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JP2014134415A - Tm01 mode transducer - Google Patents

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JP2014134415A
JP2014134415A JP2013001620A JP2013001620A JP2014134415A JP 2014134415 A JP2014134415 A JP 2014134415A JP 2013001620 A JP2013001620 A JP 2013001620A JP 2013001620 A JP2013001620 A JP 2013001620A JP 2014134415 A JP2014134415 A JP 2014134415A
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JP
Japan
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conductor
patch antenna
casing
mode transducer
center conductor
Prior art date
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Pending
Application number
JP2013001620A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Naohisa Goto
尚久 後藤
Masaharu Abe
正治 阿部
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Musasino Co Ltd
Original Assignee
Musasino Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Musasino Co Ltd filed Critical Musasino Co Ltd
Priority to JP2013001620A priority Critical patent/JP2014134415A/en
Publication of JP2014134415A publication Critical patent/JP2014134415A/en
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  • Measurement Of Levels Of Liquids Or Fluent Solid Materials (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a TM01 mode transducer of which the physical strength is sufficiently high when applied to a radar type measuring device.SOLUTION: The TM01 mode transducer comprises: a center conductor 50 to which a conductor line 70 suspended therefrom is coupled; a patch antenna 41 mounted in the center conductor 50; a power feeding part 36 capacitive-coupled with the patch antenna 41; a casing 24 covering the patch antenna 41 and the power feeding part 36; and a dielectric body 60 forming a cavity 80 together with the center conductor 50 and the casing 24. The patch antenna 41 is encapsulated in the cavity 80, the center conductor 50 includes a short-circuit pin 52 which is integrally coupled to the casing 24, and a load of the conductor line 70 applied to the center conductor 50 is applied to the casing 24 via the short-circuit pin 52. The power feeding part 36 is provided while penetrating the casing 24, and a high frequency signal supplied to the power feeding part 36 is converted into a TM01 mode electromagnetic wave by the patch antenna 41.

Description

本発明は、単一線を伝送路として高周波信号を伝搬させる装置に使用するTM01モードトランスデューサーに関するものである。例えば、時間軸反射係数測定(Time Domain Reflectometry:TDR)技術を応用したパルスレーダー方式液面計測装置のトランスヂューサーとして用いることができる。   The present invention relates to a TM01 mode transducer used in a device that propagates a high-frequency signal using a single line as a transmission line. For example, it can be used as a transducer of a pulse radar type liquid level measuring device to which a time domain reflection coefficient measurement (Time Domain Reflectometry: TDR) technology is applied.

液位測定に用いられるレーダー方式の一つとしてパルスレーダー方式がある。パルスレーダー方式は、図6に示すように、タンクの天井などの基準点からタンクの底に向かってパルスを照射した時点(t0)から、液面で反射して戻ってきたパルスを受信した時点(t1)より、パルスが伝搬に要した時間(t1−t0)を測定することによって、上記基準位置から電波の反射点までの距離を求めるものである。パルスの伝搬速度をvとすると、基準点から反射面までの距離Lは、
L=v×(t1−t0)/2
の式で求めることができる。
One of radar systems used for liquid level measurement is a pulse radar system. In the pulse radar system, as shown in FIG. 6, from the time (t0) when the pulse is irradiated from the reference point such as the ceiling of the tank toward the bottom of the tank, the time when the pulse reflected back from the liquid surface is received. From (t1), the distance from the reference position to the reflection point of the radio wave is obtained by measuring the time (t1-t0) required for propagation of the pulse. If the pulse propagation velocity is v, the distance L from the reference point to the reflecting surface is
L = v × (t1−t0) / 2
It can be calculated by the following formula.

パルスレーダー方式液面計では、単一線をタンク内に垂直に張り、この単一線にパルスを伝搬させて計測する場合がある。この時に単一線伝送路用トランスデューサーを用いる。   In the pulse radar type liquid level gauge, there is a case where a single line is stretched vertically in a tank and a pulse is propagated to the single line for measurement. At this time, a single-line transmission line transducer is used.

図7は、単一線伝送路用トランスデューサーを用いたパルスレーダー方式液面計の概要を示す。図7において、タンカーなどに備えられているタンク1には、原油、液化ガス、その他の液体2が収容されている。タンク1の天井11には単一線伝送路用のトランスデューサー3が取り付けられている。液面計3からはワイヤ5がタンク1の底12に向かって垂直に張られ、ワイヤ5は直線をなすように張られた状態で下端がタンク1の底面に固定されている。ワイヤ5の一部は液体2の中に没している。   FIG. 7 shows an outline of a pulse radar type liquid level gauge using a single line transmission line transducer. In FIG. 7, crude oil, liquefied gas, and other liquids 2 are accommodated in a tank 1 provided in a tanker or the like. A transducer 3 for a single-line transmission path is attached to the ceiling 11 of the tank 1. A wire 5 is stretched vertically from the liquid level gauge 3 toward the bottom 12 of the tank 1, and the lower end of the wire 5 is fixed to the bottom surface of the tank 1 in a stretched state. A part of the wire 5 is submerged in the liquid 2.

