从一根铜条就搞定的超便捷液位测量看背后的射频回波损耗测量方法

从一根铜条就搞定的超便捷液位测量，看背后的射频回波损耗测量方法液位测量数据是实现生产和过程控制的重要参数。现代化工业生产中会储存、运输、使用各种各样的液体原料和产成品，例如石油化工企业的油料和各种溶剂，制药、造纸企业生产使用的各种浆液和浆料，食品企业生产和储存的各种乳液和饮料、果汁等，都需要对其进行安全和完善的保存，因此这些液位数据可以说是保证企业能够正常稳定生产的基本要求。早期，由于工业领域生产规模不大，液位测量主要采用机械测量方法，而后伴随着生产模式的变革，越来越多的自动化工业生产系统中需要进行实时液位监测。目前工业领域通用的液位计测量原理涉及到力学、热学、电学、光学等多方面，而按照接触方式来划分，可以分为接触式测量和非接触式测量。在前不久举办的IMS2019上，来自ADI的工程师就现场为大家展示了一种新型非接触式液位测量手段，其利用全集成式双向检波器IC，将RF传输线路作为传感器，可以沿着存储桶的一条边来轻松测量液位，实现了一款需要器件极少的工业应用。ADI在IMS2019期间展示新型液位测量系统如何实现简易水位测量？这套解决方案可以有ADL5920是一款超宽带双向检测器，可以在一个信号路径中同时测量正向和反向rms功率级别以及回波损耗。其将基于宽带定向耦合器与两个RMS响应检测器集成在一个5mm×5mm表贴封装中。相比于要在尺寸和带宽之间艰难取舍的传统分立式定向耦合器，该器件具有明显的优势，尤其是在1GHz以下的频率。使用ADL5920测量水位非常简单。测量时，会使用一根由黄铜条制成的双导体传感器，采用接地信号结构类型。本质上就是由一根50Ω硬线再加上空气，这条线的电阻会根据外部环境改变而改变，在确保传输线路的间隔和结构一样的情况下，有水时电阻会降低，再使用ADL5920，在该传输线路顶部位置测量回波损耗，据此实施水位测量。在给水箱里注水后可以看到，ADL5920正在测量正向功率和反射功率，随着水位的升高，正向功率保持不变，反射功率逐渐升高，这是因为传输线路的特性在发生变化，这里显示的值表示这是非接触式测量。另外，由于器件采用端接设计，所以不会有大量杂散RF辐射到外面，即这是一个近场现象，而不是天线。功率测量的方法论——定向耦合器和RF检波器在线RF功率和回波损耗测量通常利用定向耦合器和RF功率检波器来实现。如下图，双向耦合器用于无线电或测试测量应用中，以监测发射和反射的RF功率。有时也希望将RF功率监测嵌入电路中，一个很好的例子是将两个或更多信号源切换到发射路径（使用RF开关或外部电缆）。测量RF信号链中的正向和反射功率定向耦合器具有方向性这一重要特性，也就是它能区分入射和反射RF功率。当入射RF信号在通往负载的路程中经过正向路径耦合器时，耦合一小部分RF功率（通常是比入射信号低10dB至20dB的信号），输入RF检波器。当正向功率和反射功率均要测量时，须再使用一个耦合器，其方向与正向路径耦合器相反。两个检波器的输出电压信号将与正向和反向RF功率水平成比例。采用定向耦合器和RF检波器的典型RF功率测量系统表贴定向耦合器的基本问题是须在带宽和尺寸之间进行取舍。虽然频率覆盖范围为一个倍频程（即FMAX等于两倍FMIN）的双向定向耦合器通常采用小至6mm2的封装，但多倍频程表贴定向耦合器却要大得多。宽带连接器式定向耦合器具有多倍频程的频率覆盖范围，但显著大于表贴器件。连接器式定向耦合器、表贴定向耦合器以及带定向桥和双RMS检测器的ADL5920集成IC超小型&超宽带——专利定向桥助力实现“双超”ADL5920不是利用定向耦合器来检测正向和反射信号，而是采用一种专利的定向桥技术来实现宽带且紧凑的片内信号耦合。定向桥的概念基于惠斯登电桥，即在平衡时产生的差分电压为零。在惠斯登电桥中，两条支路之一中的一个电阻是可变的(R2)，而另外两个电阻（R1和R3）是固定不变的。总共有四个电阻——R1、R2、R3和Rx，其中Rx是未知电阻。如果R1=R3，那么当R2等于Rx时，VOUT=0V。当可变电阻具有合适的值，使得电桥左右两边的分压比相等，从而在产生VOUT的差分检测节点上产生0V差分信号时，认为电桥处于平衡状态。惠斯登电桥下图显示了与ADL5920中使用类似的双向桥。对于50Ω环境，单位电阻R等于50Ω。由于这是一个对称网络，因此当RS和RL也等于50Ω时，输入和输出电阻RIN和ROUT相同且接近50Ω。当源阻抗和负载阻抗均为50Ω时，内部网络的欧姆分析告诉我们，与VREV相比，VFWD将相当大。在实际应用中，这对应于从信号源到负载的最大功率传输。这导致反射功率很小，进而导致VREV非常小。简化双向桥电路图下图显示了改变负载对正向功率测量的影响。将规定的功率水平施加于RFIN输入，RFOUT上的负载回波损耗从0dB变化到20dB。正如预期的那样，当回波损耗在10dB到20dB范围内时，功率测量精度非常好。但随着回波损耗降低到10dB以下，功率测量误差开始增加。值得注意的是，回波损耗为0dB时，误差仍在1dB范围内。测得的正向功率与施加的功率和负载的回波损耗之间的关系，在1GHz下测量总结凭借在线测量RF功率和回波损耗的