WO2014006148A1 - Gasdichte hohlleitereinkopplung, hochfrequenzmodul, füllstandradar und verwendung - Google Patents

Gasdichte hohlleitereinkopplung, hochfrequenzmodul, füllstandradar und verwendung Download PDF

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WO2014006148A1
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Daniel Schultheiss
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    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/284—Electromagnetic waves
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    • H01P5/024—Transitions between lines of the same kind and shape, but with different dimensions between hollow waveguides
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    • H01P5/08—Coupling devices of the waveguide type for linking dissimilar lines or devices
    • H01P5/10—Coupling devices of the waveguide type for linking dissimilar lines or devices for coupling balanced lines or devices with unbalanced lines or devices
    • H01P5/107—Hollow-waveguide/strip-line transitions
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/02—Waveguide horns

Definitions

  • the invention relates to the level measurement.
  • the invention relates to a gas-tight waveguide coupling for coupling an electromagnetic signal from a high-frequency module in a waveguide, a high-frequency module with a gas-tight waveguide coupling, a level radar with a
  • Field devices in particular field devices, which are equipped with sensors for measuring
  • Delay measurements In the transit time measurements, the signal propagation times of radar signals or of guided microwave pulses are determined. From these
  • the signals have a certain frequency and duration.
  • the radar signals and the microwave signals can be used in the field of high-frequency technology (HF- Technique).
  • HF- Technique high-frequency technology
  • signals that are in the field of high-frequency technology signals are usually in the frequency range up to 2 GHz as guided
  • the electronics of the field device of the measuring environment ie, for example, the interior of a with a
  • the separation consists for example of a gas-tight seal. In this way, it can be avoided that explosive substances or gas mixtures pass from the container interior to the electronics of the field device and ignite there.
  • EP 2 093 846 A1 describes a gas-tight conductor bushing for a field device which can provide such an explosion protection.
  • the conductor feedthrough is implemented in coaxial technology and is used for example in a frequency range between 5 and 28 GHz.
  • a gas-tight waveguide coupling (also called a waveguide connection) for coupling an electromagnetic signal from a high-frequency module into a waveguide.
  • the electromagnetic signal is generated by the high-frequency module, emitted by a planar radiator element of the waveguide coupling, which is arranged on a carrier, and then transmitted by the waveguide.
  • the waveguide coupling has a dielectric sealing element (111), which seals the waveguide (104, 105) in a gastight manner.
  • the main region of the waveguide is designed, for example, cylindrical. It can also be a rectangular waveguide.
  • the waveguide has a constant inner diameter along the main region.
  • the electromagnetic signal radiated from the planar radiating element may also be referred to as a transmission signal.
  • the planar radiator element can also be designed to receive the received signal, which is (in the case of a level gauge, which operates on the principle of rotation) the reflected transmission signal, which u. a. was reflected on the product surface.
  • the planar radiator element may also be designed as an array of a plurality of radiator elements.
  • the carrier is, for example, a circuit board.
  • the waveguide which is designed to transmit the radiated signal, may be connected to the carrier in a gastight manner. Furthermore, the waveguide coupling on a dielectric sealing element which seals the waveguide in its interior gas-tight. In other words, this sealing element separates a front region of the waveguide, which is located in the region of the planar radiating element, from a rear region of the waveguide which is located in the region of the probe end (or waveguide), ie in the direction of the measuring environment.
  • the dielectric sealing element is made of a printed circuit board, for example milled out.
  • the dielectric sealing element is a cylindrical plastic part. According to a further embodiment of the invention, the dielectric
  • Sealing element a conical, pyramid-shaped, double-conical or double-pyramidal plastic part, which moreover has a cylindrical portion to which the sealing element is gas-tightly connected to the waveguide.
  • the dielectric sealing element has a stepped surface.
  • the region of the sealing element, to which the sealing element is connected in a gas-tight manner to the waveguide has a metallic coating in order to form a gas-tight soldering or adhesive bond with the waveguide.
  • the metallic coating can (but does not have to) also be provided.
  • the adhesive itself may be metallic.
  • the dielectric sealing element has a secondary radiator which is attached to the sealing element or integrated in the sealing element, and which receives the signal emitted by the planar radiating element and radiates again.
  • the secondary radiator can receive the reflected received signal and emit in the direction of the planar radiator element.
  • the planar radiator can be attached to the sealing element or integrated in the sealing element, and which receives the signal emitted by the planar radiating element and radiates again.
  • the secondary radiator can receive the reflected received signal and emit in the direction of the planar radiator element.
  • the planar radiator which is attached to the sealing element or integrated in the sealing element, and which receives the signal emitted by the planar radiating element and radiates again.
  • the secondary radiator can receive the reflected received signal and emit in the direction of the planar radiator element.
  • Emitter element arranged in or immediately before the beginning of the waveguide, so that the radiated signal is initially in the initial region of the waveguide and migrates in the direction of the main region of the waveguide. It is essential in this embodiment that the starting region of the waveguide widens toward the planar radiating element. In other words, the inner diameter of the initial region of the waveguide in the transition region to the main region of the waveguide (ie at the point at the beginning region and
  • Main area is the same size as the inner diameter of the main area, whereas the inner diameter of the initial area becomes larger toward the planar radiating element.
  • planar radiating element can have a relatively large radiating surface and thus a relatively large diameter. This can improve the quality of the signal.
  • the starting region of the waveguide is located at the end of the waveguide, in the region of which the planar radiating element is located.
  • This initial region is widened toward the planar radiating element and thus tapers in the direction of the main region of the waveguide.
  • the inner diameter of the initial region becomes continuous toward the main region, or gradually (discontinuously) smaller.
  • Start area is at the interface between the start area and the main area. At this point, the inner diameters of the starting area and the main area are the same size.
  • the main region of the waveguide has, for example, a constant
  • the main area has a round or rectangular
  • Initial area responsible for signal transport internal volume and into the main region of the waveguide into and then further towards the waveguide end or waveguide output.
  • the main region of the waveguide is arranged at a distance from the planar radiating element in the emission direction of the signal.
  • the signal first travels a certain distance within the initial region of the waveguide before it enters the main region of the waveguide
  • the inside of the starting region of the waveguide has a conical shape.
  • the internal volume defined by the initial region of the waveguide has a conical shape.
  • the inside of the starting region of the waveguide has a hyperbolic course.
  • the inside of the initial region has a step-shaped course.
  • the inner diameter of the planar radiating element is greater than the inner diameter of the cylindrical main region of the waveguide.
  • the diameter of the planar radiating element is less than half or even one third of the maximum inner diameter of the starting region of the waveguide.
  • the waveguide terminal has a relative bandwidth of more than 5%, for example even more than 8.
  • Radiator element a rectangular, round, elliptical or triangular patch element, which is fed by a microstrip line.
  • the waveguide has an inner, circumferential web, to which the dielectric sealing element is applied.
  • the waveguide on an outer, circumferential ridge on which the carrier is applied.
  • a high-frequency module for generating a measurement signal for a field device for example a
  • Level meter specified, wherein the high-frequency module has a waveguide coupling described above and below.
  • a fill level radar is specified with a high-frequency module described above and below.
  • the use of a waveguide coupling described above and below is specified in a field device.
  • the field device is, for example, a level gauge, the Run time measurements in order to determine the level.
  • the signals used for this purpose may be electromagnetic signals, such as microwave or radar signals. In particular, these signals may be pulsed. However, continuous signals can also be used.
