Study of level measurement pulse radar systems

The technical benefits of radar as a level measurement technique are clear. Radar provides a non-contact sensor that is virtually unaffected by changes in process temperature, pressure or the gas and vapor composition within vessel. In addition, the measurement accuracy is unaffected by changes in density, conductivity and dielectric constant of the product being measured or by air movement above the product. These benefits have become more significant to the process industry since the advent of low costs, high performance, two wire loop powered radar level transmitters. This breakthrough, in the summer of 1997, produced an unprecedented boom in the use of non-contact microwave radar transmitters for liquids and solids process level application. The major objective of this dissertation is to design and fabricate a front-end RF system for level measurement pulse radars in order to push the radar capability a step further by higher frequencies. Since radar design techniques are well-known theoretically, challenges of this work are under experimental phase. The aim is achieved while there are limits regarding budget, available components, laboratory instruments and etc. The front-end microwave module takes advantage of smaller size, low cost and ease of fabrication in comparison with many other level measurement radars. Each block of the system is individually designed and realized; the simulation and measurement results are reported. All blocks are coming together and form the front-end microwave module circuit. The microwave module circuit as a section of level measurement pulse radar device will be under a real case scenario test to measure distance and results will be presented. As long as compactness of electronic devices is requested, the antenna designer is pushed to reduce the antenna size as well. Planar antennas are widely used in variety of applications due to their compact shape, light weight, less complexity, low cost and ease of implementation and integration with microwave integrated circuits. Despite these significant advantages, planar antennas suffer low impedance bandwidth, low gain and poor radiation efficiency. The second part of this research is focusing on electromagnetic propagation issues, mainly radiation enhancement of planar antennas for radar and remote sensing applications.

I vantaggi tecnici del radar come tecnica di misurazione di livello sono chiari. I radar forniscono un sensore senza contatto che praticamente non è influenzato da variazioni della temperatura del processo, della pressione o della composizione di gas o vapore all'interno del contenitore. Inoltre, l'accuratezza della misurazione non è influenzata dalle variazioni di densità, conduttività e costante dielettrica del prodotto misurato o dal movimento dell'aria sopra il prodotto. Questi vantaggi sono diventati più significativi per l'industria di processo in quanto forniscono alte performance, bassi costi e trasmettitori radar di livello alimentati con loop a due fili. Questa svolta, nell'estate del 1997, ha prodotto un boom senza precedenti nell'uso di trasmettitori radar a microonde senza contatto per applicazioni di processo che richiedono la misurazione di livello dei liquidi e solidi. L'obiettivo principale di questo lavoro di tesi è di progettare e fabbricare un sistema front-end RF per radar a impulso per la misura di livello, al fine di spingere la capacità del radar un ulteriore passo avanti con frequenze più alte. Dato che le tecniche di progettazione radar sono ben note teoricamente, le sfide di questo lavoro sono in fase sperimentale. L'obiettivo è stato raggiunto mentre esistono dei limiti in termini di budget, disponibilità dei componenti, attrezzature di laboratorio ecc. Il modulo a microonde front-end è favorito rispetto altri radar di misurazione di livello per via delle dimensioni ridotte, basso costo e facilità di fabbricazione. Ogni blocco del sistema è progettato e realizzato individualmente, e vengono inoltre riportati i risultati di simulazione e misurazione. Tutti i blocchi si uniscono e formano il circuito del modulo a microonde front-end. Il circuito del modulo a microonde come sezione del dispositivo radar a impulso di misurazione del livello verrà messo sotto un test di un caso reale per misurare la distanza e verranno presentati i risultati. Finché viene richiesta la compattezza dei dispositivi elettronici, il progettista dell'antenna deve ridurre anche le dimensioni dell'antenna. Le antenne planari sono ampiamente utilizzate in diverse applicazioni grazie alla loro forma compatta, leggerezza, meno complessità, basso costo e facilità di implementazione e integrazione con i circuiti integrati a microonde. Nonostante i vantaggi significativi, le antenne planari presentano una larghezza di banda a bassa impedenza, basso guadagno e scarsa efficienza di radiazione. La seconda parte di questa ricerca si concentra sui problemi di propagazione elettromagnetica, principalmente l'aumento delle radiazioni di antenne planari per applicazioni di radar e di telerilevamento.