由两个半壳体组成的波导的制作方法

本发明涉及根据权利要求1的前序部分的雷达测量设备。

背景技术：

1、现有技术包括不同的雷达测量装置、雷达测量设备和方法。例如，在现有技术包括的雷达测量装置和雷达测量设备用于过程自动化领域中的物位测量或更广泛的距离测量。为了将识别能力扩展到移动物体，除了距离确定之外，现有技术还涉及在单独测量中执行的速度确定。这可以通过使用同一个雷达传感器或通过使用额外的雷达传感器来实现。

2、由于通过创新的半导体元件而对于外界影响的高度独立性以及更高工作频率的发展，现代雷达测量设备可以可靠地产生非常精确的测量结果。已知的雷达物位测量设备采用脉冲传输时间方法或调频连续波(fmcw：frequency modulated continuous wave)方法来测量容器内的填充介质和其他反射点(以下也称为反射器)的距离。

3、在自动化技术应用的领域中，迄今为止主要使用光学方法和测量设备来执行测量。

4、术语“工业环境中的过程自动化”是指包括在无人干预的情况下操作机器和系统所需的所有措施的子领域，因此过程自动化子领域可以被理解为最低程度的自动化。过程自动化旨在实现化学、石油、造纸、水泥、航运或采矿行业的工厂中的各个部件之间的交互自动化。为此，已知的是，采用了大量传感器，这些传感器特别适合过程工业的特定要求，例如机械稳定性、对污染、极端温度和极端压力的不敏感性。这些传感器的测量值通常被传输到控制中心，在控制中心中可以监控诸如物位、流量、压力或密度等过程参数，并且可以手动或自动更改整个工厂的相关设定。

5、自动化技术的另一子领域涉及物流自动化。在物流自动化领域中使用距离传感器和角度传感器，以在建筑物内部或在单独物流设施内实现过程自动化。物流自动化系统的典型应用包括以下领域：机场行李和货运处理、交通监控(收费系统)、零售、包裹配送或者建筑安全(访问控制)。上述示例的共同点是，存在检测与物体的尺寸和位置的精确测量的结合是各个应用必须满足的先决条件。由于已知的雷达还不能够满足这些特定要求，所以在现有技术中继续使用依赖于激光、led、2d相机或3d相机的光学测量方法的传感器可用于此目的，这些传感器根据飞行时间原理(tof)来测量距离。

6、自动化技术的第三子领域涉及工厂自动化。为此的应用可以在各种工业中找到，例如汽车制造、食品生产、制药行业或一般包装领域。工厂自动化旨在使用机器、生产线和/或机器人实现货物生产的自动化，即无需人工干预即可实现。这里使用的传感器以及记录物体位置和尺寸时的测量精度的具体要求与前面的物流自动化示例中的具体要求相当。这就是也在工厂自动化中通常大规模使用基于光学测量方法的传感器的原因。

7、迄今为止，光学传感器在物流自动化、工厂自动化和安全技术领域一直占据主导地位。这些传感器速度快、成本低，并且由于测量所依据的光辐射相对容易聚焦而能够可靠地确定物体的位置和/或距离。然而，光学传感器的显著缺点是需要大量的维护，因为即使在上述领域，传感器在运行几千小时后也会变脏，从而显著影响测量质量。此外，特别在生产线上使用时，导致光学传感器受到其它污染的油蒸汽或参与雾气形成的其他气溶胶会损害测量。

8、在过程工业中并且特别在过程自动化中，雷达测量设备以及尤其雷达物位测量设备在诸如高低温等恶劣条件下，在极压下，在多尘环境中以及在腐蚀性介质中可靠使用。

9、最初，c波段雷达测量设备在市场上立足，其工作频率范围在6ghz左右，并可以获得监管机构的授权。这些设备的缺点是设计庞大，因为天线尺寸取决于所使用的波长。因此，k波段雷达测量设备得到发展。k波段是指25ghz左右的频率范围。与c波段所需的天线相比，k波段所能实现的天线尺寸大大缩小。自2016年以来，在w波段中(即在80ghz左右的频率范围内)工作的首批雷达测量设备(特别是用于液体的雷达物位测量设备)已经出现在市场中。以此方式，可以实现非常紧凑的天线设计，这也允许采用较小的过程连接以用于在过程环境中布置雷达测量设备。

10、图1a示出了现有技术中的雷达测量设备100(在此情况下为雷达物位测量设备)。

11、图1a所示的雷达物位测量设备100主要具有壳体101。布置在壳体101中的电子系统具有印刷电路板106，在印刷电路板106上布置有包括雷达芯片的射频单元(rf单元)105。例如，射频单元105包含用于期望频段内的射频信号的发射器和接收器。