  • a first core idea of the invention can be seen in that
  • Initial range ie the area in which the transmission signal is coupled
  • Emitter element is widened out, for example, conical, stepped or
  • Fig. 1 shows a cross-sectional view of a waveguide coupling according to an exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view of a waveguide coupling according to a further exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 3 shows a cross-sectional view of a waveguide coupling according to a further exemplary embodiment of the invention.
  • 4 shows a cross-sectional view of a waveguide coupling according to a further exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 5 shows a dielectric sealing element according to an exemplary embodiment of the invention.
  • Fig. 6 shows a dielectric sealing element according to another
  • FIG. 7 shows a level gauge according to an exemplary embodiment of the invention.
  • Fig. 8 shows four examples of planar radiator elements, which in a
  • Waveguide coupling according to exemplary embodiments of the invention can be used.
  • FIG. 9 shows a cross-sectional view of a waveguide coupling according to an exemplary embodiment of the invention.
  • Fig. 10 shows a waveguide coupling according to an exemplary embodiment of the invention.
  • Fig. 11 shows the inside of a housing and the carrier of a
  • FIG. 12 shows the inside of the housing of Fig. 11 and a dielectric sealing element according to an exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view of a waveguide coupling 100 according to an exemplary embodiment of the invention.
  • the high-frequency module can also be part of the device 100 referred to here and hereinafter as a waveguide coupling.
  • the device 100 could also be referred to as a high-frequency module with waveguide coupling.
  • the waveguide coupling can be part of the measuring probe.
  • it has an interface in the region of the reference numeral 105, to which the troublebowende waveguide of the probe can be connected.
  • the waveguide coupling 100 has a high frequency suitable housing 114.
  • This RF housing 114 has the waveguide 104, 105.
  • the waveguide 104, 105 is integrated into the RF housing.
  • side walls 106, 107 have, and a rear wall 108.
  • the waveguide 104, 105 passes through the rear wall 108 in the direction of the planar radiating element 102, which is located on the underside of the carrier 101, that is arranged in the interior of the RF housing.
  • On the top of the carrier 101 is a metallic coating, which can serve as a ground surface.
  • the HF housing 114 may be configured, for example, rotationally symmetrical or rectangular. In the case of the rotationally symmetrical design, two concentrically arranged, rotationally symmetrical regions 106, 107 and 104, 105 are thus provided.
  • the inner rotationally symmetrical region 104, 105 consists of the starting region 104 of the waveguide and the main region 105 of the waveguide.
  • Both areas define a cavity, which is responsible for the transmission of the signals.
  • the interior of the initial region 104 has a stepped shape in the embodiment of Fig. 1 (here two stages, but it may be more stages).
  • the step-shaped inner surface 113 of the outer region 104 widens in the direction of the planar radiator element 102 and tapers in the direction of the main region 105 of the waveguide.
  • a sealing element 111 which is made of dielectric material, for example, and is metallically coated at the location where it contacts the inner wall of the waveguide 105 (see Reference numeral 112).
  • this sealing element 111 is designed in the form of a double cone, with a cylindrical portion between the two cones.
  • the outer surface of this cylindrical region is coated metallically, so that the sealing element can be soldered or welded onto the inner wall of the main region 105 of the waveguide.
  • the sealing member 111 can be adhered. Between the inner ring, which is formed by the waveguide 104, 105, and the outer ring 106, 107 of the housing may be a cavity 109, 110 are located.
  • the waveguide coupling 100 can be used as a waveguide connection.
  • a waveguide can be connected to the lower portion 105.
  • the waveguide terminal 100 may be gas-tight and designed for use with a microwave module in stripline technology in the frequency range of about 79 GHz.
  • the waveguide terminal is integrated into the RF housing 114.
  • the carrier 101 which may be a printed circuit board, is gas-tightly connected to the RF housing 114.
  • the RF housing is glued to the carrier.
  • the sealing element described above and below may be a plastic part, a ceramic part or a glass part. This
  • Sealing element is glued or soldered in the main region of the waveguide.
  • the transition from the signal-generating electronics to the waveguide is effected by means of microstrip line and a patch antenna connected thereto, which is the planar radiating element.
  • the widening of the waveguide to the planar structure is conical, hyperbolic or stepped.
  • waveguide and RF housing can be made in one piece. This results in a simple and inexpensive mechanical construction with few individual parts.
  • the arrangement has good high frequency characteristics with low transmission loss and high reflection loss.
  • microstrip-to-waveguide transition is described by way of example:
  • Emitter element 102 eg, a patch antenna
  • the waveguide 104, 105 is placed, which corresponds to the one to be transmitted
  • Frequency range is dimensioned.
  • This waveguide is widened to the circuit board towards the extent that the waveguide walls have a sufficiently large distance from the planar structure, so that an influence of the transmission signal through the walls is reduced.
  • Other decoupling in a waveguide require a high ⁇
  • relative bandwidth is meant the ratio of the bandwidth to the center frequency of the transmission signal.
  • PCB substrate are used with low Sr, whereby the relative Bandwidth can be raised to about 8%.
  • ⁇ r is, for example, between 1.8 and 3.5.
  • the planar element 102 may be, for example, a rectangular patch element 1021, a round patch element 1022, an elliptical patch element 1023 or a triangular patch element 1024 (see FIG. 8).
  • the patch element may be from the one or more feed lines 801, 802
  • the widening of the waveguide to the planar element can be conical, stepped or hyperbolic.
  • Fig. 2 shows an example of a hyperbolic expansion
  • Fig. 3 shows an example of a first conical expansion, followed by a cylindrical portion 121, the end of which is glued to the support plate 101
  • Fig. 4 shows an example of a fully cylindrical expansion 120th
  • FIG. 2 shows that the diameter 125 of the radiator element 102 is significantly smaller than the maximum diameter 124 of the starting region 104 of the waveguide.
  • the minimum inner diameter 123 of the starting region of the waveguide corresponds to the inner diameter of the main region of the waveguide.
  • gas-tight separation (explosion protection) is described in more detail:
  • a gas-tight separation can be done for example by a potting of the electronics.
  • potting has a significant influence on the RF characteristics of the circuit.
  • the RF housing 114 is adhesively bonded to the carrier plate (for example, a printed circuit board), so that there is air over the carrier plate 101. This assembly is then cast again.
  • the RF signal is led by means of a gas-tight coupling through the housing and the potting to the outside, for example in the direction of filling.
  • the use of a gas-tight implementation in a waveguide offers. This is achieved by gluing a dielectric sealing element 111 into the waveguide or at first partially metallizing it and subsequently soldering it.
  • the dielectric 111 may take various forms. For example, it may be in the form of a flat disc made of printed circuit board material, which has a metallized edge support for soldering to the waveguide. This is shown for example in FIG. 4.
  • a round disk of a printed circuit board substrate for example HF substrates made of PTFE or PTFE ceramic mixtures, such as, for example, Rogers RT Duroid 5880, Rogers RO 3003, etc.
  • a secondary radiator may be applied to the disk in the form of slots or metallized structures.
  • the disc can be installed either in the cylindrical or in the widened part of the waveguide.
  • the sealing element 111 can generally not necessarily be arranged in the main region 105, but also in the widened region 104, although this is not shown in the figures.
  • the dielectric sealing element can also be designed as a cylindrical plastic part with a metallization on the circumference for soldering to the waveguide (see Fig. 6) and in particular it can be mounted in the cylindrical part (main area) of the waveguide in this case.
