特别用于基于微波的距离传感器的环形定向耦合器制造技术

一种环形定向耦合器，所述环形定向耦合器具有至少三个抽头，所述抽头各自相对于彼此围绕具有1/4的波导波长的波长差的路径布置，所述定向耦合器具体地包括至少两条支线，其中第一支线具有至少三个抽头，并且其中所述至少第二支线没有任何抽头并且通过对应于所述波导波长的另一路径补充。

A circular directional coupler for microwave based distance sensors

【技术实现步骤摘要】
特别用于基于微波的距离传感器的环形定向耦合器
本专利技术是基于如权利要求1所述的种类的定向耦合器，特别是基于适于基于微波的距离传感器的定向耦合器。
技术介绍
具有定向耦合器的基于微波的距离传感器出自于DE102009055363A1，并且除其他情况外用于确定布置在活塞气缸中的活塞的位置。微波发射信号借助于定向耦合器耦合或馈送到导体结构中或从导体结构解耦。在此，微波发射信号在活塞前面的气缸空间中在某个频带下进行辐照，其中频带被选择以使得诱发取决于所述位置的至少两种不同模式。确定所述至少两种模式的谐振频率，其中活塞位置根据谐振频率确定。此气缸空间的长度并且因此活塞位置可通过在所述至少两种模式下测量而清楚确定，这取决于位置。两种模式的宽带激励能够实现以高分辨率估计测量信号。由于与活塞位置无关的基本模式的激励，也可确定气缸空间中的介质(例如，存在于气缸空间中的液压油)的介电常数。因此，准确位置确定可使用原本已知的介电常数或使用介电常数的时间变化来进行。所辐照的发射信号的频带的范围高至约20GHz，并且从下限截止频率至此上限频率变化。低于截止频率，微波不能在相应波导中传播。此临界频率对应于所谓的阈值波长。在此所涉及的圆形定向耦合器(所谓的“环形耦合器”)例如出自于K.Al-Shamaileh等人的出版著作“Miniaturized3dbBranch-LineHybridandRat-RaceCouplerswith...”，这篇文献出现在2012年11月的InternationalJournalofMicrowaveandOpticalTechnology7(6)第372-379页中。还适于低于10GHz的相对低的操作频率的此环形定向耦合器可以借助于微带技术小型化到电路板(PCB)的带状导体形式实现。此定向耦合器具有四个抽头或端口，其中相邻端口各自在上半环中相对于彼此布置在λg/4波长差处。
技术实现思路
根据本专利技术的环形定向耦合器包括具有两条支线的开关布置，即，具有以上提及的抽头的第一支线和没有此类抽头的第二支线。没有抽头的第二支线在此通过对应于所述波导波长λg的另一路径补充。出于尺寸原因，定向耦合器的在定向耦合器中提供并如上提及的λg/4路径以及如上提及的所述λg另外路径可通过T形衰减器或“C形加载变压器”部件来实现。这些T形衰减器各自在波导与接地电位(GND)之间具有电容器。定向耦合器是借助于这些电容器可调谐地实现。这种可调谐的实现方案具有相同开关布置(或开关布局)可用于若干频率或活塞直径的优点。根据本专利技术的定向耦合器能够实现在此所涉及的距离传感器，所述距离传感器特别适于具有例如约50mm的小活塞直径的活塞。环形定向耦合器的匹配不同活塞直径的开关布置另外提供定向耦合器或具有此定向耦合器的距离传感器的简单且成本有效的生产。因为具有根据本专利技术提出的定向耦合器的电路板还配备有不同电子部件并且所述电路板出于机械原因也一定具有供其支配的孔，所以定向耦合器优选地布置在电路板的边缘上。在根据本专利技术的定向耦合器的情况下，还可提供对应于波导波长λg的另外路径是借助于无损波导的Mo矩阵计算，并且矩阵乘积Mo＝MxMcMx来计算。矩阵乘积Mo在此可借助于这个形状的无损波导的第一转移矩阵并借助于将电容器考虑在内的第二转移矩阵形成。附图说明图1示意性地示出根据现有技术的用于确定布置在活塞气缸中的活塞的位置的微波传感器装置；图2a、图2b示出根据现有技术的圆形定向耦合器(“环形耦合器)，即，以提及的方式小型化的圆形定向耦合器的主开关布置(2a)和典型的电子开关布置(2b)；图3a、图3b示意性地示出在现有技术中以已知方式用于在此所涉及的定向耦合器的示例性波导结构；图4a、图4b示意性地示出适于根据本专利技术的定向耦合器的波导结构的示例性实施例；图5示意性地示出借助于模型计算模拟的根据本专利技术的定向耦合器的第一示例性实施例；图6a示出在电路板(PCB)上实现的模拟定向耦合器的变体，其中此定向耦合器通过“网络分析器”测量；图6b示出在电路板(PCB)上实现的在传感器中实现的定向耦合器的变体，其中此定向耦合器通过“网络分析器”测量；图7a示出图5所示的定向耦合器的模拟的结果；图7b-7d示出图6a和图6b所示的定向耦合器的测量的结果。