【導(dǎo)讀】可以通過將空氣介質(zhì)傳輸線貼在非金屬水箱外壁來檢測RF阻抗，以準(zhǔn)確測量其液位。本文提供一個經(jīng)驗設(shè)計示例，顯示反射計器件（例如ADI公司的ADL5920 ）如何幫助簡化設(shè)計。
與傳統(tǒng)式機(jī)械浮子液位檢測方法相比，基于反射計的解決方案具備多種優(yōu)勢，包括：
● 能夠快速、實時測量液位
● 支持實施廣泛的電子后處理
● 非接觸式設(shè)計（不會污染液體）
● 無活動零件
● 最小的RF輻射場（遠(yuǎn)場抵消）
● 無需在水箱上開孔，用于安裝外部傳感器（降低泄漏風(fēng)險）
● 由于水箱上沒有電線或零件，可以更加安全
液位測量概述
圖1所示為整個系統(tǒng)的方框圖，包括用于驅(qū)動平衡式和端接式空氣介質(zhì)傳輸線的RF信號源，線路中包含反射計。
圖1.液位測量系統(tǒng)方框圖。
工作原理
懸浮在空氣中的傳輸線可用于準(zhǔn)確測量阻抗特性和降低RF損耗，這是因為它使用低損耗導(dǎo)體，且不使用固體介質(zhì)材料。經(jīng)典的E和H矢量圖表明，電場和磁場集中在導(dǎo)體周圍，它們的大小隨距離增加而迅速減小，距離則相對于傳輸線結(jié)構(gòu)本身的大小和間距來測量。附近的介電材料（例如水箱壁和水箱內(nèi)的液體）會改變傳輸線的電氣特性1，可由反射計（例如ADL5920）簡略測量。
詳細(xì)說明
考慮設(shè)計用于確定空氣中的特定特性阻抗ZO的空氣介質(zhì)低損耗傳輸線。增加的任何介電物質(zhì)，例如傳輸線近場中的液體，都會：
● 降低傳輸線的特性阻抗；
● 降低傳播速度，從而增加線路的有效電長度；以及
● 增加線路衰減。
這三種效應(yīng)結(jié)合在一起，可以降低回波損耗，回波損耗可使用反射計器件或儀器直接測量。通過仔細(xì)設(shè)計和校準(zhǔn)，可以將回波損耗與液位關(guān)聯(lián)起來。
為了簡化分析，在將傳輸線連接至水箱之前，考慮將圖1中的空氣介質(zhì)傳輸線的阻抗設(shè)置為等于ZO 。因為線路與ZO端接，所以從理論來說，線路中沒有反射能，所以回波損耗是無限的。
將傳輸線貼裝到水箱側(cè)面之后，以前的一條傳輸線現(xiàn)在會變成兩條獨(dú)立的傳輸線，以串聯(lián)形式級聯(lián)：
● 在液位以上，傳輸線以空氣為介質(zhì)，水箱壁材料除外。傳輸線的阻抗ZOA與空氣介電值ZO相比，變化不大。傳輸線的傳播速度也是如此。
● 在液位以下，傳輸線阻抗ZOF比ZOA低。因為傳輸線的近場中存在額外的介電材料，所以電長度有效增加，衰減也一樣。
在由傳輸線源端的反射計測量時，傳輸線遠(yuǎn)端的端接ZO的阻抗會發(fā)生轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變以圖形化的方式描述，大約如圖2所示。由于ZOF低于ZO，所以史密斯圖按順時針方向旋轉(zhuǎn)，方向如箭頭所示。
圖2.擴(kuò)展的標(biāo)準(zhǔn)史密斯圖，表示傳輸線的輸入阻抗。線路端點(diǎn)表述液位如何轉(zhuǎn)化成回波損耗測量值。
當(dāng)傳輸線阻抗與線路末端的電阻端部精確匹配時，傳輸線不會導(dǎo)致阻抗轉(zhuǎn)變。這種情況與圖2所示的史密斯圖的中心對應(yīng)，該圖顯示標(biāo)準(zhǔn)化阻抗為1 + j0 Ω。在將傳輸線連接至水箱之前，回波損耗應(yīng)至少為26 dB。