  • the sealing element can be designed as a double-cone-shaped plastic part with a cylindrical projection and a metallization on the circumference for soldering to the waveguide and for arrangement in the cylindrical part (see Fig .. lund 2).
  • the sealing element can be designed as a stepped cylindrical plastic part with metallization on the circumference for soldering to the waveguide (see Fig .. 3).
  • FIG. 2 shows the embodiment of the sealing element as a double cylinder (similar to Fig. 1), but the intermediate area between the two cylinders has a larger diameter than the cylinder base (in contrast to Fig. 1, in which the diameters are the same).
  • FIGS. 5 and 6 show two examples of a dielectric sealing member 111.
  • the dielectric sealing member has an annular metallic coating 112 on its top and / or bottom. Such a coating 112 can also be seen in FIGS. 2 and 4, for example.
  • the sealing element 111 has a circumferential coating 112 on its peripheral surface, as in the
  • the sealing elements 111 may have a secondary radiator 121 located on the upper side (as in FIG. 6) and / or on the underside or inside of the sealing element 111.
  • the secondary radiator serves to be fed by the planar radiator element 102. This is done by the planar radiating element 102 emits the signal which is fed to the secondary radiator, which then emits a corresponding signal in the main region of the waveguide 104.
  • FIG. 7 shows a filling level measuring device 700, which has a high-frequency module 701.
  • the high-frequency module 701 generates the transmission signal, which is then fed into the waveguide 104, 105.
  • FIG. 9 shows a cross-sectional view of a waveguide coupling 100 according to an embodiment of the invention.
  • the sealing element 111 is seated in the widened initial region 104 of the waveguide 104, 105.
  • the sealing element 111 may also be arranged in the starting region 104 in the exemplary embodiments of FIGS.
  • the sealing element is, for example, a cutting disk made of printed circuit board material.
  • the sealing element may have a thickness of at least 0.5 mm and may be made of Rogers RO 5880 board material.
  • the cutting disc can be rectangular or square executed. This is particularly useful if the initial region 104 of the waveguide has a rectangular or square cross-section. Alternatively, the
  • Seal member 111 also have a round cross section, for example, when the cross section of the starting portion 104 is also round (circular).
  • the cross section of the main region 105 of the waveguide may also be round. This can be seen for example in FIGS. 10 and 12.
  • the distance between the sealing element 111 and the carrier 101 with the planar radiating element (not shown in Fig. 9) is for example 0.2 to 0.3 mm, but may also be larger or smaller.
  • the thickness of the sealing element is for example about 0.5 mm.
  • the carrier 101 which is designed in the form of a printed circuit board, can be glued and / or soldered to the housing 114. Solder joints may be provided, for example, on the black-colored areas 1030, 1031 and 1032 and 1033.
  • the solder joints can also serve the electrical contact between the housing and the carrier 101.
  • the diameter or the maximum edge length of the sealing element 111 is greater than the inner diameter of the main region 105 of the waveguide.
  • the diameter or the maximum edge length of the radiator element corresponds for example approximately to the inner diameter of the main region 105 of the waveguide.
  • the housing 114 has a substantially rectangular construction. To increase the stability, the housing may have a thickening 1001 around the waveguide. Also, the waveguide at the point where it emerges from the housing or the housing thickening, also have a thickening 1002, which may be provided with a thread (see Fig. 10).
  • the waveguide 105 is set with a reduced
  • Waveguide is constant.
  • the waveguide has an inner, circumferential ridge 1004, to which the dielectric sealing element 111 is applied. Furthermore, an outer, circumferential web 1005 is provided, which is arranged at the end of the waveguide, ie at the beginning of the starting region 104 of the waveguide, and on which the carrier 101 is placed. There is a depression 101 1 between these two webs 1004 and 1005. There, the sealing element 111 can be soldered to the housing and / or glued.
  • the housing may have a plurality of tabs or pins 1008, 1009 which are passed through corresponding holes in the carrier 101 to position the carrier.
  • FIG. 10 shows a perspective view of a waveguide coupling 100 according to an exemplary embodiment of the invention.
  • a waveguide coupling 100 according to an exemplary embodiment of the invention.
  • Embodiment of FIG. 9 here is an external thread in the area 1002 of Waveguide provided to screw the waveguide coupling in a container flange. Otherwise, the two exemplary embodiments are identical.
  • the external thread can be used to unscrew a connecting waveguide, which continues the main region 105 of the waveguide of the coupling, so it adjoins.
  • Fig. 10 it can be seen that the thickening 1001 is carried out largely circular.
  • FIG 11 shows the interior of the housing 114 as well as the underside, ie the side of the carrier 101 facing the interior of the housing.
  • planar radiator element 1021 On the support in particular the planar radiator element 1021 is arranged, which is designed rectangular in this embodiment.
  • the longer longitudinal side of the planar radiating element 1021 has an edge length which corresponds approximately to the inner diameter of the main region of the waveguide.
  • Fig. 12 shows a further illustration of the housing of Fig. 11 and a
  • Seal member 111 In FIG. 12, it can be seen that the inner circumferential ridge 1004 is circular and concentric with the outer ridge 1005.
  • the sealing element 111 is made square and adapted to the size of the outer web 1005 so that it can be placed on the lower, inner circumferential ridge 1004.
  • the outer, circumferential web 1005 need not be continuous, but may have an interruption, through which the feed line 801 (see Fig. 11) is guided to the planar radiating element.
  • “comprehensive” and “comprising” do not exclude other elements or steps, and “a” or “an” does not exclude a multitude.
  • features or steps described with reference to one of the above embodiments may also be used in combination with other features or steps of other embodiments described above. Reference signs in the claims are not to be considered as limitations.

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Abstract

Gasdichte Hohlleitereinkopplung zum Einkoppeln eines elektromagnetischen Sendesignals von einem Hochfrequenzmodul in einen Hohlleiter, wobei die Hohlleitereinkopplung ein planares Strahlerelement aufweist, das auf einer Leiterplatte angeordnet ist und zum Abstrahlen des Sendesignals dient. Die Hohlleitereinkopplung weist darüber hinaus ein dielektrisches Dichtungselement auf, welches den Hohlleiter gasdicht abdichtet. Auf diese Weise kann ein Explosionsschutz bereitgestellt werden.

Description

Gasdichte Hohlleitereinkopplung, Hochfrequenzmodul, Füllstandradar und
Verwendung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft die Füllstandmessung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine gasdichte Hohlleitereinkopplung zum Einkoppeln eines elektromagnetischen Signals von einem Hochfrequenzmodul in einen Hohlleiter, ein Hochfrequenzmodul mit einer gasdichten Hohlleitereinkopplung, ein Füllstandradar mit einem
Hochfrequenzmodul und die Verwendung einer gasdichten Hohlleitereinkopplung in einem Feldgerät. Technischer Hintergrund
Feldgeräte, insbesondere Feldgeräte, welche mit Sensoren zur Messung von
Füllständen oder Grenzständen eingesetzt werden, basieren oftmals auf
Laufzeitmessungen. Bei den Laufzeitmessungen werden die Signallaufzeiten von Radarsignalen oder von geführten Mikrowellenpulsen bestimmt. Aus diesen
Signallaufzeiten wird dann die gewünschte Messgröße ermittelt.
Die Signale weisen eine bestimmte Frequenz und Dauer auf. Die Radarsignale und die Mikrowellensignale lassen sich dem Bereich der Hochfrequenztechnik (HF- Technik) zuordnen. Als Signale, die im Bereich der Hochfrequenztechnik liegen, werden im Regelfall Signale im Frequenzbereich bis 2 GHz als geführte
Mikrowellensignale verwendet und Signale im Bereich von 5 GHz bis 79 GHz und darüber hinaus als Radarsignale eingesetzt.