給電点4には、ワイヤ5の自重による荷重がかかる。また、タンカーにおいては、航行中の船体揺動によりタンク内の液体2が移動し、その都度ワイヤ5にスロッシング荷重がかかるため、給電点4に大きな荷重が集中して加わる。したがって、単一線伝送用トランスデューサーでは、上記荷重に対する耐荷重性能を十分に高く確保する必要がある。   A load due to the weight of the wire 5 is applied to the feeding point 4. Further, in the tanker, the liquid 2 in the tank moves due to the swing of the hull during navigation, and a sloshing load is applied to the wire 5 each time, so that a large load is concentrated on the feeding point 4. Therefore, it is necessary to ensure a sufficiently high load bearing performance with respect to the above load in the single-line transmission transducer.

本明細書において「トランスデューサー」とはアンテナと同じ意味である。上記トランスデューサー3は、図示されない高周波パルス信号源からの給電線が給電点4においてワイヤ5に接続され、給電点4からワイヤ5に高周波パルスが給電される構成になっている。上記トランスデューサー3はTM01モードを励振する構造であって、このトランスデューサーからTM01モードで励振された高周波パルスがワイヤ5を伝搬する。   In this specification, “transducer” has the same meaning as an antenna. The transducer 3 is configured such that a power supply line from a high-frequency pulse signal source (not shown) is connected to the wire 5 at a power supply point 4 and a high-frequency pulse is supplied from the power supply point 4 to the wire 5. The transducer 3 has a structure for exciting the TM01 mode, and a high-frequency pulse excited from the transducer in the TM01 mode propagates through the wire 5.

TM01モードを励振するための本発明に関連のある技術として、円環アンテナがある(例えば、非特許文献1の第176ページ参照)。また、ショートピンを使ったTM01モード円環パッチアンテナも知られている(例えば、非特許文献2の第228ページ参照)。   As a technique related to the present invention for exciting the TM01 mode, there is an annular antenna (for example, see page 176 of Non-Patent Document 1). A TM01 mode annular patch antenna using a short pin is also known (see, for example, page 228 of Non-Patent Document 2).

後藤尚久著、オーム社発行「アンテナがわかる本」Published by Naohisa Goto, published by Ohm, "A book that understands antennas" 後藤尚久著、電波新聞社発行「アンテナ工学入門講座」"Introduction to Antenna Engineering" published by Naohisa Goto and Denpa Shimbun

本発明は、ワイヤの自重やタンク内スロッシング荷重に対して、物理的強度面から十分に高い強度を確保し、かつ、パルスレーダー方式液面計測装置のトランスデューサーとして用いた場合に計測精度を高めることができるTM01モードトランスデューサーを提供することを目的とする。   The present invention ensures a sufficiently high physical strength against the weight of the wire and the sloshing load in the tank, and improves the measurement accuracy when used as a transducer in a pulse radar type liquid level measuring device. It is an object to provide a TM01 mode transducer that can be used.

本発明に係るTM01モードトランスデューサーは、
導体線を垂下させた態様で結合するための中心導体と、
上記中心導体に実装されているパッチアンテナと、
上記パッチアンテナと静電容量で結合する給電部と、
上記パッチアンテナと上記給電部を覆う筐体と、
上記中心導体および筐体とともにキャビティを形成する誘電体と、を有し、
上記パッチアンテナは上記キャビティ内に封じ込められ、
上記中心導体は、上記筐体に一体に結合されたショートピンを有することにより、上記中心導体にかかる上記導体線の荷重が上記ショートピンを介して上記筐体にかかる構造になっており、
上記筐体を貫通して上記給電部へ高周波パルスを給電する給電線および同軸コネクタが設けられ、
上記同軸コネクタから供給される高周波パルス信号を上記パッチアンテナからTM01モードの高周波パルス信号に変換することを最も主要な特徴とする。
The TM01 mode transducer according to the present invention is
A central conductor for coupling the conductor wires in a suspended manner;
A patch antenna mounted on the center conductor;
A power feeding unit coupled with the patch antenna by a capacitance;
A casing covering the patch antenna and the power feeding unit;
A dielectric that forms a cavity with the central conductor and the housing, and
The patch antenna is enclosed in the cavity,
The center conductor has a structure in which the load of the conductor wire applied to the center conductor is applied to the housing via the short pin by having a short pin integrally coupled to the housing.
A feed line and a coaxial connector are provided to feed a high-frequency pulse to the feed unit through the housing,
The most important feature is that the high-frequency pulse signal supplied from the coaxial connector is converted from the patch antenna into a high-frequency pulse signal of TM01 mode.

