【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(gè)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)示例，顯示反射計(jì)器件（例如ADI公司的ADL5920 ）如何幫助簡化設(shè)計(jì)。
與傳統(tǒng)式機(jī)械浮子液位檢測方法相比，基于反射計(jì)的解決方案具備多種優(yōu)勢，包括：
● 能夠快速、實(shí)時(shí)測量液位
● 支持實(shí)施廣泛的電子后處理
● 非接觸式設(shè)計(jì)（不會污染液體）
● 無活動(dòng)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(xiǎn)）
● 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(gè)系統(tǒng)的方框圖，包括用于驅(qū)動(dòng)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(jì)。
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?yàn)樗褂玫蛽p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(jì)（例如ADL5920）簡略測量。
詳細(xì)說明
考慮設(shè)計(jì)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(jì)器件或儀器直接測量。通過仔細(xì)設(shè)計(jì)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?yàn)榫€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?yàn)閭鬏斁€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(jì)測量時(shí)，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(shí)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(shí)，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?yàn)橐后w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(dòng)的中心點(diǎn)降低。與此同時(shí)，因?yàn)閭鬏斁€的有效電長度增加，史密斯圖轉(zhuǎn)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(jì)測量到，射頻發(fā)生器端的回波損耗降低。
因?yàn)锳DL5920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(gè)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(gè)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(gè)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(shí)，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(dòng)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(gè)方向的遠(yuǎn)場EMI也因?yàn)榈窒档汀?/div>
● 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(gè)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(dòng)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(shí)現(xiàn)最佳效果，建議帶通濾波器設(shè)計(jì)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(jì)步驟
設(shè)計(jì)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(shí)，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(shí)現(xiàn)更出色的回波損耗線性度和液位，在更高頻率下，會實(shí)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(jì)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(shí)，應(yīng)具備出色的回波損耗。
● 計(jì)算導(dǎo)體寬度，以及傳輸線的間隔尺寸。計(jì)算時(shí)，可以使用傳輸線阻抗計(jì)算器，例如任意傳輸線計(jì)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(jì)示例
為了進(jìn)行展示，設(shè)計(jì)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(gè)完全相同的水箱之間流動(dòng)，一個(gè)水箱連接傳輸線，用于測量液位。
根據(jù)之前的計(jì)劃：
● 因?yàn)樗涓叨燃s為6英寸（0.15米），那么約300 MHz目標(biāo)RF激勵(lì)是合理的（參見圖3）。
● 接下來，根據(jù)這個(gè)頻率范圍設(shè)計(jì)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(jì)來驗(yàn)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(jì)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(dòng)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(jì)來驗(yàn)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(shí)，回波損耗稍微降低是正常現(xiàn)象，這是因?yàn)樽鳛閭鬏斁€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(jì)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(jì)的測量結(jié)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軟件會自動(dòng)加載和顯示結(jié)果（以圖表和時(shí)間形式）?；夭〒p耗的計(jì)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(jì)示例的整個(gè)測試設(shè)置。
圖7.設(shè)計(jì)示例的整個(gè)測試設(shè)置。
在這個(gè)設(shè)計(jì)示例中，通過激活兩個(gè)水箱其中一個(gè)的泵來確定液位水平。當(dāng)泵運(yùn)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所示為液位從滿到空時(shí)的測試結(jié)果。從水箱中抽出液體時(shí)，正向功率保持恒定，反射功率呈線性降低。
t = 33秒時(shí)，坡度發(fā)生明顯變化。究其原因，應(yīng)該是水箱設(shè)計(jì)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(shí)，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(jì)導(dǎo)致的意外情況除外。
校準(zhǔn)
為了實(shí)現(xiàn)最高精度，必須對反射計(jì)實(shí)施校準(zhǔn)。校準(zhǔn)可以校正反射計(jì)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(shí)施校準(zhǔn)。這可能是因?yàn)橄铝胁淮_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(jì)的指向性都是一個(gè)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(shí)，反射功率降低至零，反射計(jì)會測量其自身的指向性指標(biāo)。指向性指標(biāo)越高，反射計(jì)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(shí)一般為20 dB，在100 MHz或更低時(shí)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(shí)，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(gè)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(gè)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(cuò)的解決方案
結(jié)論
開發(fā)ADL5920之類的單芯片反射計(jì)器件促生了新的應(yīng)用類型，例如液位儀器儀表。取消活動(dòng)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(dòng)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(jì)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(jì)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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