Aus Sicherheitsgründen kann es erforderlich sein, dass die Elektronik des Feldgeräts von der Messumgebung (also beispielsweise dem Inneren eines mit einem
Füllmedium gefüllten Behälters) explosionsschutztechmsch getrennt ist. Die Trennung besteht beispielsweise aus einer gasdichten Abdichtung. Hierdurch kann vermieden werden, dass explosionsfahige Substanzen bzw. Gasgemische vom Behälterinneren zur Elektronik des Feldgerätes gelangen und sich dort entzünden.
EP 2 093 846 AI beschreibt eine gasdichte Leiterdurchführung für ein Feldgerät, welche einen solchen Explosionsschutz bereitstellen kann. Die Leiterdurchführung ist in Koaxialtechnik ausgeführt und wird beispielsweise in einem Frequenzbereich zwischen 5 und 28 GHz eingesetzt.
Zusammenfassung der Erfindung Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Feldgerät mit Explosionsschutz
bereitzustellen, welches für Sendefrequenzen von über 60 GHz gut geeignet ist.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist eine gasdichte Hohlleitereinkopplung (auch Hohlleiteranschluss genannt) zum Einkoppeln eines elektromagnetischen Signals von einem Hochfrequenzmodul in einen Hohlleiter angegeben. Das elektromagnetische Signal wird hierbei von dem Hochfrequenzmodul erzeugt, von einem planaren Strahlerelement der Hohlleiterkopplung, das auf einem Träger angeordnet ist, abgestrahlt und dann von dem Hohlleiter übertragen. Die Hohlleitereinkopplung weist ein dielektrisches Dichtungselement (111) auf, welches den Hohlleiter (104, 105) gasdicht abdichtet.
Der Hauptbereich des Hohlleiters ist beispielsweise zylindrisch ausgeführt. Es kann sich aber auch um einen Rechteckhohlleiter handeln. Beispielsweise weist der Hohlleiter entlang des Hauptbereichs einen konstanten Innendurchmesser auf.
Das elektromagnetische Signal, das von dem planaren Strahlerelement abgestrahlt wird, kann auch als Sendesignal bezeichnet werden. Das planare Strahlerelement kann darüber hinaus auch ausgeführt sein, das Empfangssignal aufzunehmen, bei welchem es sich (im Falle eines Füllstandmessgeräts, das nach dem Laufzdtprinzip arbeitet) um das reflektierte Sendesignal handelt, welches u. a. an der Füllgutfläche reflektiert wurde. Das planare Strahlerelement kann auch als ein Array aus mehreren Strahlerelementen ausgeführt sein.
Bei dem Träger handelt es sich beispielsweise um eine Leiterplatte.
Der Hohlleiter, der zum Übertragen des abgestrahlten Signals ausgeführt ist, kann mit dem Träger gasdicht verbunden sein. Weiterhin weist die Hohlleitereinkopplung ein dielektrisches Dichtungselement auf, welches den Hohlleiter in seinem Inneren gasdicht abschließt. In anderen Worten trennt dieses Dichtungselement einen vorderen Bereich des Hohlleiters, der sich im Bereich des planaren Strahlerelements befindet, von einem hinteren Bereich des Hohlleiters, der sich im Bereich des Sondenendes (bzw. des Hohlleiters) befindet, also in Richtung Messumgebung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das dielektrische Dichtungselement aus einer Leiterplatte hergestellt, beispielsweise ausgefräst.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das dielektrische Dichtungselement ein zylindrisches Kunststoffteil. Gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung ist das dielektrische
Dichtungselement ein kegelförmiges, pyramidenförmges, doppelkegelförmiges oder doppelpyramidenförmiges Kunststoffteil, welches darüber hinaus einen zylindrischen Bereich aufweist, an welchem das Dichtungselement mit dem Hohlleiter gasdicht verbunden ist.
Gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung weist das dielektrische Dichtungselement eine stufenförmige Oberfläche auf.
Gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung weist der Bereich des Dichtungselements, an welchem das Dichtungselement mit dem Hohlleiter gasdicht verbunden ist, eine metallische Beschichtung auf, um eine gasdichte Löt- oder Klebeverbindung mit dem Hohlleiter auszubilden. Im Falle einer Klebeverbindung mit dem Hohlleiter kann (muss aber nicht) die metallische Beschichtung ebenfalls vorgesehen sein. Insbesondere kann der Kleber selber metallisch sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das dielektrische Dichtungselement einen Sekundärstrahler auf, der an dem Dichtungselement angebracht ist oder in das Dichtungselement integriert ist, und welcher das von dem planaren Strahlerelement abgestrahlte Signal aufnimmt und wieder abstrahlt. Ebenso kann der Sekundärstrahler das reflektierte Empfangssignal aufnehmen und in Richtung des planaren Strahlerelements abstrahlen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das planare
Strahlerelement in dem oder unmittelbar vor dem Anfangsbereich des Hohlleiters angeordnet, so dass sich das abgestrahlte Signal zunächst im Anfangsbereich des Hohlleiters befindet und in Richtung des Hauptbereichs des Hohlleiters wandert. Wesentlich in dieser Ausführungsform ist, dass sich der Anfangsbereich des Hohlleiters zum planaren Strahlerelement hin aufweitet. In anderen Worten ist der Innendurchmesser des Anfangsbereichs des Hohlleiters im Übergangsbereich zum Hauptbereich des Hohlleiters (also an der Stelle, an der Anfangsbereich und
Hauptbereich aufeinandertreffen) genauso groß, wie der Innendurchmesser des Hauptbereichs, wohingegen der Innendurchmesser des Anfangsbereichs zum planaren Strahlerelement hin größer wird.
Auf diese Weise wird erreicht, dass das planare Strahlerelement eine verhältnismäßig große Abstrahlfläche und somit einen verhältnismäßig großen Durchmesser aufweisen kann. Hierdurch kann die Qualität des Signals verbessert werden.
Im Folgenden sollen noch einmal die Begriffe ,,Anfangsbereich" und„Hauptbereich" des Hohlleiters definiert werden. Der Anfangsbereich des Hohlleiters befindet sich an dem Ende des Hohlleiters, in dessen Bereich sich das planare Strahlerelement befindet. Dieser Anfangsbereich ist zum planaren Strahlerelement hin aufgeweitet und verjüngt sich somit in Richtung des Hauptbereichs des Hohlleiters. In anderen Worten wird der Innendurchmesser des Anfangsbereichs in Richtung Hauptbereich stetig oder schrittweise (unstetig) kleiner. Der minimale Durchmesser des
Anfangsbereichs befindet sich an der Schnittstelle zwischen Anfangsbereich und Hauptbereich. An dieser Stelle sind die Innendurchmesser von Anfangsbereich und Hauptbereich gleich groß.
Der Hauptbereich des Hohlleiters weist beispielsweise einen konstanten
Innendurchmesser auf und erstreckt sich von der Schnittstelle zwischen
Anfangsbereich und Hauptbereich bis zum anderen Ende des Hohlleiters.
Beispielsweise weist der Hauptbereich einen runden oder rechteckigen
Innenquerschnitt auf. Das (Sende)Signal, welches von dem planaren Strahlerelement abgestrahlt wird, wandert in Abstrahlrichtung vom planaren Strahlerelement durch das vom
Anfangsbereich definierte, für den Signaltransport zuständige Innenvolumen und in den Hauptbereich des Hohlleiters hinein und dann weiter in Richtung Hohlleiterende bzw. Hohlleiterausgang.