12、根据本应用，射频单元被理解为雷达测量设备中的用于产生、发射和接收射频信号的部件。

13、在图1a所示的雷达物位测量设备100中，射频单元105经由波导104连接到喇叭天线102，喇叭天线102在沿主辐射方向的前端上布置有电介质透镜103。波导104用于在尽可能减少损耗的同时将射频单元105发射的射频信号从射频单元105引导到喇叭天线102的馈入点，并且相反地将喇叭天线102接收的射频信号引导到射频单元105。

14、喇叭天线102的长度在很大程度上决定了喇叭天线102的辐射性能，并且必须利用计算和模拟来进行设计，以便满足所有相关的审批方面。特别地，必须遵守定义的开口角度和规定的波瓣抑制。透镜103位于喇叭天线102的前方，并被设计为与不带透镜的喇叭天线102相比，天线的几何长度缩短。在本实施例中，示出了凸-凸或双凸透镜103，即具有两个向外弯曲表面的透镜。以此方式，可实现紧凑的设计。

15、图1b示出了根据现有技术的雷达物位测量设备100的另一实施例，其中，与图1a的实施例相比，透镜103具有平面-凸面设计，即透镜103的朝向过程的朝前表面为平面，而透镜103的面向天线喇叭的表面为凸面。

16、除了提供更紧凑的天线设计之外，透镜103的优点还在于充当用于相对于过程和过程介质进行隔离的隔离部。透镜103可以保护布置在印刷电路板106上的测量电子元件(特别是射频单元105)免受高低压力、高低温度、灰尘、湿气和其他不利于测量电子元件的环境条件的影响。

17、透镜103通常被设计为除了具有良好的高频特性之外还具有其他特性。这些特性例如包括滴水锥或滴水边，滴水锥或滴水边的设计方式可使沉积在透镜103上的冷凝水以有利的方式快速滴落，或使存在于天线一侧的雨水不会直接流到透镜前面。

18、喇叭天线102可以位于设备壳体101的外部(参见图1a)，也可以位于壳体101的内部(参见图1b)。

19、图2示出了结合图1a和图1b说明的雷达测量设备100的可能应用场景，即雷达物位测量设备100位于容器111内。

20、自20世纪90年代初以来，现代物位测量设备被作为雷达物位测量设备100设计，并且由于其良好的特性而正逐渐取代市场上其他根据超声波或光学原理工作的物位测量设备。多年来，半导体技术的进步使得信号频率越来越高。这使得从最初的6ghz脉冲传输时间雷达测量设备发展到80ghz fmcw雷达传感器。

21、开发更高频率范围的优势在于可以实现更小的天线设计(或在相同孔径下获得更大的天线增益)，这在许多方面都带来优点。

22、图2所示的雷达物位测量设备100通过形成在容器111上的法兰进行安装，通过雷达物位测量设备100确定容器111中的填充介质110的物位。由于在构造雷达物位测量设备100时使用的技术的缘故，天线指向性图的主波瓣107的开口角度可以非常小，使得即使在细长、高的容器111中，干扰反射体(如图2中的搅拌器112)不再落入雷达物位测量设备100的视场内，也就是说，雷达辐射聚焦得非常好，以至于例如可以在容器111的壁和搅拌器112之间的空间中进行测量。此外，在更高频率范围内，无论是从技术角度还是从无线电调节角度，都可以实现更大的信号带宽，这样做的优点是可以更好地区分相距较近的回波。

23、虽然在6和24ghz左右的较低频率范围内，可以使用同轴电缆向天线102馈电，但在80ghz左右的频率范围内，这些电缆的高衰减特性导致了技术性变化，从而趋向于例如使用如图1a和1b所示的波导104以用于信号路由。波导104在此频率范围内具有非常低的衰减特性，并且可以低成本地以足够的长度制造。

24、圆状喇叭天线经常用作天线102，它通常设置有电介质填充物和/或(如图1a和1b所示的)电介质透镜103，以缩短天线喇叭的长度。

25、高过程温度对过程测量技术提出了挑战。现代雷达物位测量设备100可配备有天线102，该天线能够测量温度高达450℃的过程。然而，这种雷达物位测量设备100的电子系统通常只能用于高达85℃的温度。这意味着必须通过天线102和相关波导104或经由在低频下使用的同轴电缆进行温度解耦。根据现有技术，这种温度解耦是通过长天线结合长波导104或同轴电缆来实现的，有时还结合额外的冷却鳍片。使用温度模拟和测量来设计所需长度。