將傳輸線連接到空水箱之后，水箱壁的材料會使傳輸線的介電材料增加，令線路的阻抗降低到ZOA，并稍微增長傳輸線Trace 1的有效電長度，具體如圖2所示。回波損耗的測量值幾乎保持不變，約為20 dB。
隨著水箱中的水位上漲，傳輸線的阻抗下降，這是因為液體占據(jù)了原先用作傳輸介質(zhì)的部分空氣。傳輸線的阻抗原先為 ZOA，現(xiàn)在變成ZOF。所以，史密斯圖轉(zhuǎn)動的中心點(diǎn)降低。與此同時，因為傳輸線的有效電長度增加，史密斯圖轉(zhuǎn)動的量增加。具體由圖2中的Trace 2和Trace 3表示。所以，反射計測量到，射頻發(fā)生器端的回波損耗降低。
因為ADL5920測量的是反射幅度大小，而不是相位，所以阻抗轉(zhuǎn)變應(yīng)該限制在史密斯圖的下半部分，在這個位置，無功分量為負(fù)。否則，阻抗被傳回史密斯圖的中心，導(dǎo)致測量值不準(zhǔn)確。這意味著，連接到整個水箱的傳輸線的電長度應(yīng)為90°或小于90°。如果電長度超過90°,測量的回波損耗會出現(xiàn)折返。
雙向RF檢波器（例如ADL5920）可以測量入射功率和反射功率（單位：dBm），且傳輸線的特性阻抗ZO = 50 Ω。ADL5920也可以減去這兩個讀數(shù)，直接測量回波損耗(dB)。
何為回波損耗？
簡單來說，就是當(dāng)RF源連接至負(fù)載時，一些功率會轉(zhuǎn)化為負(fù)載，余下的功率則反射回源。兩種功率電平之間的差值就是回波損耗。這一般用于衡量負(fù)載與源之間的匹配程度。
巴倫的用途
巴倫用于驅(qū)動電壓相等，但極性相反的導(dǎo)體，所以主要有兩大作用：
● 降低傳輸線輸入/輸出的雜散RF。這對控制合規(guī)的EMI非常重要。各個方向的遠(yuǎn)場EMI也因為抵消而降低。
● 轉(zhuǎn)變阻抗。更高的阻抗意味著傳輸線元件之間的間隔更大，這也意味著電場會更深入地穿透容器。其結(jié)果是，回波損耗和液位之間呈現(xiàn)更大變化，這意味著液位測量更加敏感。
T巴倫應(yīng)該在帶通濾波器的整個帶通頻段內(nèi)提供出色的共模抑制比(CMRR)。
有必要采用帶通濾波器嗎？
在雜散RF可能耦合至傳輸線的位置，推薦使用圖1所示的可選帶通濾波器。帶通濾波器有助于降低或消除Wi-Fi、蜂窩、PCS服務(wù)、陸地移動無線電和所有其他與所需源不處于同一頻段的外部信號帶來的干擾。
為了實現(xiàn)最佳效果，建議帶通濾波器設(shè)計采用低插入損耗，且回波損耗與回波損耗的測量值相當(dāng)；即，約為30 dB或更優(yōu)化。
基本的設(shè)計步驟
設(shè)計步驟大致如下：
● 根據(jù)傳輸線的長度選擇工作頻率。一般來說，傳輸線的長度約與水箱高度相當(dāng)，或稍長一點(diǎn)。在選擇工作頻率時，應(yīng)確保傳輸線的長度一般為空氣中的RF波長的1/10至1/4。圖3所示為大致的頻率范圍。在更低頻率下，會實現(xiàn)更出色的回波損耗線性度和液位，在更高頻率下，會實現(xiàn)更大的回波損耗信號范圍，但是線性度可能不佳，且會出現(xiàn)測量折返（圖2）。如果需要電磁輻射合規(guī)，可以從適用ISM頻率列表中選擇頻率。2
● 根據(jù)所選的頻率或頻段設(shè)計或選擇巴倫。巴倫可以以集總元件LC或變壓器為基礎(chǔ)。巴倫在與平衡端L連接時，應(yīng)具備出色的回波損耗。