Gemäß einer Ausfuhrungsform der Erfindung ist der Hauptbereich des Hohlleiters in Abstrahlrichtung des Signals beabstandet zu dem planaren Strahlerelement angeordnet. In anderen Worten legt das Signal zunächst eine gewisse Distanz innerhalb des Anfangsbereichs des Hohlleiters zurück, bevor es den Hauptbereich des Hohlleiters betritt
Gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung weist die Innenseite des Anfangsbereichs des Hohlleiters einen konischen Verlauf auf. In anderen Worten ist das durch den Anfangsbereich des Hohlleiters definierte Innenvolumen
trichterförmig.
Gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung weist die Innenseite des Anfangsbereichs des Hohlleiters einen hyperbolischen Verlauf auf.
Gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung weist die Innenseite des Anfangsbereichs einen stufenförmigen Verlauf auf.
Gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung ist der Innendurchmesser des planaren Strahlerelements größer als der Innendurchmesser des zylindrischen Hauptbereichs des Hohlleiters.
Gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung ist der Durchmesser des planaren Strahlerelements geringer als die Hälfte oder gar ein Drittel des maximalen Innendurchmessers des Anfangsbereichs des Hohlleiters. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Hohlleiteranschluss bei der Frequenz des Signals von 79 GHz eine relative Bandbreite von über 5 % auf, beispielsweise sogar von über 8 .
Gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung ist das planare
Strahlerelement ein rechteckiges, rundes, elliptisches oder dreieckiges Patchelement, das von einer Microstripleitung gespeist wird. Gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung weist der Hohlleiter einen inneren, umlaufenden Steg auf, an den das dielektrische Dichtungselement angelegt ist.
Gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung weist der Hohlleiter einen äußeren, umlaufenden Steg auf, an den der Träger angelegt ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das dielektrische
Dichtungselement im Anfangsbereich des Hohlleiters angeordnet. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Hochfrequenzmodul zur Erzeugung eines Messsignals für ein Feldgerät, beispielsweise ein
Füllstandmessgerät, angegeben, wobei das Hochfrequenzmodul eine oben und im Folgenden beschriebene Hohlleitereinkopplung aufweist. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Füllstandradar mit einem oben und im Folgenden beschriebenen Hochfrequenzmodul angegeben.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Verwendung einer oben und im Folgenden beschriebenen Hohlleitereinkopplung in einem Feldgerät angegeben. Bei dem Feldgerät handelt es sich beispielsweise um ein Füllstandmessgerät, das Laufzeitmessungen vornimmt, um daraus den Füllstand zu bestimmen. Bei den hierfür verwendeten Signalen kann es sich um elektromagnetische Signale, wie Mikrowellen- oder Radarsignale, handeln. Insbesondere können diese Signale gepulst sein. Es können aber auch kontinuierliche Signale verwendet werden.
Ein erster Kerngedanke der Erfindung kann darin gesehen werden, dass der
Hohlleiter eines Feldgeräts einen Explosionsschutz aufweist, indem sein
Anfangsbereich (also der Bereich, in den das Sendesignal eingekoppelt wird) gegenüber der Messumgebung gasdicht abgedichtet ist. Dies erfolgt, indem er einerseits mit dem Tragermaterial des planaren Strahlerelements (Signalquelle) gasdicht verbunden ist und andererseits ein in seinem Innenbereich eingeklebtes oder eingelötetes Abdichtungsteil (Dichtungselement) aufweist.
Ein anderer Aspekt der Erfindung kann darin gesehen werden, dass der Übergang zwischen dem planaren Strahlerelement zum Hohlleiter zum planaren
Strahlerelement hin aufgeweitet ist, beispielsweise konisch, gestuft oder
hyperbolisch.
Kurze Beschreibung der Figuren
Fig. 1 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer Hohlleitereinkopplung gemäß einem Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht einer Hohlleitereinkopplung gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht einer Hohlleitereinkopplung gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung. Fig. 4 zeigt eine Querschnittsansicht einer Hohlleitereinkopplung gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 5 zeigt ein dielektrisches Dichtungselement gemäß einem Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 6 zeigt ein dielektrisches Dichtungselement gemäß einem weiteren
Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung. Fig. 7 zeigt ein Füllstandmessgerät gemäß einem Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 8 zeigt vier Beispiele für planare Strahlerelemente, welche in einer
Hohlleitereinkopplung gemäß Ausfuhrungsbeispielen der Erfindung eingesetzt werden können.
Fig. 9 zeigt eine Querschnittsansicht einer Hohlleitereinkopplung gemäß einem Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 10 zeigt eine Hohlleitereinkopplung gemäß einem Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 11 zeigt die Innenseite eines Gehäuses sowie den Träger einer
Hohlleitereinkopplung gemäß einem Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung. Fig. 12 zeigt die Innenseite des Gehäuses der Fig. 11 sowie ein dielektrisches Dichtungselement gemäß einem Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung von Ausfuhrungsbeispielen Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich. Werden in verschiedenen Figuren die selben Bezugszeichen verwendet, so können diese gleiche oder ähnliche Elemente bezeichnen. Gleiche oder ähnliche Elemente können aber auch durch unterschiedliche Bezugszeichen bezeichnet sein.
Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer Hohlleitereinkopplung 100 gemäß einem Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die in den Figuren gezeigten Hohlleitereinkopplungen beispielsweise an das
Hochfrequenzmodul angeschlossen werden. Das Hochfrequenzmodul kann aber auch Teil der hier und im Folgenden als Hohlleitereinkopplung bezeichneten Vorrichtung 100 sein. In diesem Falle könnte die Vorrichtung 100 auch als Hochfrequenzmodul mit Hohlleitereinkopplung bezeichnet werden.
Insbesondere kann die Hohlleitereinkopplung Teil der Messsonde sein. Alternativ weist sie eine Schnittstelle im Bereich der Bezugsziffer 105 auf, an welche der weiterfuhrende Hohlleiter der Messsonde angeschlossen werden kann.
Die Hohlleitereinkopplung 100 weist ein hochfrequenztaugliches Gehäuse 114 auf. Dieses HF-Gehäuse 114 weist den Hohlleiter 104, 105 auf. In anderen Worten ist der Hohlleiter 104, 105 in das HF-Gehäuse integriert.
Darüber hinaus kann das Gehäuse, nicht zuletzt aus Stabilitätsgründen, aber auch aus Gründen der besseren Abdichtung, Seitenwände 106, 107 aufweisen, sowie eine Rückwand 108. Der Hohlleiter 104, 105 führt durch die Rückwand 108 hindurch in Richtung des planaren Strahlerelements 102, welches sich auf der Unterseite des Trägers 101 befindet, also im Inneren des HF-Gehäuses angeordnet ist. Auf der Oberseite des Trägers 101 befindet sich eine metallische Beschichtung, welche als Massefläche dienen kann. Das HF-Gehäuse 114 kann beispielsweise rotationssymmetrisch oder rechteckig ausgeführt sein. Im Falle der rotationssymmetrischen Ausführung sind somit zwei konzentrisch angeordnete, rotationssymmetrische Bereiche 106, 107 und 104, 105 vorgesehen.
Der innere rotationssymmetrische Bereich 104, 105 besteht aus dem Anfangsbereich 104 des Hohlleiters und dem Hauptbereich 105 des Hohlleiters.