26、现在，新一代物位测量设备将进一步利用与提高传输频率相关的现有积极效果。例如，通过进一步提射频率，测量设备的天线可以在180ghz或甚至240ghz左右的频率下变得更小，同时仍实现与80ghz频率下相当的天线增益。可以使用更小的天线来覆盖更小容器或工厂自动化中的新应用领域，从而开辟新的市场。

27、尤其对于必要的射频单元所需的半导体技术已经可用于期望的频率范围，且可以看到国际上也在努力规范在该射频范围内工作的测量设备。

28、然而，现有技术的装置和连接技术无法满足期望的应用目的。

29、同轴电缆的衰减特性在60ghz以上的频率范围内太高，以至于不适合在物位测量设备中实际使用，这是因为由于上述的温度要求，天线必须远离传感器电子元件，并因此也远离射频单元。这种导体越长，信号在传输过程中的衰减就越大。

30、用于具有80ghz传输频率的雷达物位测量设备的波导技术在更高的频率下，尤其在110ghz以上的频率下也面临着越来越多的挑战。圆状波导的直径定义了波导的工作频率范围。在矩形波导(即具有矩形截面的波导)的情况下，矩形长边的边长对频率范围起着决定性作用。随着频率增加，波导的直径或边长降低。在为80ghz的频率下，仍可使用直径为2.6mm的圆状波导，而在240ghz的频率下，直径仅为0.87mm左右。

31、由于上述温度问题的缘故，这种波导的所需长度从4mm到30mm的范围内。通常使用(深孔)钻孔工艺或侵蚀工艺来生产圆状波导。然而，在机械精度和制造成本的边界条件保持在合理范围内的前提下，这些钻孔工艺只能用于生产最大深度约为钻孔直径30倍的孔。与侵蚀工艺相比，钻孔工艺的优势在于波导的表面粗糙度非常低，这有利于实现低衰减。

32、波导中衰减增加的原因是趋肤效应。随着频率的增加，电荷载流子对波导壁的穿透深度越来越小。因此，随着频率的增加，波导通道内金属表面的粗糙度也变得越来越重要。表面粗糙度越大，由波导引起的衰减就越大。这意味着，随着频率的提高，不仅波导的直径会减小，而且对波导通道内表面质量的要求也会提高，特别是粗糙度。这些不断提高的要求使得波导的生产变得复杂，并且因此成本也很高。

33、因此，对于直径非常小的波导，深孔钻孔方法只适用于相对较短的波导长度，以便能够生产出适用于该工艺的圆状波导，因为只有花费大量精力才能达到所需的钻孔深度和足够的精度。

技术实现思路

1、因此，本发明的目的是提供一种雷达测量设备，特别是一种雷达物位测量设备，其具有布置在射频单元和天线之间的波导，并且可以在实现射频单元与天线之间的至少5cm的距离的同时在高于110ghz的频率下工作。

2、此外，本发明的另一目的是提供一种用于制造波导的方法，该波导适用于以低损耗的方式尤其在射频单元和天线之间引导具有高于110ghz的频率的电磁波。

3、这些目的通过具有权利要求1的特征的雷达测量设备和具有权利要求17的特征的用于制造波导的方法来实现。

4、根据本发明的雷达测量设备的优选实施例、特征和特性对应于根据本发明的方法的优选实施例、特征和特性，反之亦然。

5、本发明的有利实施例和变形例在从属权利要求和以下说明中给出。从属权利要求中单独列出的特征可以以任何有技术意义的方式相互组合，也可以与以下说明中详细说明的特征组合，并代表本发明的其他有利实施例。

6、根据本发明的雷达测量设备具有用于生成和/或接收电磁波的射频单元，并使用天线进行电磁波的定向辐射，其中，用于发射电磁波的波导布置在射频单元和天线之间，其特征在于，波导由沿波导的纵向延伸的两个半壳体组成。

7、由于波导由沿波导的纵向延伸的两个半壳体组成，因此能够制造几乎任意长度的波导并将其用于雷达测量设备。形成波导的中空空间的空腔可以通过机械加工工艺、铸造工艺(如注塑或压铸)、挤压工艺或其他方式在半壳体中制造。上述工艺可以非常精确地制造半壳体。

