工作原理

 

懸浮在空氣中的傳輸線(xiàn)可用于準確測量阻抗特性和降低RF損耗，這是因為它使用低損耗導體，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(chǎng)和磁場(chǎng)集中在導體周?chē)?，它們的大小隨距離增加而迅速減小，距離則相對于傳輸線(xiàn)結構本身的大小和間距來(lái)測量。附近的介電材料（例如水箱壁和水箱內的液體）會(huì )改變傳輸線(xiàn)的電氣特性，可由反射計（例如ADL5920）簡(jiǎn)略測量。

 

詳細說(shuō)明

考慮設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(xiàn)。增加的任何介電物質(zhì)，例如傳輸線(xiàn)近場(chǎng)中的液體，都會(huì )：

● 降低傳輸線(xiàn)的特性阻抗；

● 降低傳播速度，從而增加線(xiàn)路的有效電長(cháng)度；以及

● 增加線(xiàn)路衰減。

 

這三種效應結合在一起，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(guò)仔細設計和校準，可以將回波損耗與液位關(guān)聯(lián)起來(lái)。

 

為了簡(jiǎn)化分析，在將傳輸線(xiàn)連接至水箱之前，考慮將圖1中的空氣介質(zhì)傳輸線(xiàn)的阻抗設置為等于ZO 。因為線(xiàn)路與ZO端接，所以從理論來(lái)說(shuō)，線(xiàn)路中沒(méi)有反射能，所以回波損耗是無(wú)限的。

 

將傳輸線(xiàn)貼裝到水箱側面之后，以前的一條傳輸線(xiàn)現在會(huì )變成兩條獨立的傳輸線(xiàn)，以串聯(lián)形式級聯(lián)：

● 在液位以上，傳輸線(xiàn)以空氣為介質(zhì)，水箱壁材料除外。傳輸線(xiàn)的阻抗ZOA與空氣介電值ZO相比，變化不大。傳輸線(xiàn)的傳播速度也是如此。

● 在液位以下，傳輸線(xiàn)阻抗ZOF比ZOA低。因為傳輸線(xiàn)的近場(chǎng)中存在額外的介電材料，所以電長(cháng)度有效增加，衰減也一樣。

 

在由傳輸線(xiàn)源端的反射計測量時(shí)，傳輸線(xiàn)遠端的端接ZO的阻抗會(huì )發(fā)生轉變。轉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(shí)針?lè )较蛐D，方向如箭頭所示。

 

圖2.擴展的標準史密斯圖，表示傳輸線(xiàn)的輸入阻抗。線(xiàn)路端點(diǎn)表述液位如何轉化成回波損耗測量值。

 

當傳輸線(xiàn)阻抗與線(xiàn)路末端的電阻端部精確匹配時(shí)，傳輸線(xiàn)不會(huì )導致阻抗轉變。這種情況與圖2所示的史密斯圖的中心對應，該圖顯示標準化阻抗為1 + j0 Ω。在將傳輸線(xiàn)連接至水箱之前，回波損耗應至少為26 dB。

 

將傳輸線(xiàn)連接到空水箱之后，水箱壁的材料會(huì )使傳輸線(xiàn)的介電材料增加，令線(xiàn)路的阻抗降低到ZOA，并稍微增長(cháng)傳輸線(xiàn)Trace 1的有效電長(cháng)度，具體如圖2所示?；夭〒p耗的測量值幾乎保持不變，約為20 dB。

 

隨著(zhù)水箱中的水位上漲，傳輸線(xiàn)的阻抗下降，這是因為液體占據了原先用作傳輸介質(zhì)的部分空氣。傳輸線(xiàn)的阻抗原先為 ZOA，現在變成ZOF。所以，史密斯圖轉動(dòng)的中心點(diǎn)降低。與此同時(shí)，因為傳輸線(xiàn)的有效電長(cháng)度增加，史密斯圖轉動(dòng)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，所以阻抗轉變應該限制在史密斯圖的下半部分，在這個(gè)位置，無(wú)功分量為負。否則，阻抗被傳回史密斯圖的中心，導致測量值不準確。這意味著(zhù)，連接到整個(gè)水箱的傳輸線(xiàn)的電長(cháng)度應為90°或小于90°。如果電長(cháng)度超過(guò)90°,測量的回波損耗會(huì )出現折返。