Beide Bereiche definieren einen Hohlraum, der für die Übertragung der Signale zuständig ist.
Der Innenraum des Anfangsbereichs 104 weist im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 eine stufenförmige Form auf (hier zwei Stufen; es können aber auch mehr Stufen sein). Die stufenförmige Innenfläche 113 des Außenbereichs 104 weitet sich in Richtung des planeren Strahlerelements 102 auf und verjüngt sich in Richtung des Hauptbereichs 105 des Hohlleiters. Am oberen Ende des Hauptbereichs 105 des Hohlleiters, dort, wo der Hauptbereich auf den Anfangsbereich trifft, befindet sich ein Dichtungselement 111, welches beispielsweise aus dielektrischem Material besteht und an der Stelle, wo es die Innenwandung des Hohlleiters 105 berührt, metallisch beschichtet ist (siehe Bezugszeichen 112).
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist dieses Dichtungselement 111 in Form eines Doppelkegels ausgeführt, mit einem zylindrischen Bereich zwischen den beiden Kegeln. Die Außenfläche dieses zylindrischen Bereichs ist metallisch beschichtet, so dass das Dichtungselement auf die Innenwand des Hauptbereichs 105 des Hohlleiters aufgelötet oder aufgeschweißt werden kann.
Auch kann das Dichtungselement 111 aufgeklebt werden. Zwischen dem Innenring, der durch den Hohlleiter 104, 105 gebildet wird, und dem Außenring 106, 107 des Gehäuses kann sich ein Hohlraum 109, 110 befinden.
Die Hohlleitereinkopplung 100 kann als Hohlleiteranschluss verwendet werden. In anderen Worten kann ein Hohlleiter an dem unteren Bereich 105 angeschlossen werden.
Der Hohlleiteranschluss 100 kann gasdicht ausgeführt sein und für die Verwendung mit einem Mikrowellenmodul in Streifenleitertechnologie im Frequenzbereich von ca. 79 GHz ausgeführt sein. Insbesondere ist der Hohlleiteranschluss in das HF- Gehäuse 114 integriert.
Der Träger 101, bei dem es sich um eine Leiterplatte handeln kann, ist mit dem HF- Gehäuse 114 gasdicht verbunden. Beispielsweise ist das HF-Gehäuse auf den Träger aufgeklebt.
Auf diese Weise können die inneren Hohlräume 109, 104, 110 gegenüber der Umgebung gasdicht abgedichtet werden. Bei dem oben und im Folgenden beschriebenen Dichtungselement kann es sich um ein Kunststoff teil, ein Keramikteil oder ein Glasteil handeln. Dieses
Dichtungselement ist in den Hauptbereich des Hohlleiters eingeklebt oder dort angelötet. Der Übergang von der signalerzeugenden Elektronik auf den Hohlleiter erfolgt mittels Microstripleitung und einer daran angeschlossenen Patchantenne, bei der es sich um das planare Strahlerelement handelt. Die Auf weitung des Hohlleiters zur planaren Struktur hin ist konisch, hyperbolisch oder gestuft. Insbesondere können Hohlleiter und HF-Gehäuse einteilig ausgeführt sein. Hierdurch ergibt sich eine einfache und kostengünstige mechanische Konstruktion mit wenig Einzelteilen. Die Anordnung weist gute Hochfrequenzeigenschaften mit geringer Durchgangsdämpfung und hoher Reflexionsdämpfung auf.
Im Folgenden wird der Microstrip-zu-Hohlleiter Übergang beispielhaft beschrieben:
Auf der Leiterplatte wird eine planare Struktur in Form eines planaren
Strahlerelements 102 (z. B. eine Patchantenne) aufgebracht, die hauptsächlich orthogonal zur Trägerplatte 101 abstrahlt. Über diese planare Struktur wird der Hohlleiter 104, 105 platziert, der entsprechend des zu übertragenden
Frequenzbereichs dimensioniert ist. Dieser Hohlleiter wird zur Leiterplatte hin soweit aufgeweitet, dass die Hohlleiterwände einen ausreichend großen Abstand zu der planaren Struktur aufweisen, so dass eine Beeinflussung des Sendesignals durch die Wände reduziert wird. Andere Entkopplungen in einen Hohlleiter erfordern ein hohes ^ des
Leiterplattenmaterials, damit die planare Struktur klein genug ausgeführt sein kann, um durch die Hohlleiterwände nicht gestört zu werden. Ein hohes 8r kann jedoch in einer verminderten relativen Bandbreite der Anordnung resultieren, die
beispielsweise zwischen 1 % und 3 % liegen kann Dies kann für ein breitbandiges Radarsystem nachteilig sein. Unter„relativer Bandbreite" ist das Verhältnis der Bandbreite zur Mittenfrequenz des Sendesignals zu verstehen.
Durch die Aufweitung des Hohlleiters zum planaren Element hin kann ein
Leiterplattensubstrat mit niedrigem Sr verwendet werden, wodurch die relative Bandbreite auf ca. 8 % angehoben werden kann. εr liegt in diesem Fall beispielsweise zwischen 1,8 und 3,5.
Das planare Element 102 kann beispielsweise ein rechteckiges Patchelement 1021, ein rundes Patchelement 1022, ein elliptisches Patchelement 1023 oder ein dreieckiges Patchelement 1024 sein (siehe Fig. 8).
Das Patchelement kann von der oder den zufuhrenden Leitungen 801, 802
(Microstripleitungen) direkt, über ein Anpassnetzwerk oder indirekt (über eine elektromagnetische Kopplung) gespeist werden. Ein Beispiel für eine indirekte Einspeisung ist links in der Fig. 8 gezeigt.
Die Aufweitung des Hohlleiters zum planaren Element hin kann konisch, gestuft oder hyperbolisch erfolgen.
Fig. 2 zeigt ein Beispiel für eine hyperbolische Aufweitung, Fig. 3 ein Beispiel für eine zunächst konische Aufweitung, gefolgt von einem zylindrischen Bereich 121, dessen Ende auf die Trägerplatte 101 aufgeklebt ist, und Fig. 4 zeigt ein Beispiel für eine vollständig zylindrische Aufweitung 120.
In Fig. 2 ist darüber hinaus gezeigt, dass der Durchmesser 125 des Strahlerelements 102 deutlich geringer ist als der maximale Durchmesser 124 des Anfangsbereichs 104 des Hohlleiters. Der minimale Innendurchmesser 123 des Anfangsbereichs des Hohlleiters hingegen entspricht dem Innendurchmesser des Hauptbereichs des Hohlleiters.
Dies trifft für alle Ausfuhrungsbeispiele zu.
Im Folgenden wird der Aspekt der gasdichten Abtrennung (Explosionsschutz) näher beschrieben: Die gasdichte Abtrennung eines HF-Moduls (bzw. einer elektronischen Schaltung allgemein) gegenüber der Umgebung erfolgt aus Gründen des Explosionsschutzes. Eine gasdichte Abtrennung kann beispielsweise durch einen Verguss der Elektronik erfolgen. Im Bereich der Hochfrequenz und speziell bei der Mikrowellentechnik hat der Verguss jedoch einen erheblichen Einfluss auf die HF-Eigenschaften der Schaltung. Aus diesem Grund wird das HF-Gehäuse 114 dicht auf die Trägerplatte (beispielsweise eine Leiterplatte) geklebt, so dass sich über der Trägerplatte 101 Luft befindet. Diese Baugruppe wird dann wiederum vergossen. Das HF-Signal wird mittels einer gasdichten Auskopplung durch das Gehäuse und den Verguss nach außen gef hrt, beispielsweise in Richtung Füllgut.