8、根据本应用，射频单元被理解为雷达测量设备的用于产生、发射和接收射频信号的部件。

9、在这种情况下，波导的纵向是指波导的从射频单元到天线的延伸方向。

10、特别地，雷达测量设备可以是雷达物位测量设备。然而，其他雷达测量设备(例如用于物体识别或雷达屏障的设备以及用于测量物体的距离和速度的用于工厂自动化的雷达测量设备)也可以采用所提议的设计。

11、在一实施例中，波导可以具有圆状截面。圆状截面意味着引导电磁辐射的中空空间具有圆状(runden)截面，特别是圆形截面。然而，这不一定意味着波导的外轮廓也具有圆状或圆形截面。

12、由波导的半壳体定义的分型面在纵向上将波导分成两半，即分型面穿过波导中空空间的纵向轴线并将中空空间分为两半。在具有圆形截面的波导的情况下，这意味着两个半壳体均具有半圆形空腔，使得在将两个半壳体连接在一起之后，就形成具有圆形截面的通道，即圆形空腔，以用于引导电磁波。

13、替代地，波导可以具有矩形截面，其中，由半壳体定义的分型面以平行于矩形的短边的方式定向，并且优选地将长边分成两半。这种类型的构造可确保通过将半壳体连接在一起而形成的切割平面对波导特性的负面影响尽可能小。在该平面上，在波导中出现的壁电流等于零，这意味着通过切割平面产生的任何接触电阻都不会对波导的传输特性产生影响。

14、在一有利构造中，当在矩形波导的截面中观察时，矩形的长边的长度小于2mm，特别地小于1mm，优选为1.3mm或0.86mm。

15、在一有利改进例中，半壳体具有对准元件，特别是自居中对准元件。在装配过程中，即在将半壳体连接在一起以形成波导时，这种对准元件用于将半壳体相对彼此对准，使得在半壳体中形成的空腔彼此对准，以便在过渡区域中，即在半壳体之间的连接边缘处产生期望的波导截面，而没有台阶或间隙。因此，半壳体之间的过渡部分优选地形成为无台阶和无间隙的。特别地，对准元件可以被设计为自居中的，即对准元件被设计为例如通过在半壳体合拢时沿对准元件的纵向延伸的前缘、倒角或类似物将两个半壳体相对彼此对准和定位，使得它们在没有间隙或台阶的情况下相互融合。

16、在一实施例中，对准元件可以进一步被设计成连接元件，以用于将半壳体互连。这意味着，对准元件不仅确保半壳体相互对准和定位，还同时特别地通过将它们相互固定而使它们相互连接。例如，这可以通过如下方式实现：对准元件被设计为使得它们锁合、钩挂或卡合在一起，从而将两个半壳体安装在一起，特别地固定在一起。

17、例如，对准和连接元件可以由开口和插入开口中的销构成，其中，例如，开口和/或销可具有槽口(hinterschnitt)，该槽口被设计为使得半壳体在连接状态下锁合。

18、作为锁合的替代方式，也可以压入销，使得它们通过过盈配合保持在开口中，并以这种方式将半壳体互连。

19、在一变形例中，对准元件和/或连接元件可以与半壳体一体地形成。例如，这意味着在制造半壳体期间，对准元件和/或连接元件是由与半壳体相同的材料制成。例如，对准元件和/或连接元件可以在注塑或压铸工艺期间已经在相应的工具中形成，使得它们可以在一个工艺步骤中与半壳体一起制造。

20、在一实施例中，对准元件以及优选连接元件被实现为开口和/或与开口相对应地布置的销。销可以与其中一个半壳体一起形成并与形成在另一个半壳体中的开口接合，或者两个半壳体上都具有相应形成的开口，单独形成的销(尤其可以形成为定位销)插入这些开口中。例如，销可以用来实现压入配合。为此，可将销压入开口中，从而同时确保半壳体之间的对准以及半壳体之间的紧固。

21、在此应注意，虽然对准元件和连接元件优选地一个元件实现，但它们也可以被设计成单独的元件。

22、半壳体基本上可以由金属制成。由金属制造的半壳体的优点在于，金属自身具有导电性，因此不需要后处理来实现导电性。半壳体可由固体材料制造，例如通过机械加工工艺，或由半成品或适当的铸造工艺制成，每种工艺都需要进行再加工。

23、替代地，形成波导的半壳体的基体可以用塑料制成。这种基体非常适合作为支撑材料，并且可以通过以适当的厚度和表面质量对其进行金属化处理而变得具有导电性。例如，塑料部件可以采用注塑工艺或挤压工艺制造，并且根据部件尺寸精度的要求，可以在金属化之前例如采用机械加工工艺进行再加工。