中心導体に導体線を結合して垂下させると、導体線の荷重は中心導体のショートピン、筐体にかかり、誘電体および給電部には荷重がかからない。導体線の揺れなどによって中心導体の導体線結合部にかかる荷重が変動しても、誘電体に圧力は加わらない。したがって、本発明に係るTM01モードトランスデューサーを、単一線伝搬によるパルスレーダー方式計測装置のトランスデューサーとして用いると荷重の影響を受けることなく安定した精度で計測することができる。   When the conductor wire is coupled to the center conductor and suspended, the load of the conductor wire is applied to the short pin and the casing of the center conductor, and no load is applied to the dielectric and the feeding portion. No pressure is applied to the dielectric even if the load applied to the conductor wire coupling portion of the central conductor fluctuates due to the fluctuation of the conductor wire. Therefore, when the TM01 mode transducer according to the present invention is used as a transducer of a pulse radar type measurement device using single line propagation, measurement can be performed with stable accuracy without being affected by a load.

本発明に係るTM01モードトランスデューサーの実施例を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the Example of the TM01 mode transducer based on this invention. 図1中のA−A線に沿う断面図である。It is sectional drawing which follows the AA line in FIG. 上記実施例中の中心導体を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the center conductor in the said Example. 上記中心導体のショートピンの部分の横断面拡大図である。It is a cross-sectional enlarged view of the part of the short pin of the said center conductor. 上記実施例の使用態様を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the usage condition of the said Example. パルスレーダー方式計測装置の測定原理を説明するための波形図である。It is a wave form diagram for demonstrating the measurement principle of a pulse radar type measuring device. 従来のTM01モードトランスデューサーを用いた液面計の使用例を示すモデル図である。It is a model figure which shows the usage example of the liquid level meter using the conventional TM01 mode transducer.

以下、本発明に係るTM01モードトランスデューサーの実施例について図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, embodiments of the TM01 mode transducer according to the present invention will be described with reference to the drawings.

図1、図2において、TM01モードトランスデューサー20は、筐体24、パッチアンテナ41、ショートピン52、中心導体50、誘電体60、給電部36、同軸コネクタ30、導体線70を主要な構成部品として有している。   1 and 2, the TM01 mode transducer 20 includes a casing 24, a patch antenna 41, a short pin 52, a central conductor 50, a dielectric 60, a power feeding portion 36, a coaxial connector 30, and a conductor wire 70 as main components. Have as.

筐体24の解放端すなわち図1において下端にはフランジ26が形成され、このフランジ26がベース板22に締結されることにより、フランジ26とベース板22が密着した状態で一体に結合されている。   A flange 26 is formed at the open end of the housing 24, that is, the lower end in FIG. 1, and the flange 26 is fastened to the base plate 22, so that the flange 26 and the base plate 22 are joined together in close contact. .

筐体24の内周側には、筐体24の解放端側の径を拡大することによって段部が形成されていて、この段部とベース板22の上面との間に生じている空間に誘電体60の外周縁部が挟み込まれている。誘電体60は、タンク内の液体がキャビティ80内に浸透することを防止するために設けられている。誘電体60は、誘電性を備えた素材からなる円環状の部材で、上記段部とベース板22の上面との間に生じている空間の間隔とベース板22の厚さを合わせた厚さを持ち、同軸コネクタ30へのリターンロスが最小になるように設定されている。誘電体60の外周縁部は、上記空間に挟まれている部分と、この部分よりも径の小さい部分とによって段状に形成されている。この誘電体60の段状の部分にベース板22の内周縁部を進入させることにより、誘電体60とベース板22の密着度を高めている。   A step portion is formed on the inner peripheral side of the housing 24 by enlarging the diameter of the open end side of the housing 24, and a space generated between the step portion and the upper surface of the base plate 22 is formed. The outer peripheral edge of the dielectric 60 is sandwiched. The dielectric 60 is provided to prevent the liquid in the tank from penetrating into the cavity 80. The dielectric 60 is an annular member made of a material having dielectric properties, and has a thickness obtained by combining the space between the stepped portion and the upper surface of the base plate 22 and the thickness of the base plate 22. And the return loss to the coaxial connector 30 is set to be minimum. The outer peripheral edge of the dielectric 60 is formed in a step shape by a portion sandwiched between the spaces and a portion having a smaller diameter than this portion. By bringing the inner peripheral edge of the base plate 22 into the stepped portion of the dielectric 60, the adhesion between the dielectric 60 and the base plate 22 is increased.

さらに、誘電体60の外周縁部には、下面側が解放した周溝62が形成され、周溝62はOリングからなるシール材66が嵌められている。シール材66は、ベース板22によって押圧され、弾性変形してベース板22と誘電体60に密着している。こうして、誘電体60とベース板22と筐体24相互間の密閉性が保たれている。   Further, a circumferential groove 62 opened on the lower surface side is formed on the outer peripheral edge of the dielectric 60, and a sealing material 66 made of an O-ring is fitted into the circumferential groove 62. The sealing material 66 is pressed by the base plate 22 and is elastically deformed so as to be in close contact with the base plate 22 and the dielectric 60. Thus, the hermeticity among the dielectric 60, the base plate 22, and the housing 24 is maintained.

前記中心導体50は、図3に示すように、全体としては独楽のような形をした導電性の素材からなる部材である。中心導体50の本体部分の上部にはフランジ51が形成され、フランジ51の上面からは、4つのショートピン52が、中心導体50の中心軸線と平行に上方に向かって突出している。4つのショートピン52は中心導体50の周方向に等間隔で形成されている。   As shown in FIG. 3, the central conductor 50 is a member made of a conductive material shaped like a top as a whole. A flange 51 is formed on the upper portion of the main body portion of the center conductor 50, and four short pins 52 project upward from the upper surface of the flange 51 in parallel with the center axis of the center conductor 50. The four short pins 52 are formed at equal intervals in the circumferential direction of the central conductor 50.

中心導体50の本体部分の上面にはパッチアンテナ41が形成されている。中心導体50の下端部には導体線結合部58が設けられている。各ショートピン52およびパッチアンテナ41は中心導体50の本体部分と一体に成形されている。   A patch antenna 41 is formed on the upper surface of the main body portion of the center conductor 50. A conductor wire coupling portion 58 is provided at the lower end portion of the center conductor 50. Each short pin 52 and the patch antenna 41 are formed integrally with the main body portion of the central conductor 50.

中心導体50は、その本体部分が誘電体60の中心部の孔に密着した状態で嵌め込まれている。誘電体60の内周部上面側は横断面において段状の溝64が全周にわたり形成されていて、溝64にはOリングからなる第2のシール材68が嵌められている。シール材68は、上記溝64の底面と周壁に接し、また、誘電体60の周壁とフランジ51の下面に接している。こうして、中心導体50と誘電体60相互間の密閉性が保たれている。   The center conductor 50 is fitted in a state where the main body portion is in close contact with the hole in the center portion of the dielectric 60. On the upper surface side of the inner peripheral portion of the dielectric 60, a step-like groove 64 is formed over the entire circumference in a cross section, and a second seal material 68 made of an O-ring is fitted in the groove 64. The sealing material 68 is in contact with the bottom surface and the peripheral wall of the groove 64, and is in contact with the peripheral wall of the dielectric 60 and the lower surface of the flange 51. Thus, the hermeticity between the center conductor 50 and the dielectric 60 is maintained.

筐体24の内周壁面と誘電体60の上面および中心導体50の一部とによって、密閉されたキャビティ80が形成されている。パッチアンテナ41はキャビティ80を介して筐体24で覆われ、キャビティ80内に封じ込められている。主として、筐体24の内径、中心動体50の外径によってキャビティ80の容積が決まる。   A sealed cavity 80 is formed by the inner peripheral wall surface of the housing 24, the upper surface of the dielectric 60, and a part of the center conductor 50. The patch antenna 41 is covered with the casing 24 through the cavity 80 and is enclosed in the cavity 80. The volume of the cavity 80 is determined mainly by the inner diameter of the casing 24 and the outer diameter of the central moving body 50.

筐体24の上面中央には、外部の送受信機とTM01モードトランスデューサー20を結ぶケーブルを接続するための同軸コネクタ30が固定されている。同軸コネクタ30内の導体は、給電線34として筐体24の中心孔28の周壁から隔てられてキャビティ80まで伸び、給電部36に接合されている。給電部36は、パッチアンテナ41の径よりも小さい円板状の部材で、パッチアンテナ41に対し小さな間隙をおいて静電容量結合により給電している。ただし、場所によっては給電線34とパッチアンテナ41を直接接続してもよい。   A coaxial connector 30 for connecting a cable connecting an external transmitter / receiver and the TM01 mode transducer 20 is fixed at the center of the upper surface of the housing 24. The conductor in the coaxial connector 30 is separated from the peripheral wall of the center hole 28 of the housing 24 as a power supply line 34, extends to the cavity 80, and is joined to the power supply unit 36. The power feeding unit 36 is a disk-shaped member smaller than the diameter of the patch antenna 41 and feeds power by capacitive coupling with a small gap with respect to the patch antenna 41. However, the feed line 34 and the patch antenna 41 may be directly connected depending on the location.

中心導体50の下部には導体線結合部58が設けられている。導体線結合部58には導体線70の一端部が圧入されている。導体線70は、後で詳細に説明するようにタンクの底まで伸びるものであるから、かなり大きな荷重がかかり、タンク内の液体がうねることにより横方向の荷重がかかる。これらの荷重は、中心導体50の本体部分、ショートピン52を介して筐体24にかかり、誘電体60および給電部36にはかからない構成になっている。   A conductor wire coupling portion 58 is provided below the center conductor 50. One end of a conductor wire 70 is press-fitted into the conductor wire coupling portion 58. Since the conductor wire 70 extends to the bottom of the tank as will be described in detail later, a considerably large load is applied, and a lateral load is applied by the swell of the liquid in the tank. These loads are applied to the casing 24 via the main body portion of the central conductor 50 and the short pin 52, and are not applied to the dielectric 60 and the power feeding portion 36.

パッチアンテナ41と各ショートピン52の形状について、図4を参照しながらさらに詳細に説明する。図4に示すように、パッチアンテナ41上に配置される各ショートピン52の横断面形状は、パッチアンテナ41の中心軸線を中心とした大小二つの円弧と上記中心軸線を中心とした所定の開き角θをもった二つの半径方向の線とで切断された台形状である。上記二つの円弧のうち大きい円弧の半径をP,小さい円弧の半径をCとする。これらの円弧に沿った各ショートピン52の外側面および内側面は円筒面になるが、開き角θは比較的小さいため、各ショートピン52の横断面形状は台形状になっている。   The shape of the patch antenna 41 and each short pin 52 will be described in more detail with reference to FIG. As shown in FIG. 4, the cross-sectional shape of each short pin 52 arranged on the patch antenna 41 has two large and small arcs centered on the central axis of the patch antenna 41 and a predetermined opening centered on the central axis. A trapezoidal shape cut by two radial lines having an angle θ. Of the two arcs, the radius of the large arc is P, and the radius of the small arc is C. The outer surface and inner surface of each short pin 52 along these arcs are cylindrical surfaces, but since the opening angle θ is relatively small, the cross-sectional shape of each short pin 52 is trapezoidal.

前述のとおり、中心導体50には、高周波パルス信号を伝搬させるためのワイヤが結合され、ワイヤは液体を収納するタンク内に垂直方向に張った状態で設置される。中心導体50には上記ワイヤの荷重がかかるため、中心導体50は筺体24に強固に結合されていなければならない。中心導体50を筺体24に強固に結合するために、例えば、中心導体50の4つのショートピン52の上端から上方に延びる延長部を一体に設け、これらの延長部を筐体24の孔に圧入して固着する構造にするとよい。あるいは、中心導体50と筺体24を結合した形で、一つの一体成形部品としてもよい。   As described above, a wire for propagating a high-frequency pulse signal is coupled to the center conductor 50, and the wire is installed in a state of being vertically stretched in a tank that stores a liquid. Since the load of the wire is applied to the central conductor 50, the central conductor 50 must be firmly coupled to the casing 24. In order to firmly connect the center conductor 50 to the housing 24, for example, extensions extending upward from the upper ends of the four short pins 52 of the center conductor 50 are integrally provided, and these extensions are press-fitted into the holes of the housing 24. Then, it is good to make it the structure which adheres. Alternatively, the central conductor 50 and the casing 24 may be combined to form a single integrally molded part.

以上説明したTM01モードトランスデューサーの実施例の使用態様を図5に示す。図5において、タンカーなどに構築されているタンク82の天井86に、上記実施例に係るTM01モードトランスデューサー20が設置されている。タンク82は天井86および底板84を含めて導電体である金属で構築され、トランスデューサー20の筐体24がベース板22を介在させて天井86に結合されることにより、筐体24はアースにつながっている。また、筐体24とともに中心導体50もアースにつながっている。タンク82内には積荷である原油その他の液体88が収納されている。   FIG. 5 shows how the TM01 mode transducer described above is used. In FIG. 5, the TM01 mode transducer 20 according to the above embodiment is installed on the ceiling 86 of a tank 82 constructed in a tanker or the like. The tank 82 is constructed of a metal that is a conductor including the ceiling 86 and the bottom plate 84, and the casing 24 of the transducer 20 is coupled to the ceiling 86 with the base plate 22 interposed therebetween, so that the casing 24 is grounded. linked. In addition, the central conductor 50 is connected to the ground together with the casing 24. In the tank 82, crude oil or other liquid 88 as a cargo is stored.

中心導体50の導体線結合部58には導体線70の上端部が結合され、導体線70の下端はタンク82の底板84に結合されている。パルスレーダーの送信機から、高周波パルス信号を、同軸コネクタ30を経てTM01モードトランスデューサー20に入力すると、相対向する給電部36が静電容量結合しているパッチアンテナ41に高周波パルス信号が伝わる。給電部36からパッチアンテナ41に高周波パルス信号を入力することにより、中心導体50の周囲に、その中心軸線を中心とした同心円状に円形磁界が発生し、この円形磁界によって、フレミングの右手の法則により導体線70に電流が発生し、この電流が導体線70を下方に向かって伝搬する。   The upper end portion of the conductor wire 70 is coupled to the conductor wire coupling portion 58 of the center conductor 50, and the lower end of the conductor wire 70 is coupled to the bottom plate 84 of the tank 82. When a high-frequency pulse signal is input from the transmitter of the pulse radar to the TM01 mode transducer 20 via the coaxial connector 30, the high-frequency pulse signal is transmitted to the patch antenna 41 in which the power feeding units 36 facing each other are capacitively coupled. By inputting a high-frequency pulse signal from the power feeding unit 36 to the patch antenna 41, a circular magnetic field is generated around the center conductor 50 in a concentric manner around the central axis, and the Fleming's right-hand rule is generated by the circular magnetic field. As a result, a current is generated in the conductor wire 70, and this current propagates downward through the conductor wire 70.

導体線70を伝搬する高周波パルス信号は、液体88の上面に達すると、タンク82の上部の気体と液体88との比誘電率の違いなどによるインピーダンスの違いによって液面で反射される。反射された高周波パルス信号は導体線70を上に向かって伝搬し、TM01モードトランスデューサー20に戻り、パルスレーダーの受信機で受信される。   When the high-frequency pulse signal propagating through the conductor wire 70 reaches the upper surface of the liquid 88, it is reflected on the liquid surface due to a difference in impedance due to a difference in relative dielectric constant between the gas above the tank 82 and the liquid 88. The reflected high-frequency pulse signal propagates upward through the conductor line 70, returns to the TM01 mode transducer 20, and is received by a pulse radar receiver.

この種のパルスレーダーは、計測精度を上げるために、パルス信号のパルス幅が極めて小さくなっている。このため、トランスデューサー20には、例えば10GHz程度の高いキャリア周波数で、かつ、例えば1GHz程度に広い周波数帯域幅の性能が求められる。これに加えて、トランスデューサー20から垂下する導体線70の荷重および導体線70が液体88のうねりに伴って揺らされることによる荷重がトランスデューサー20にかかる。トランスデューサー20は上記荷重に耐えられる構造にする必要があるとともに、上記荷重がかかることによるパルスレーダーの計測精度の低下を避ける工夫が求められる。   In this type of pulse radar, the pulse width of the pulse signal is extremely small in order to increase measurement accuracy. For this reason, the transducer 20 is required to have a high carrier frequency of, for example, about 10 GHz and a wide frequency bandwidth of, for example, about 1 GHz. In addition to this, the load of the conductor wire 70 depending from the transducer 20 and the load due to the conductor wire 70 being shaken with the undulation of the liquid 88 are applied to the transducer 20. The transducer 20 needs to have a structure capable of withstanding the load, and a device for avoiding a decrease in measurement accuracy of the pulse radar due to the load is required.

その点、図示の実施例によれば、導体線70の荷重および中心導体50の荷重は、前述のように、ショートピン52を介して筐体24にかかる。筐体24はタンク82の天井86で支えられているため、筐体24にかかる荷重は天井86にかかり、誘電体60あるいは給電部36にはかからない。したがって、導体線70の揺れなどによって中心導体50の導体線結合部58にかかる荷重が変動しても、誘電体60あるいは給電部36に加わる圧力に変化はなく、電気的インピーダンスが変動することもない。よって、本発明に係るTM01モードトランスデューサーを、上記導体線70のような単一線に電磁波を伝搬させるようにしたレーダー方式計測装置のトランスデューサーとして用いると計測精度を高めることができる。   In that respect, according to the illustrated embodiment, the load of the conductor wire 70 and the load of the center conductor 50 are applied to the casing 24 via the short pin 52 as described above. Since the casing 24 is supported by the ceiling 86 of the tank 82, the load applied to the casing 24 is applied to the ceiling 86 and does not apply to the dielectric 60 or the power feeding unit 36. Therefore, even if the load applied to the conductor wire coupling portion 58 of the center conductor 50 fluctuates due to the swing of the conductor wire 70, the pressure applied to the dielectric 60 or the power feeding portion 36 does not change, and the electrical impedance may fluctuate. Absent. Therefore, when the TM01 mode transducer according to the present invention is used as a transducer of a radar type measurement apparatus that propagates electromagnetic waves to a single line such as the conductor line 70, the measurement accuracy can be improved.

原油や液化ガスなどの液体を収納するタンクは気密状態に維持されている必要があるため、上記トランスデューサー20のタンクへの設置部も気密状態に維持されている必要がある。図示のトランスデューサー20の構造においては、誘電体60と筐体24の間がシール材66でシールされ、誘電体60と中心導体50の間がシール材68でシールされ、キャビティ80の気密性が保たれている。筐体24は適宜のシール材を介在させてタンク82(図5参照)の天井に設置されるため、タンク82の気密性も保たれる。   Since a tank for storing a liquid such as crude oil or liquefied gas needs to be maintained in an airtight state, the installation portion of the transducer 20 on the tank needs to be maintained in an airtight state. In the illustrated structure of the transducer 20, the gap between the dielectric 60 and the housing 24 is sealed with a sealing material 66, and the gap between the dielectric 60 and the central conductor 50 is sealed with a sealing material 68. It is kept. Since the casing 24 is installed on the ceiling of the tank 82 (see FIG. 5) with an appropriate sealing material interposed therebetween, the airtightness of the tank 82 is also maintained.

誘電体60もタンク82のシール材として機能している。誘電体60の材料として例えばフッ素樹脂を用いるとよい。   The dielectric 60 also functions as a sealing material for the tank 82. As a material for the dielectric 60, for example, a fluororesin may be used.

TM01モードトランスデューサーは、共振周波数および帯域幅の最適化を図ることが求められる。前記本発明のTM01モードトランスデューサーの実施例によれば、ショートピン52の形状が独特の形状であり、パッチアンテナ41を用いていることによって、共振周波数および帯域幅の最適化を図ることができる。ショートピン52は、図4について説明したように、横断面形状が台形状である。台形状のショートピン52の高さすなわち前記半径Pと半径Cの差は、トランスデューサー20のインピーダンスに影響する。台形状のショートピン52の底辺の長さすなわち図4においてショートピン52の外側面の周方向長さLはトランスデューサー20の共振周波数に影響する。   The TM01 mode transducer is required to optimize the resonance frequency and bandwidth. According to the embodiment of the TM01 mode transducer of the present invention, the shape of the short pin 52 is unique and the patch antenna 41 is used, so that the resonance frequency and bandwidth can be optimized. . As described with reference to FIG. 4, the short pin 52 has a trapezoidal cross-sectional shape. The height of the trapezoidal short pin 52, that is, the difference between the radius P and the radius C affects the impedance of the transducer 20. The length of the bottom side of the trapezoidal short pin 52, that is, the circumferential length L of the outer surface of the short pin 52 in FIG. 4 affects the resonance frequency of the transducer 20.

また、パッチアンテナ41の半径もトランスデューサー20の共振周波数に影響する。給電部36とパッチアンテナ41との間隔は、トランスデューサー20の周波数帯域幅およびインピーダンスに影響する。相対向する上記給電部36とパッチアンテナ41はコンデンサを構成しており、給電線34から上記コンデンサを直列に介して高周波信号がパッチアンテナ41に供給される。この直列給電回路を構成する上記コンデンサの静電容量はトランスデューサー20のインピーダンスに影響する。   The radius of the patch antenna 41 also affects the resonance frequency of the transducer 20. The distance between the power feeding unit 36 and the patch antenna 41 affects the frequency bandwidth and impedance of the transducer 20. The feeding unit 36 and the patch antenna 41 facing each other constitute a capacitor, and a high-frequency signal is supplied from the feeding line 34 to the patch antenna 41 through the capacitor in series. The capacitance of the capacitor constituting the series power feeding circuit affects the impedance of the transducer 20.

上記実施例に係るTM01モードトランスデューサーによれば、台形状のショートピン52の台形の高さ、底辺の長さを調整することにより、共振周波数およびインピーダンスを、使用目的に適合した最適設計値に設定することが可能になる。また、パッチアンテナ41の半径、給電部36とパッチアンテナ41の間隔、上記直列コンデンサの静電容量を調整することにより、トランスデューサー20の周波数帯域幅およびインピーダンスを、最適値に設定することが可能になる。   According to the TM01 mode transducer according to the above embodiment, the resonance frequency and the impedance are adjusted to the optimum design values suitable for the purpose of use by adjusting the height of the trapezoid of the trapezoidal short pin 52 and the length of the base. It becomes possible to set. Further, the frequency bandwidth and impedance of the transducer 20 can be set to optimum values by adjusting the radius of the patch antenna 41, the distance between the power feeding unit 36 and the patch antenna 41, and the capacitance of the series capacitor. become.

上記のようにして共振周波数およびインピーダンスを最適値に設定し、キャビティ80の共振周波数が最適値になるようにキャビティ80の構造パラメータを調整すると、トランスデューサー20の周波数帯域幅の拡大および最適化を図ることができる。特に、上記台形状のパラメータを利用してパッチアンテナ41による周波数帯域幅およびインピーダンスの調整と組み合わせることは知られていない。また、トランスデューサー20の周波数帯域幅が拡大する効果も知られていない。このように、本発明の実施例によれば、TM01モードトランスデューサーの適用範囲を広げることができる。   When the resonance frequency and impedance are set to the optimum values as described above, and the structural parameters of the cavity 80 are adjusted so that the resonance frequency of the cavity 80 becomes the optimum value, the frequency bandwidth of the transducer 20 can be expanded and optimized. Can be planned. In particular, it is not known to combine the adjustment of the frequency bandwidth and impedance by the patch antenna 41 using the trapezoidal parameters. In addition, the effect of increasing the frequency bandwidth of the transducer 20 is not known. Thus, according to the embodiment of the present invention, the application range of the TM01 mode transducer can be expanded.

キャビティ80の構造パラメータと、最適化することができる特性項目との関係は以下のとおりである。
キャビティ80の内径:共振周波数
中心導体50の外径:周波数帯域幅、インピーダンス
The relationship between the structural parameters of the cavity 80 and the characteristic items that can be optimized is as follows.
Inner diameter of cavity 80: resonance frequency Outer diameter of center conductor 50: frequency bandwidth, impedance

本発明に係るTM01モードトランスデューサーは、主としてパルスレーダー式の距離計測装置例えば液面計のトランスデューサーを想定しているが、他の機器のトランスデューサーとして用いることもできる。   The TM01 mode transducer according to the present invention is mainly assumed to be a pulse radar type distance measuring device such as a level gauge transducer, but can also be used as a transducer of other devices.

20 TM01モードトランスデューサー
22 ベース板
24 筐体
26 フランジ
28 中心孔(同軸線路の外部導体)
30 同軸コネクタ
32 誘電体
34 給電線(同軸線路の内部導体)
36 給電部
41 パッチアンテナ
50 中心導体
52 ショートピン
66 Oリング
68 Oリング
70 導体線
80 キャビティ
20 TM01 mode transducer 22 Base plate 24 Case 26 Flange 28 Center hole (Coaxial line outer conductor)
30 Coaxial connector 32 Dielectric 34 Feed line (Inner conductor of coaxial line)
36 Feeding part 41 Patch antenna 50 Center conductor 52 Short pin 66 O-ring 68 O-ring 70 Conductor wire 80 Cavity

Claims (8)

導体線を垂下させた態様で結合するための中心導体と、
上記中心導体に実装されているパッチアンテナと、
上記パッチアンテナと静電容量で結合する給電部と、
上記パッチアンテナと上記給電部を覆う筐体と、
上記中心導体および筐体とともにキャビティを形成する誘電体と、を有し、
上記パッチアンテナは上記キャビティ内に封じ込められ、
上記中心導体は、上記筐体に一体に結合されたショートピンを有することにより、上記中心導体にかかる上記導体線の荷重が上記ショートピンを介して上記筐体にかかる構造になっており、
上記筐体を貫通して上記給電部へ高周波パルスを給電する給電線および同軸コネクタが設けられ、
上記同軸コネクタから供給される高周波パルス信号を上記パッチアンテナからTM01モードの高周波パルス信号に変換するTM01モードトランスデューサー。
A central conductor for coupling the conductor wires in a suspended manner;
A patch antenna mounted on the center conductor;
A power feeding unit coupled with the patch antenna by a capacitance;
A casing covering the patch antenna and the power feeding unit;
A dielectric that forms a cavity with the central conductor and the housing, and
The patch antenna is enclosed in the cavity,
The center conductor has a structure in which the load of the conductor wire applied to the center conductor is applied to the housing via the short pin by having a short pin integrally coupled to the housing.
A feed line and a coaxial connector are provided to feed a high-frequency pulse to the feed unit through the housing,
A TM01 mode transducer for converting a high frequency pulse signal supplied from the coaxial connector into a TM01 mode high frequency pulse signal from the patch antenna.
中心導体のショートピンは複数あり、この複数のショートピンが筐体に圧入されることにより上記中心導体と上記筐体が一体に結合されている請求項1記載のTM01モードトランスデューサー。   2. The TM01 mode transducer according to claim 1, wherein there are a plurality of short pins of the center conductor, and the plurality of short pins are press-fitted into the housing so that the center conductor and the housing are integrally coupled. 誘電体は、ベース板と筐体との間に挟み込まれている請求項1または2記載のTM01モードトランスデューサー。   The TM01 mode transducer according to claim 1 or 2, wherein the dielectric is sandwiched between the base plate and the casing. ベース板と誘電体との間に、キャビティ内を気密にするシール材が介在している請求項3記載のTM01モードトランスデューサー。   4. The TM01 mode transducer according to claim 3, wherein a sealing material for sealing the inside of the cavity is interposed between the base plate and the dielectric. 中心導体と誘電体との間に、キャビティ内を気密にする第2のシール材が介在している請求項1乃至4のいずれかに記載のTM01モードトランスデューサー。   The TM01 mode transducer according to any one of claims 1 to 4, wherein a second sealing material that seals the inside of the cavity is interposed between the central conductor and the dielectric. 筐体はアースにつながる請求項1乃至5のいずれかに記載のTM01モードトランスデューサー。   The TM01 mode transducer according to any one of claims 1 to 5, wherein the casing is connected to ground. 中心導体と筐体は同心の円形であり、中心導体の導体線結合部は上記同心円の中心にある請求項1乃至6のいずれかに記載のTM01モードトランスデューサー。   The TM01 mode transducer according to any one of claims 1 to 6, wherein the central conductor and the casing are concentric circles, and the conductor wire coupling portion of the central conductor is at the center of the concentric circle. 中心導体のショートピンの横断面形状は、中心導体の中心軸線を中心とした大小二つの円弧と上記中心軸線を中心とした所定の開き角をもった二つの半径方向の線とで切断された台形状である請求項1乃至7のいずれかに記載のTM01モードトランスデューサー。
The cross-sectional shape of the short pin of the center conductor was cut by two large and small arcs centered on the center axis of the center conductor and two radial lines centered on the center axis and having a predetermined opening angle. The TM01 mode transducer according to any one of claims 1 to 7, which has a trapezoidal shape.
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