● 計算導(dǎo)體寬度，以及傳輸線的間隔尺寸。計算時，可以使用傳輸線阻抗計算器，例如任意傳輸線計算器(ATLC)。3
圖3.推薦的工作頻率與傳輸線長度。
簡單的設(shè)計示例
為了進(jìn)行展示，設(shè)計了一種適用于汽車擋風(fēng)玻璃清洗水箱的液位監(jiān)測器。該測試設(shè)置讓水在兩個完全相同的水箱之間流動，一個水箱連接傳輸線，用于測量液位。
根據(jù)之前的計劃：
● 因為水箱高度約為6英寸（0.15米），那么約300 MHz目標(biāo)RF激勵是合理的（參見圖3）。
● 接下來，根據(jù)這個頻率范圍設(shè)計和構(gòu)建LC巴倫。需要對ZO進(jìn)行輕微的升壓阻抗轉(zhuǎn)變，以提高對液位變化4 的靈敏度（參見圖4）。采用網(wǎng)絡(luò)分析儀或反射計來驗證單端端口上的回波損耗是否約為30 dB或更出色，其中固定電阻終端在連接至傳輸線之前，先直接連接至巴倫。
● 我們設(shè)計和構(gòu)建并行傳輸線，其中ZO 等于之前使用的電阻值。傳輸線在電路中連接，電阻終端則移動至線路末端。參見圖4和圖5。再次使用網(wǎng)絡(luò)分析儀或反射計來驗證回波損耗是否保持出色水平——約為25 dB或更出色。
圖4.液位檢測示例中使用的巴倫和傳輸線。
圖5.分立式巴倫和端接傳輸線，連接到水箱之前。
現(xiàn)在，傳輸線可能連接至水箱側(cè)面，如圖6所示。連接到空水箱時，回波損耗稍微降低是正常現(xiàn)象，這是因為作為傳輸線附加介電層的水箱壁材料具有失諧效應(yīng)。
圖6.示例設(shè)計顯示連接到水箱側(cè)面的傳輸線。
示例測試結(jié)果
圖7顯示完整的測試設(shè)置。傳輸線連接至水箱側(cè)面，且水箱具備相關(guān)配置，可以管控注入和排出的水量。
ADI公司的評估套件DC2847A用于輕松讀取ADL5920反射計的測量結(jié)果。這個評估套件包含一個混合信號處理器MCU，用于讀取正向和反射檢波器的模擬電壓。PC軟件會自動加載和顯示結(jié)果（以圖表和時間形式）。回波損耗的計算非常簡單：正向和反向功率測量值的差值。圖7顯示設(shè)計示例的整個測試設(shè)置。
圖7.設(shè)計示例的整個測試設(shè)置。
在這個設(shè)計示例中，通過激活兩個水箱其中一個的泵來確定液位水平。當(dāng)泵運(yùn)行時，質(zhì)量流量是相對恒定的，所以，理想情況是水箱中的水位相對于時間線性上升。實際上，水箱從頂部到底部的橫截面并不完全相同。
圖8所示為液位從滿到空時的測試結(jié)果。從水箱中抽出液體時，正向功率保持恒定，反射功率呈線性降低。
t = 33秒時，坡度發(fā)生明顯變化。究其原因，應(yīng)該是水箱設(shè)計造成的。水箱底部的橫截面面積會減小，如圖7所示，以為泵電機(jī)留出空間。這導(dǎo)致測量結(jié)果呈現(xiàn)非線性，必要時，可在系統(tǒng)固件中輕松糾正。
圖8.示例測試結(jié)果與液位。液位測量呈線性且無變化，但本文中所講述的水箱設(shè)計導(dǎo)致的意外情況除外。
校準(zhǔn)
為了實現(xiàn)最高精度，必須對反射計實施校準(zhǔn)。校準(zhǔn)可以校正反射計內(nèi)部的RF檢波器的制造差異性——即斜率和截距。DC2847A評估套件支持單獨(dú)校準(zhǔn)，如圖8所示。