Insbesondere in einem Frequenzbereich von 60 GHz und darüber hinaus bietet sich der Einsatz einer gasdichten Durchfuhrung in einem Hohlleiter an. Diese wird dadurch erreicht, dass ein dielektrisches Dichtungselement 111 in den Hohlleiter eingeklebt oder zuerst teilweise metallisiert und anschließend eingelötet wird.
Das Dielektrikum 111 kann dabei verschiedene Formen annehmen. Beispielsweise kann es in Form einer ebenen Scheibe aus Leiterplattenmaterial ausgeführt sein, welche eine metallisierte Randauflage zur Lötverbindung mit dem Hohlleiter aufweist. Dies ist beispielsweise in der Fig. 4 gezeigt.
Hierzu kann eine runde Scheibe aus einem Leiterplattensubstrat (beispielsweise HF- Substrate aus PTFE- oder PTFE-Keramikgemischen, wie z. B. Rogers RT Duroid 5880, Rogers RO 3003, usw.) gefertigt werden. Diese Scheiben weisen dann beispielsweise einen metallisierten Rand auf, der im normalen Leiterplattenprozess hergestellt werden kann. Wahlweise kann während des Leiterplattenfertigungsprozesses ein Sekundärstrahler auf die Scheibe in Form von Schlitzen oder metallisierten Strukturen aufgebracht werden. Die Scheibe kann entweder im zylindrischen oder im aufgeweiteten Teil des Hohlleiters eingebaut werden.
An dieser Stelle sei daraufhingewiesen, dass das Dichtungselement 111 generell nicht zwingend im Hauptbereich 105, sondern auch im aufgeweiteten Bereich 104 angeordnet sein kann, obgleich dies in den Figuren nicht gezeigt ist.
Auch kann das dielektrische Dichtungselement als zylindrisches Kunststoffteil mit einer Metallisierung am Umfang zur Lötverbindung mit dem Hohlleiter ausgeführt sein (vgl. Fig. 6) und insbesondere kann es in diesem Fall im zylindrischen Teil (Hauptbereich) des Hohlleiters angebracht werden.
Auch kann das Dichtungselement als doppelkegelförmiges Kunststoffteil mit Zylinderansatz und einer Metallisierung am Umfang zur Lötverbindung mit dem Hohlleiter und zur Anordnung im zylindrischen Teil ausgeführt sein (vgl. Fig. lund 2).
Auch kann das Dichtungselement als gestuftes zylindrisches Kunststoffteil mit Metallisierung am Umfang zur Lötverbindung mit dem Hohlleiter ausgeführt sein (vgl. Fig. 3).
Fig. 2 zeigt die Ausführung des Dichtungselements als Doppelzylinder (ähnlich wie in Fig. 1), wobei jedoch der Zwischenbereich zwischen den beiden Zylindern einen größeren Durchmesser aufweist als die Zylinderbasis (im Gegensatz zur Fig. 1 , in der die Durchmesser gleich sind). Fig. 5 und Fig. 6 zeigen zwei Beispiele für ein dielektrisches Dichtungselement 111. Im Fall der Fig. 5 weist das dielektrische Dichtungselement eine ringförmige metallische Beschichtung 112 auf dessen Ober- und/oder Unterseite auf. Eine solche Beschichtung 112 ist beispielsweise auch in den Figuren 2 und 4 zu sehen.
Im Ausfuhrungsbeispiel der Fig. 6 weist das Dichtungselement 111 eine umlaufende Beschichtung 112 auf dessen Umfangsfläche auf, wie dies auch in den
Ausführungsbeispielen der Figuren 1 und 3 vorgesehen ist. Darüber hinaus können die Dichtungselemente 111 einen Sekundärstrahler 121 aufweisen, der sich auf der Oberseite (wie in Fig. 6) und/oder auf der Unterseite oder im Inneren des Dichtungselements 111 befindet. Der Sekundärstrahler dient dazu, von dem planaren Strahlerelement 102 gespeist zu werden. Dies erfolgt, indem das planare Strahlerelement 102 das Signal aussendet, welches in den Sekundärstrahler eingespeist wird, der daraufhin ein entsprechendes Signal in den Hauptbereich des Hohlleiters 104 abstrahlt.
Fig. 7 zeigt ein Füllstandmessgerät 700, welches ein Hochfrequenzmodul 701 aufweist. Das Hochfrequenzmodul 701 erzeugt das Sendesignal, welches dann in den Hohlleiter 104, 105 eingespeist wird.
Fig. 9 zeigt eine Querschnittsansicht einer Hohlleitereinkopplung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel sitzt das Dichtungselement 111 im aufgeweiteten Anfangsbereich 104 des Hohlleiters 104, 105. Im Übrigen kann das Dichtungselement 111 auch in den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 bis 4 im Anfangsbereich 104 angeordnet sein.
Bei dem Dichtungselement handelt es sich beispielsweise um eine Trennscheibe aus Leiterplattenmaterial. Das Dichtungselement kann eine Dicke von mindestens 0,5 mm aufweisen und kann aus Leiterplattenmaterial Rogers RO 5880 hergestellt sein. Die Trennscheibe kann rechteckig oder quadratisch ausgeführt ein. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn auch der Anfangsbereich 104 des Hohlleiters einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aufweist. Alternativ kann das
Dichtungselement 111 auch einen runden Querschnitt aufweisen, beispielsweise dann, wenn der Querschnitt des Anfangsbereichs 104 ebenfalls rund (kreisförmig) ist.
Der Querschnitt des Hauptbereichs 105 des Hohlleiters kann ebenfalls rund sein. Dies ist beispielsweise in den Fig. 10 und 12 zu erkennen.
Der Abstand zwischen dem Dichtelement 111 und dem Träger 101 mit dem planaren Strahlerelement (nicht dargestellt in Fig. 9) beträgt beispielsweise 0,2 bis 0,3 mm, kann jedoch auch größer oder kleiner sein. Die Dicke des Dichtelements beträgt beispielsweise in etwa 0,5 mm.
Der Träger 101, der in Form einer Leiterplatte ausgeführt ist, kann auf das Gehäuse 114 aufgeklebt und/oder aufgelötet sein. Lötverbindungen können beispielsweise an den schwarz eingefarbten Bereichen 1030, 1031 und 1032 sowie 1033 vorgesehen sein.
Die Lötverbindungen können auch der elektrischen Kontaktierung zwischen dem Gehäuse und dem Träger 101 dienen. Wie in Fig. 9 zu erkennen, ist der Durchmesser bzw. die maximale Kantenlänge des Dichtungselements 111 größer als der Innendurchmesser des Hauptbereichs 105 des Hohlleiters. Der Durchmesser bzw. die maximale Kantenlänge des Strahlerelements entspricht beispielsweise in etwa dem Innendurchmesser des Hauptbereichs 105 des Hohlleiters. Wie auch aus Fig. 10 ersichtlich, weist das Gehäuse 114 einen im Wesentlichen rechteckigen Aufbau auf. Zur Erhöhung der Stabilität kann das Gehäuse um den Hohlleiter herum eine Verdickung 1001 aufweisen. Auch kann der Hohlleiter an der Stelle, wo er aus dem Gehäuse bzw. der Gehäuseverdickung austritt, ebenfalls eine Verdickung 1002 aufweisen, die mit einem Gewinde versehen sein kann (vgl. Fig. 10).