 

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(xiàn)的特性阻抗ZO = 50 Ω。ADL5920也可以減去這兩個(gè)讀數，直接測量回波損耗(dB)。

 

何為回波損耗？

 

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是當RF源連接至負載時(shí)，一些功率會(huì )轉化為負載，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。這一般用于衡量負載與源之間的匹配程度。

 

巴倫的用途

 

巴倫用于驅動(dòng)電壓相等，但極性相反的導體，所以主要有兩大作用：

● 降低傳輸線(xiàn)輸入/輸出的雜散RF。這對控制合規的EMI非常重要。各個(gè)方向的遠場(chǎng)EMI也因為抵消而降低。

● 轉變阻抗。更高的阻抗意味著(zhù)傳輸線(xiàn)元件之間的間隔更大，這也意味著(zhù)電場(chǎng)會(huì )更深入地穿透容器。其結果是，回波損耗和液位之間呈現更大變化，這意味著(zhù)液位測量更加敏感。

 

巴倫應該在帶通濾波器的整個(gè)帶通頻段內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(xiàn)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(dòng)無(wú)線(xiàn)電和所有其他與所需源不處于同一頻段的外部信號帶來(lái)的干擾。

 

為了實(shí)現最佳效果，建議帶通濾波器設計采用低插入損耗，且回波損耗與回波損耗的測量值相當；即，約為30 dB或更優(yōu)化。

 

基本的設計步驟

 

設計步驟大致如下：

● 根據傳輸線(xiàn)的長(cháng)度選擇工作頻率。一般來(lái)說(shuō)，傳輸線(xiàn)的長(cháng)度約與水箱高度相當，或稍長(cháng)一點(diǎn)。在選擇工作頻率時(shí)，應確保傳輸線(xiàn)的長(cháng)度一般為空氣中的RF波長(cháng)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(huì )實(shí)現更出色的回波損耗線(xiàn)性度和液位，在更高頻率下，會(huì )實(shí)現更大的回波損耗信號范圍，但是線(xiàn)性度可能不佳，且會(huì )出現測量折返（圖2）。如果需要電磁輻射合規，可以從適用ISM頻率列表中選擇頻率。

● 根據所選的頻率或頻段設計或選擇巴倫。巴倫可以以集總元件LC或變壓器為基礎。巴倫在與平衡端L連接時(shí)，應具備出色的回波損耗。

● 計算導體寬度，以及傳輸線(xiàn)的間隔尺寸。計算時(shí)，可以使用傳輸線(xiàn)阻抗計算器，例如任意傳輸線(xiàn)計算器(ATLC)。

 

圖3.推薦的工作頻率與傳輸線(xiàn)長(cháng)度。

 

簡(jiǎn)單的設計示例

為了進(jìn)行展示，設計了一種適用于汽車(chē)擋風(fēng)玻璃清洗水箱的液位監測器。該測試設置讓水在兩個(gè)完全相同的水箱之間流動(dòng)，一個(gè)水箱連接傳輸線(xiàn)，用于測量液位。

 

根據之前的計劃：

● 因為水箱高度約為6英寸（0.15米），那么約300 MHz目標RF激勵是合理的（參見(jiàn)圖3）。

● 接下來(lái)，根據這個(gè)頻率范圍設計和構建LC巴倫。需要對ZO進(jìn)行輕微的升壓阻抗轉變，以提高對液位變化的靈敏度（參見(jiàn)圖4）。采用網(wǎng)絡(luò )分析儀或反射計來(lái)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(xiàn)之前，先直接連接至巴倫。

● 我們設計和構建并行傳輸線(xiàn)，其中ZO 等于之前使用的電阻值。傳輸線(xiàn)在電路中連接，電阻終端則移動(dòng)至線(xiàn)路末端。參見(jiàn)圖4和圖5。再次使用網(wǎng)絡(luò )分析儀或反射計來(lái)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(xiàn)。

圖5.分立式巴倫和端接傳輸線(xiàn)，連接到水箱之前。

 

