht an eine Sendeantenne 104, von wo aus es auf die Probe bzw. das Messobjekt 114 trifft. Hier trifft es dann auf einen Polarisator 116, um als reflektiertes Mikrowellensignal auf die Empfängerantenne 106 zu treffen, von wo aus es an dem Receiver 108 anliegt. Deutlich zu erkennen ist, dass sowohl eine Sendeantenne 104 als auch eine Empfängerantenne 106 vorzusehen ist.
6 zeigt den Gang der Mikrowellenstrahlung im Detail. Die Sende- und Empfangseinheit 10 sendet Mikrowellenstrahlung aus, die zunächst eine Strecke in der Luft zurücklegt, bevor sie durch das Messgut 14 tritt. Das Messgut 14 liegt auf einem Reflektor 16, der wiederum aus mindestens drei Schichten aufgebaut ist. Ein Polarisator 76, der beispielsweise aus parallelen elektrisch leitenden Metallstäben/- fäden besteht, einem Abstandshalter 78 und einer Metallplatte 80, an der die Reflektion der durchgetretenen Mikrowellenstrahlung erfolgt. Die Phasendrehung erfolgt hierbei mit dem Durchtritt durch den Polarisator 76.
Das Verhalten des Signals an dem Reflektor tritt beispielsweise als eine Lambda-1/4-Drehung auf. Die auftretende Polarisation der einfallenden Mikrowellenstrahlung kann zu jedem Zeitpunkt in eine Komponente quer und längs der Gitterrichtung des Polarisators zerlegt werden. Die Komponente parallel zu den Streifen wird mit einem Reflexionskoeffizienten von -1, d. h. um 180° gedreht zurückgeworfen. Die Komponenten senkrecht zu dem Polarisator dagegen sehen diesen nicht. Dieser Teil der Strahlung wird dann an der Metallplatte mit einer herkömmlichen Phasenumkehr von 180° reflektiert. Aus diesem Zusammenhang ergibt sich insgesamt eine Änderung der Polarisation um 90°.
7 zeigt mögliche Signalwege der Mikrowellenstrahlung, die für eine Auswertung zu berücksichtigen sind. Die Anwendung II zeigt hierbei den Signalweg von einem einfallenden Strahl 82 und einem zurückgeworfenen Strahl 84. In dem Beispiel II sind einfallender Mikrowellenstrahl 82 und reflektierter Mikrowellenstrahl 84 räumlich voneinander beabstandet dargestellt. Hierdurch soll angedeutet werden, dass die Darstellung II eine Überlagerung von mehreren Transmissionswegen ist, bei denen die Mikrowellenstrahlung auch innerhalb des Messgutes noch einmal vor- und zurücklaufen kann, bevor sie insgesamt zu der Sende- und Empfangseinheit 10 zurückgeworfen wird.
IVA und IVB zeigen den Fall der Reflexion der Mikrowellenstrahlung an der Sende- und Empfangseinheit 10. Die einfallende Mikrowellenstrahlung wird zunächst einmal innerhalb des Messguts reflektiert, bevor sie aus diesem Austritt, an der Sende- und Empfangseinheit 10 reflektiert wird, um schließlich als Messstrahl empfangen und ausgewertet zu werden. Variante 4b zeigt die Alternative, bei der zunächst der reflektierte Mikrowellenstrahl an der Sende- und Empfangseinheit 10 reflektiert und zurückgeworfen wird, um anschließend innerhalb des Messguts hin und her geworfen und schließlich von Sende- und Empfangseinheit empfangen zu werden. Wie stets bei solchen Betrachtungen üblich, ist der tatsächliche Signalverlauf des gemessenen Signals selbstverständlich eine Überlagerung aller möglichen Verläufe.
Zur Verbesserung der erfindungsgemäß vorgesehenen Vorrichtung kann eine entsprechende Dämpfung an der Sende- und Empfangseinheit 10 vorgesehen sein, die eine Reflexion der Mikrowellenstrahlung von dieser zum Messgut hin und zurück dämpft. Auf diese Weise wird die Qualität des Messsignals verbessert.
Die Auswertung des Q-Signals 42 und des I-Signals 44 kann direkt separat im Hinblick auf die Amplitude A und die Phase Φ erfolgen. Es gilt: $A = \sqrt{I^{2} + Q^{2}} φ = a r c t g \frac{Q}{I}$
Qualitativ kann die Unabhängigkeit des Q/I-Signals vom Arbeitspunkt leichter eingesehen werden, wenn man betrachtet, dass bei einer sinkenden Leistung die Amplitude des detektierten Signals sinkt und somit auch die Amplitude der Signale I und Q sinken. Indem diese im gleichen Maße sinken, bleiben der Quotient und damit der Phasenwinkel Φ konstant.
Die wesentliche Verbesserung tritt durch die Verwendung der Sende- und Empfangseinheit 10 mit der Verwendung einer einzelnen, dual polarisierten Antenne ein. Erfindungsgemäß ist hier eine Polarisationsdrehung vorgesehen, um die reflektierten Signale zu empfangen. Da die Übersprechsignale, die zwischen Eingang und Ausgang der Signale anliegen, ein Gleichstrom-Offset bilden, kann dies beim anfänglichen Kalibrieren des Systems eingestellt werden.
Bezugszeichenliste