Im Anschluss daran setzt sich der Hohlleiter 105 mit vermindertem
Außendurchmesser 1003 fort. Der Innendurchmesser des Hauptbereichs des
Hohlleiters ist hingegen konstant.
Dort, wo der Anfangsbereich 104 des Hohlleiters in den Hauptbereich 105 des Hohlleiters übergeht, weist der Hohlleiter einen inneren, umlaufenden Steg 1004 auf, an den das dielektrische Dichtungselement 111 angelegt ist. Weiterhin ist ein äußerer, umlaufender Steg 1005 vorgesehen, der am Ende des Hohlleiters, also am Anfang des Anfangsbereichs 104 des Hohlleiters, angeordnet ist und auf den der Träger 101 aufgesetzt ist. Zwischen diesen beiden Stegen 1004 und 1005 befindet sich eine Vertiefung 101 1. Dort kann das Dichtungselement 111 mit dem Gehäuse verlötet und/oder verklebt werden.
Auch neben den anderen Lot- oder Klebebereichen 1030, 1031, 1032, 1033 sind Stege 1005, 1006, 1007 vorgesehen, auf welche der Träger 101 aufgelegt ist.
Weiter kann das Gehäuse mehrere Nasen oder Stifte 1008, 1009 aufweisen, welche durch entsprechende Bohrungen im Träger 101 hindurchgeführt sind, um den Träger zu positionieren.
Fig. 10 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Hohlleitereinkopplung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Gegensatz zum
Ausführungsbeispiel der Fig. 9 ist hier ein Außengewinde im Bereich 1002 des Hohlleiters vorgesehen, um die Hohlleitereinkopplung in einen Behälterflansch einzuschrauben. Ansonsten sind die beiden Ausfuhrungsbeispiele identisch.
Auch kann das Außengewinde verwendet werden, um einen Anschluss-Hohlleiter aufzuschrauben, der den Hauptbereich 105 des Hohlleiters der Einkopplung fortsetzt, sich also daran anschließt.
In Fig. 10 ist zu erkennen, dass die Verdickung 1001 größtenteils kreisrund ausgeführt ist.
Fig. 11 zeigt das Innere des Gehäuses 114 sowie die Unterseite, also die dem Inneren des Gehäuses zugewandte Seite des Trägers 101.
Auf dem Träger ist insbesondere das planare Strahlerelement 1021 angeordnet, welches in diesem Ausfuhrungsbeispiel rechteckig ausgeführt ist. Die längere Längsseite des planaren Strahlerelements 1021 weist eine Kantenlänge auf, die in etwa dem Innendurchmesser des Hauptbereichs des Wellenleiters entspricht.
Insbesondere ist in Fig. 11 zu erkennen, dass der äußere, umlaufende Steg 1005 quadratisch ausgeführt ist.
Fig. 12 zeigt eine weitere Darstellung des Gehäuses der Fig. 11 sowie eines
Dichtungselements 111. In Fig. 12 ist zu sehen, dass der innere, umlaufende Steg 1004 kreisrund ausgeführt und konzentrisch zum äußeren Steg 1005 angeordnet ist. Das Dichtungselement 111 ist quadratisch ausgeführt und an die Größe des äußeren Stegs 1005 angepasst, so dass es auf den tieferliegenden, inneren umlaufenden Steg 1004 aufgesetzt werden kann. An dieser Stelle sei bemerkt, dass der äußere, umlaufende Steg 1005 nicht durchgängig sein muss, sondern eine Unterbrechung aufweisen kann, durch welche die Zuleitung 801 (vgl. Fig. 11) zum planaren Strahlerelement geführt wird. Ergänzend sei daraufhingewiesen, dass„umfassend" und„aufweisend" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und„eine" oder„ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei daraufhingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausfuhrungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.

Claims

Patentansprüche 1. Gasdichte Hohlleitereinkopplung (100) zum Einkoppeln eines
elektromagnetischen Signals von einem Hochfrequenzmodul (701) in einen Hohlleiter (104, 105), die Hohlleitereinkopplung aufweisend:
ein planeres Strahlerelement (102), das auf einem Träger (101) angeordnet ist, und zum Abstrahlen des Signals dient;
einen Hohlleiter (104, 105), der zum Übertragen des abgestrahlten Signals ausgeführt ist;
wobei die Hohlleitereinkopplung ein dielektrisches Dichtungselement (111) aufweist, welches den Hohlleiter (104, 105) gasdicht abdichtet.
2. Hohlleitereinkopplung nach Anspruch 1,
wobei das dielektrische Dichtungselement (111) aus einer Leiterplatte hergestellt ist.
3. Hohlleitereinkopplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das dielektrische Dichtungselement (111) ein zylindrisches oder rechteckiges Kunststoffteil ist.
4. Hohlleitereinkopplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Hohlleiter (104, 105) einen inneren, umlaufenden Steg (1004) aufweist, an den das dielektrische Dichtungselement (111) angelegt ist.
5. Hohlleitereinkopplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Hohlleiter (104, 105) einen äußeren, umlaufenden Steg (1005) aufweist, an den der Träger (101) angelegt ist.
6. Hohlleitereinkopplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das dielektrische Dichtungselement (111) eine stufenförmige Oberfläche aufweist.
7. Hohlleitereinkopplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Bereich des Dichtungselements (111), an welchem das
Dichtungselement mit dem Hohlleiter gasdicht verbunden ist, eine metallische Beschichtung aufweist, um eine gasdichte Löt- oder Klebeverbindung mit dem Hohlleiter (105) auszubilden.
8. Hohlleitereinkopplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Hohlleiter (104, 105) zum Übertragen des abgestrahlten Signals von einem durch einen Anfangsbereich (104) des Hohlleiters definierten Volumen entlang eines durch einen Hauptbereich (105) des Hohlleiters definierten Volumen ausgeführt ist;
wobei das planare Strahlerelement (102) in dem oder unmittelbar vor dem Anfangsbereich (104) angeordnet ist;
wobei ein Innendurchmesser ( 123) des Anfangsbereichs (104) des Hohlleiters im Übergangsbereich zum Hauptbereich des Hohlleiters dieselbe Größe aufweist, wie ein Innendurchmesser (123) des Hauptbereichs, und zum planaren
Strahlerelement hin größer wird.
9. Hohlleitereinkopplung nach Anspruch 8,
wobei das dielektrische Dichtungselement (111) im Anfangsbereich (104) des Hohlleiters angeordnet ist.
10. Hohlleitereinkopplung nach Anspruch 8 oder 9,
wobei der Durchmesser (125) des planaren Strahlerelements größer ist als der
Innendurchmesser (123) des Hauptbereichs des Hohlleiters (104, 105).
11. Hohlleitereinkopplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
weiter aufweisend ein Gehäuse (106, 107, 108), das mit dem Träger (101) gasdicht verbunden ist.
12. Hohlleitereinkopplung nach Anspruch 11 ,
wobei der Hohlleiter (104, 105) in dem Gehäuse (106, 107, 108) integriert ist und wobei Gehäuse (106, 107, 108) und Hohlleiter (104, 105) einstückig ausgeführt sind.
13. Hochfrequenzmodul (701) zur Erzeugung eines Messsignals für ein
Füllstandmessgerät (700), das Hochfequenzmodul aufweisend:
eine Hohlleitereinkopplung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
14. Füllstandradar (700) mit einem Hochfrequenzmodul nach Anspruch 13.
15. Verwendung einer Hohlleitereinkopplung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 in einem Feldgerät (700).
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