現在，傳輸線(xiàn)可能連接至水箱側面，如圖6所示。連接到空水箱時(shí)，回波損耗稍微降低是正?，F象，這是因為作為傳輸線(xiàn)附加介電層的水箱壁材料具有失諧效應。

 

圖6.示例設計顯示連接到水箱側面的傳輸線(xiàn)。

 

示例測試結果

 

圖7顯示完整的測試設置。傳輸線(xiàn)連接至水箱側面，且水箱具備相關(guān)配置，可以管控注入和排出的水量。

 

ADI評估套件DC2847A用于輕松讀取ADL5920反射計的測量結果。這個(gè)評估套件包含一個(gè)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(huì )自動(dòng)加載和顯示結果（以圖表和時(shí)間形式）?；夭〒p耗的計算非常簡(jiǎn)單：正向和反向功率測量值的差值。圖7顯示設計示例的整個(gè)測試設置。

 

圖7.設計示例的整個(gè)測試設置。

 

在這個(gè)設計示例中，通過(guò)激活兩個(gè)水箱其中一個(gè)的泵來(lái)確定液位水平。當泵運行時(shí)，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(shí)間線(xiàn)性上升。實(shí)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(mǎn)到空時(shí)的測試結果。從水箱中抽出液體時(shí)，正向功率保持恒定，反射功率呈線(xiàn)性降低。

 

t = 33秒時(shí)，坡度發(fā)生明顯變化。究其原因，應該是水箱設計造成的。水箱底部的橫截面面積會(huì )減小，如圖7所示，以為泵電機留出空間。這導致測量結果呈現非線(xiàn)性，必要時(shí)，可在系統固件中輕松糾正。

 

圖8.示例測試結果與液位。液位測量呈線(xiàn)性且無(wú)變化，但本文中所講述的水箱設計導致的意外情況除外。

 

校準

為了實(shí)現最高精度，必須對反射計實(shí)施校準。校準可以校正反射計內部的RF檢波器的制造差異性——即斜率和截距。DC2847A評估套件支持單獨校準，如圖8所示。

 

在更高水平下，也需要對液位和回波損耗實(shí)施校準。這可能是因為下列不確定性來(lái)源造成：

● 傳輸線(xiàn)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(huì )隨溫度而變化。

 

可能存在系統非線(xiàn)性問(wèn)題，例如，圖8中所示的斜率變化。如果使用線(xiàn)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。

 

所有校準系數通常存儲在系統的非易失性存儲器中，這可能是嵌入式處理器應用未使用的代碼空間，或者是專(zhuān)用的非易失性存儲器設備。

 

液位測量限制

任何反射計的指向性都是一個(gè)關(guān)鍵指標。在不考慮巴倫損耗的情況下，當傳輸線(xiàn)與其自身的ZO準確端接時(shí)，反射功率降低至零，反射計會(huì )測量其自身的指向性指標。指向性指標越高，反射計就越能夠準確地區分入射波和反射波的大小。

 

對于A(yíng)DL5920，指向性在1 GHz時(shí)一般為20 dB，在100 MHz或更低時(shí)達到會(huì )增長(cháng)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(shí)，測量液位水平（參見(jiàn)圖3）。

 

應用擴展

在有些應用中，可以按幾種方式擴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行，以節省功率。

● 如果液位保持恒定，回波損耗測量可與另一個(gè)相關(guān)的流體特性關(guān)聯(lián)；例如，速度或pH值。

● 每種應用都是唯一的。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，具體由應用決定。

● 如果水箱采用金屬材質(zhì)，傳輸線(xiàn)需要通過(guò)水箱內部。根據具體應用，傳輸線(xiàn)可能需要浸入水中。

● 可以使用多個(gè)RF功率電平的測量值來(lái)確定外部RF干擾是否會(huì )導致誤差。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(xiàn)傳感器可以分別補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(xiàn)在較高頻率下運行會(huì )是不錯的解決方案

 

結論

開(kāi)發(fā)ADL5920之類(lèi)的單芯片反射計器件促生了新的應用類(lèi)型，例如液位儀器儀表。取消活動(dòng)零件（例如使用多年的機械浮子）可以大幅提高可靠性。油位監測也成為可能，推動(dòng)產(chǎn)生了許多新工業(yè)和汽車(chē)應用。