10: Sende- und Empfangseinheit
12: Mikrowellenstrahlung
14: Messobjekt
16: Reflektor
18: reflektierte Mikrowellenstrahlung
20: Eingangs signal
22: Ausgangssignal
24: Pfeil / Übersprechen / Übersprechsignal
26: Oszillator
28: Ausgangssignal
30: Splitter
32: Referenzsignal
34: Q/I-Demodulator
36: Eingangs signal
40: Eingangs signal
42: Q-Signal
44: I-Signal
46: Referenzoszillator
48a,b: Phasenregelschleifen
50: Phasenschieber
52a,b: Signalaufbereitung
54: Verstärkungsglied
56: Tiefpassfilter
58: Dämpfungsglied
60: Eingangs signal
62: Splitter
64: Mischer
66: Mischer
68: Referenzsignal
69: Splitter
70: Eingangs signal
72: Referenzoszillator
74: Phasenschieber
76: Polarisator
78: Abstandshalter
80: Metallplatte
82: einfallender Mikrowellenstrahl
84: zurückgeworfener Mikrowellenstrahl
100: Mikrowellenquelle
102: Koppler
103: Dämpfer- und Phasenverschiebungseinrichtung
104: Sendeantenne
106: Empfängerantenne
108: Receiver
108a: Referenzsignal
110a: Messsignal
110b: Messsignal
114: Messobjekt
115: Schalter
116: Polarisator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1407254 B1 [0003, 0007, 0012, 0027]

Claims

Vorrichtung zur Transmissionsmessung eines Messobjekts (14) durch Messung und Auswertung von reflektierten Mikrowellen (18), die folgendes aufweist: • Einen Mikrowellengenerator, • Eine Sende- und Empfangseinheit (10), die mit dem Mikrowellengenerator verbunden ist und Mikrowellenstrahlung auf das Messobjekt (14) sendet und reflektierte Strahlung (18) von diesem empfängt, • einen Reflektor (16) auf einer von der Sende- und Empfangseinheit (10) abgewandten Seite des Messobjekts (14) , der einen Polarisator (76) aufweist, der die Polarisation der reflektierten Strahlung (18) gegenüber der einfallenden Strahlung dreht und • einen Modulator für die Sende- und Empfangseinheit (10), der eine Amplitude und/oder Phasenlage zwischen ausgesendeter und reflektierter Strahlung bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende- und Empfangseinheit (10) eine gemeinsame Antenne aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Modulator als ein Q/I-Modulator (34) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Modulator ein Referenzsignal (32) anliegt, das aus dem Mikrowellengenerator stammt wie das Signal für die Sende- und Empfangseinheit (10).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrowellengenerator einen Oszillator (26) aufweist, dessen Signal an einem Splitter (30) anliegt, dessen Ausgangssignale (22) als Referenzsignal (32) und als Eingangssignale (20) für die Sende- und Empfangseinheit (10) dienen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Phasenregelschleife (PLL) (48a, 48b) für das Referenzsignal (32) und/oder das Eingangssignal der Sende- und Empfangseinheit (10) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Signalaufbereitung für das Referenzsignal (32) und/oder das Eingangssignal der Sende- und Empfangseinheit (10) vorliegt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalaufbereitung eine oder mehrere der folgenden Baugruppen aufweist: Verstärker (54), Tiefpass (56) und Dämpfer (58).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Phasenschieber (50) für das Referenzsignal und/oder das Eingangssignal (20) der Sende- und Empfangseinheit (10) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (16) eine 1/4 (2n + 1)-Lambda-Wellenplatte aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Q/I-Modulator (34) zwei Mischer (64, 66) aufweist, die in Quadratur zu einander stehen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Q/I-Modulator Phase und/oder Amplitude der Signale unabhängig vom Arbeitspunkt bestimmen.
Verfahren zur Transmissionsmessung eines Messobjekts (14) durch Messung und Auswertung von reflektierten Mikrowellen (18), die folgendes aufweist: • Mikrowellenstrahlung wird von einer Sende- und Empfangseinheit (10) auf das Messobjekt (14) gesendet und reflektierte Strahlung von diesem mit einer Antenne (106) empfangen, • die Polarisation der reflektierten Strahlung wird nach Durchlaufen des Messobjekts (14) gegenüber der einfallenden Strahlung gedreht und • die reflektierte Strahlung wird empfangen und die Amplitude und/oder Phasenlage zwischen ausgesendeter und reflektierter Strahlung wird bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude und/oder die Phasenlage der reflektierten Strahlung wird in einem Q/I-Modulator (34) bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Referenzsignal für den Q/I Modulator (34) erzeugt wird, das mit der reflektierten Strahlung an diesem anliegt.