在更高水平下，也需要對液位和回波損耗實施校準(zhǔn)。這可能是因為下列不確定性來源造成：
● 傳輸線和水箱壁之間的制造距離差異。
● 水箱壁的厚薄差異。
● 液體和/或水箱壁的介電性能會隨溫度而變化。
可能存在系統(tǒng)非線性問題，例如，圖8中所示的斜率變化。如果使用線性插值，那么在這種情況下，需要使用三點(diǎn)及以上的點(diǎn)校準(zhǔn)。
所有校準(zhǔn)系數(shù)通常存儲在系統(tǒng)的非易失性存儲器中，這可能是嵌入式處理器應(yīng)用未使用的代碼空間，或者是專用的非易失性存儲器設(shè)備。
液位測量限制
任何反射計的指向性都是一個關(guān)鍵指標(biāo)。在不考慮巴倫損耗的情況下，當(dāng)傳輸線與其自身的ZO準(zhǔn)確端接時，反射功率降低至零，反射計會測量其自身的指向性指標(biāo)。指向性指標(biāo)越高，反射計就越能夠準(zhǔn)確地區(qū)分入射波和反射波的大小。
對于ADL5920，指向性在1 GHz時一般為20 dB，在100 MHz或更低時達(dá)到會增長為約43 dB。這使得ADL5920非常適合用于在水箱高度約30 mm或更高時，測量液位水平（參見圖3）。
應(yīng)用擴(kuò)展
在有些應(yīng)用中，可以按幾種方式擴(kuò)展基本的非接觸式液位測量原則。例如：
● 測量可能按低占空比執(zhí)行，以節(jié)省功率。
● 如果液位保持恒定，回波損耗測量可與另一個相關(guān)的流體特性關(guān)聯(lián)；例如，速度或pH值。
● 每種應(yīng)用都是唯一的。例如，相比在最底部，有些技術(shù)在范圍的最頂部能提供更出色的精度，反之亦然，具體由應(yīng)用決定。
● 如果水箱采用金屬材質(zhì)，傳輸線需要通過水箱內(nèi)部。根據(jù)具體應(yīng)用，傳輸線可能需要浸入水中。
● 可以使用多個RF功率電平的測量值來確定外部RF干擾是否會導(dǎo)致誤差。許多單芯片PLL器件都支持此功能，使其成為測試系統(tǒng)可靠性，或自我測試可靠性的測試。
● 水箱兩面或四面上的傳輸線傳感器可以分別補(bǔ)償箱體沿一軸或兩軸的傾斜度。
● 如果是用于測量液位閾值，則使用一根或多根較短的傳輸線在較高頻率下運(yùn)行會是不錯的解決方案
結(jié)論
開發(fā)ADL5920之類的單芯片反射計器件促生了新的應(yīng)用類型，例如液位儀器儀表。取消活動零件（例如使用多年的機(jī)械浮子）可以大幅提高可靠性。油位監(jiān)測也成為可能，推動產(chǎn)生了許多新工業(yè)和汽車應(yīng)用。
腳注
1液體的存在會影響傳輸線的阻抗、損耗和傳播速度。
2工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療頻率。訪問en.wikipedia.org/wiki/ISM_band.
3ATLC：任意傳輸線計算器（適用于傳輸線和定向耦合器）。訪問atlc.sourceforge.net.
4阻抗設(shè)置過大，會增加傳輸線的設(shè)計難度，且使傳輸線損耗超過限制。
致謝
本文作者感謝Michiel Kouwenhoven、James Wong、Bruce Nguyen和John Chung。沒有他們的指導(dǎo)和幫助，本文可能難以問世。
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