24、在一实施例中，塑料半壳体通过金属定位销连接。

25、塑料的导热性通常较差，这是通过使用塑料作为基体可以在天线和射频单元之间实现特别好的温度解耦的原因。特别适用的塑料包括聚醚醚酮(peek)、聚甲醛(pom)和聚偏二氟乙烯(pvdf)。这些塑料具有良好的耐化学性和耐热性以及合适的射频特性。

26、半壳体的金属化可以通过溅射或蒸镀或者通过气相沉积进行。

27、雷达测量设备经常必须在高达几百度的过程环境中使用。为了保护对高过程温度敏感的电子系统不受高温影响，有利的是，增加高温过程环境与电子系统之间的距离。因此，在一实施例中，波导的长度为至少4cm，优选大于5cm，更优选大于10cm，特别地大于15cm、大于20cm或大于30cm。

28、具有两个半壳体的波导的前述设计在如下情况下是特别有利的：波导的长度与波导在截面中的最小延伸量(即波导通道的最小延伸量)的比率大于30，优选大于80，更优选大于100，特别地大于150，尤其大于300。对于该比率较大的波导，例如如上所述的比率大于30或大于80的波导，在制造中的优势尤为明显，因为通过深孔钻孔不再可能作为制造工艺，或者成本非常高昂。

29、对于具有圆形截面的圆形波导，最小截面延伸量应被视为直径；并且对于具有矩形截面的矩形波导，最小截面延伸量应被视为短边的长度。

30、如果射频单元发射的信号在波导中发生的衰减尽可能小，就能实现所发射的雷达信号的较好的信号质量。然而，波导的衰减会随着频率的增加而增大。

31、波导中的衰减增加的原因是趋肤效应。随着频率的增加，电荷载流子对波导壁的穿透深度越来越小。因此，随着频率的增加，波导通道内金属表面的粗糙度也变得越来越重要。表面粗糙度越大，由波导引起的衰减就越大。这意味着，随着频率的增加，这不仅会减小波导的直径，还会提高对波导通道内表面质量(特别是粗糙度)的要求，从而使波导的制造成本增加。

32、因此，如下情况对信号质量非常有利：波导内壁的平均粗糙度值小于0.5μm，优选小于0.1μm。

33、在本应用中，波导内壁被理解为界定波导通道的壁。

34、平均粗糙度值根据din en iso 4287:2010标准来标准化。要确定该测量值，在定义的测量距离上扫描表面，并记录表面高度和深度的所有差异。在计算测量部分上的粗糙度曲线的确定积分之后，接着将该结果除以测量部分的长度。

35、在一特别相关实施例中，雷达测量设备的工作频率为至少120ghz，优选至少180ghz，更优选至少240ghz。

36、在本应用中，工作频率应被理解为相应频率+/-20ghz，优选+/-10ghz。根据监管框架，也可以想象其他频率范围。通常，雷达测量设备实际使用频率范围的被四舍五入到最接近的10ghz的平均频率被指定为工作频率。在一优选构造中，波导具有电隔离部。例如，电隔离部可被设计为波导的导电层(优选为金属化部)的中断部。

37、电隔离部确保了天线与测量设备的电子系统的电隔离。

38、在这种情况下，电隔离部被定义为电子系统的参考电位与天线的金属部分之间的隔离部。这一点很有必要，否则在安装雷达测量设备之后，金属容器的参考电位将经由波导直接连接到传感器电子元件的参考电位相连，这将会导致故障，甚至使设备失灵。

39、在一实际实施例中，波导具有紧固装置。紧固装置用于将波导保持和固定在雷达测量设备内，并且还可以使波导相对于天线对准。例如，紧固装置可以被设计成用于接合件的止动件，该接合件允许拧紧或以其他方式紧固波导。替代地，波导自身也可以具有螺纹，通过该螺纹可以将波导拧到天线或壳体的某个部分上。

40、例如，压力件可与止动件相互作用，并可以同时吸收来自处理室的压力，并将作用在波导上的力传递到壳体上以进行耗散。

41、本发明还涉及一种用于制造用于根据前述任一权利要求的雷达物位测量设备的波导的方法，其中，根据本发明，波导由两个半壳体制成。

42、在一实施例中，半壳体由金属制成。半壳体的制造工艺的优点在于，由于选择地材料的缘故，半壳体自身具有导电性。然而，如果制造工艺涉及金属，则热解耦需要额外的工作。

43、在该方法的替代实施例中，半壳体由塑料(特别是聚醚醚酮、聚甲醛或聚偏二氟乙烯)制成，并接着经过金属化处理。