具体实施方式在图1中所示的并且从DE102009055363A1已知的微波传感器装置10用于确定活塞气缸14的活塞12的位置。活塞气缸14在此具有气缸空间16，活塞12可在所述气缸空间16中移动。气缸空间16在此填充有介质，即在气压缸的情况下填充有空气，并且在液压缸的情况下填充有液压油。活塞杆18布置在活塞12上，由此形成第一子空间20a和第二子空间20b。子空间20a处于没有布置活塞杆18的区域中的活塞12的前面。当活塞气缸14是圆柱形时，第一子空间20a具有中空圆柱形状。第二子空间20b被活塞杆18穿过，它因此具有环形圆柱形状。微波传感器装置10用于确定活塞12例如相对于第一子空间20a的端面22或相对于第二子空间20b的端面24的位置I。耦合探测器装置26布置在活塞气缸14上，借助于所述耦合探测器装置26，微波辐射借助于天线28耦合到气缸空间16中。对应地，微波辐射也可借助于耦合探测器装置26解耦。活塞气缸(其具有铰链孔)具有中空圆柱形子空间20a和环形圆柱形子空间20b。微波测量可在子空间20a处和/在或子空间20b处进行。同步气缸具有两个活塞杆，其中本地子空间均形成为环形圆柱形，并且其中微波测量可在这些圆形圆柱形子空间中的一个或两个处进行。微波传感器装置10还包括在一个频带中提供微波辐射的源装置30。宽带微波辐射可通过源装置30耦合或辐照到气缸空间16中。宽带耦合的频带的范围例如在4GHz与8GHz之间或在4GHz与10GHz之间，并且例如对于子空间20a(中空圆柱形子空间)从截止频率扩展至技术上可能的频率，例如像10GHz。微波传感器装置10具体地包括定向耦合器32，其在输入侧上耦合或连接到源装置30并且在输出侧上耦合或连接到耦合探测器装置26。由源装置30提供的微波辐射作为耦合探测器装置26的发射信号递送，以用于通过定向耦合器32耦合到气缸空间16中。此外，由气缸空间16提供的接收信号通过定向耦合器32接收并且被转发以用于进行估计(反射的微波能量)。微波传感器装置10还包括总体上以34标记的估计装置，其进行对于确定活塞位置I的估计。估计装置34具体地确定来自气缸空间16中的单独模式的模式结构的必要信息并且进行用于确定活塞位置I的对应计算。估计装置34包括针对气缸空间16中的模式的谐振频率的确定装置36。确定装置36在此根据接收信号的振幅和/或相位(其中与发射信号进行比较来确定相位)确定谐振频率。在此从根本上说可能的是，谐振频率的确定仅根据振幅、仅根据相位或根据振幅和相位两者确定。估计装置34的计算单元38然后具体地通过比较参考测量中所确定的数据(见下文)计算活塞位置I或确定此活塞位置I。现有技术中已知的常规圆形定向耦合器在图2a中示意性地描绘。此定向耦合器具有四个抽头或端口200、205、210、215，其中相邻端口各自在上半环235中相对于彼此布置在λ/4波长差220、225、230处。环的下本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种环形定向耦合器，所述环形定向耦合器具有至少三个抽头，所述抽头各自相对于彼此围绕具有1/4的波导波长的波长差的路径布置，所述定向耦合器的特征在于，至少两条支线，其中第一支线具有至少三个抽头，并且其中所述至少第二支线没有任何抽头并且通过对应于所述波导波长的另一路径(505、515、650、665)来补充。

【技术特征摘要】
2016.09.23 DE 102016118025.41.一种环形定向耦合器，所述环形定向耦合器具有至少三个抽头，所述抽头各自相对于彼此围绕具有1/4的波导波长的波长差的路径布置，所述定向耦合器的特征在于，至少两条支线，其中第一支线具有至少三个抽头，并且其中所述至少第二支线没有任何抽头并且通过对应于所述波导波长的另一路径(505、515、650、665)来补充。2.如权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，相对于彼此布置在所述抽头之间的具有1/4的所述波导波长的波长差的所述路径和所述另一路径由T形衰减器(500、505、520)形成。3.如权利要求2所述的定向耦合器，其特征在于，所述T形衰减器各自在波导与接地电位之间具有电容器(52...

【专利技术属性】
技术研发人员：约瑟夫·吉斯泽，
申请(专利权)人：巴鲁夫公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE