CN104897241B - 具有集成式微波电路的低功率雷达物位计系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种雷达物位计系统以及用于确定罐中的物品的填充物位的方法。所述雷达物位计系统包括：信号传播设备；微波信号源；微波信号源控制器；混频器，其被配置成合并来自所述微波信号源的发射信号与来自表面的反射信号以形成中频信号；以及处理电路系统，其耦接至混频器，并且被配置成基于中频信号来确定填充物位。微波信号源被配置成呈现偏离发射信号的载波频率大于或等于‑70dBc/Hz@100kHz的相位噪声。

Description

具有集成式微波电路的低功率雷达物位计系统
技术领域
本发明涉及一种雷达物位计系统，以及用于确定罐中物品的填充物位的方法。
背景技术
由于雷达物位计量在20世纪70年代和80年代被商业化，因而调频连续波(FMCW)计量已经成为高精度应用的主要测量原理。FMCW型填充物位测量包括将在约几GHz的频率范围上扫描的信号发射至罐中。例如，该信号可以在24-27GHz或9-10.5GHz的范围内。发射信号被罐中物品的表面(或被任何其它阻抗过渡)反射，并且延迟了一定时间的回波信号被返回至物位计。回波信号与发射信号在混频器中被合并以生成合并信号，该合并信号具有与时间延迟期间发射信号所发生的频率变化相等的频率。如果使用线性扫描，则也被称为中频(IF)的该频率与距反射表面的距离成比例。来自混频器的合并信号通常被称为中频信号或IF信号。
最近，改进了FMCW原理，其当前通常涉及不发射连续频率扫描而是发射具有步进频率且实际上恒定幅度的信号—步进频率扫描。当将发射信号与接收信号混合时，每个频率步进将提供一个恒定段的分段恒定的 IF信号。对分段恒定IF信号进行采样，并且例如使用FFT将采样信号转换为频面以识别IF信号的频率分量。然后，可以将频率分量转变为例如具有回波曲线或相似物形式的距离。
尽管传统的(连续的及步进的)FMCW系统非常精确，但其相对耗电大，这使其不太适合电力(和/或能量)有限的应用。这样的应用的示例包括通过双线接口(例如4-20mA回路)供电的现场设备以及通过内部能源(例如电池或太阳能单元电池)供电的无线设备。
针对具有有限的可用能量和/或电力的应用，物位测量系统的成本和尺寸通常也是关键参数。例如，在过程工业中可能发现这样的应用。
为了使得这样的应用受益于FMCW型雷达物位计量的高性能，期望提供更紧凑和具有成本效益的FMCW型雷达物位计系统，其还能够以合理的更新频率通过有限的可用电力/能量来操作。
发明内容
鉴于上述内容，本发明的总体目的是提供一种改进的雷达物位计系统，该系统使得能够针对能量和/或电力供应严格有限的应用进行精确的填充物位确定。本发明的实施方式的另一个目的是以比当前可用的 FMCW型雷达物位计系统更低的成本来实现此。
根据本发明的第一方面，因而提供了一种回路供电的雷达物位计系统，其用于确定罐中物品的填充物位，以及用于经由双线4-20mA电流回路将表示填充物位的测量信号提供给远程设备，所述双线4-20mA电流回路为回路供电的雷达物位计系统的唯一外部电源，所述雷达物位计系统包括：回路接口电路系统，用于将测量信号提供给双线电流回路，以及将来自所述双线电流回路的电力提供给所述雷达物位计系统；信号传播设备，其被设置成朝向所述物品的表面传播电磁发射信号，以及返回由于电磁发射信号在所述表面处的反射而产生的电磁反射信号；微波信号源，其耦接至所述信号传播设备并且能够控制以生成所述电磁发射信号，所述微波信号源被配置成呈现偏离发射信号的载波频率大于或等于-70dBc/Hz@ 100kHz的相位噪声；微波信号源控制器，其耦接至所述微波信号源并且被配置成控制微波信号源以生成如下测量扫描形式的发射信号，所述测量扫描包括用于限定发射信号的带宽的离散且彼此不同的频率步进的时间序列；混频器，其耦接至所述微波信号源和所述信号传播设备，并且被配置成合并将所述发射信号与所述反射信号以形成中频信号；以及处理电路系统(processing circuitry)，其耦接至所述混频器并且被配置成基于所述中频信号来确定填充物位，其中，至少所述微波信号源和所述混频器被包括在集成式微波电路中。
根据本发明的第二方面，提供了一种本地供电的雷达物位计系统，所述本地供电的雷达物位计系统用于确定罐中物品的填充物位以及用于使用无线通信将表示填充物位的测量信号提供给远程设备，所述雷达物位计系统包括：信号传播设备，其被设置成朝向所述物品的表面传播电磁发射信号，以及返回由于所述电磁发射信号在所述表面处的反射而产生的电磁反射信号；微波信号源，其耦接至所述信号传播设备并且能够控制以生成所述电磁发射信号，所述微波信号源被配置成呈现偏离所述发射信号的载波频率大于或等于-70dBc/Hz@100kHz的相位噪声；微波信号源控制器，其耦接至所述微波信号源并且被配置成控制所述微波信号源以生成如下测量扫描形式的发射信号，所述测量扫描包括用于限定所述发射信号的带宽的离散且彼此不同的频率步进的时间序列；混频器，其耦接至所述微波信号源和所述信号传播设备，并且被配置成合并所述发射信号与所述反射信号以形成中频信号；处理电路系统，其耦接至所述混频器并且被配置成基于所述中频信号来确定填充物位；无线通信单元，其连接至所述处理电路系统以从所述处理电路系统取回填充物位并且将所述测量信号无线地发射给远程设备；以及本地能量存储装置，用于提供足够用于雷达物位计系统的操作的能量，其中，至少所述微波信号源和所述混频器被包括在集成式微波电路中。
根据本发明的第三方面，提供了一种用于确定罐中物品的填充物位的雷达物位计系统，所述雷达物位计系统包括：信号传播设备，其被设置成朝向所述物品的表面传播电磁发射信号，以及返回由于所述电磁发射信号在所述表面处的反射而产生的电磁反射信号；微波信号源，其耦接至所述信号传播设备并且能够控制以生成电磁发射信号，所述微波信号源被配置成呈现偏离发射信号的载波频率大于或等于-70dBc/Hz@100kHz的相位噪声；微波信号源控制器，其耦接至所述微波信号源并且被配置成控制所述微波信号源以生成如下测量扫描形式的发射信号，所述测量扫描包括用于限定所述发射信号的带宽的离散且彼此不同的频率步进的时间序列；混频器，其耦接至所述微波信号源和所述信号传播设备，并且被配置成合并所述发射信号与所述反射信号以形成中频信号；以及处理电路系统，其耦接至所述混频器并且被配置成基于所述中频信号来确定填充物位，其中，至少所述微波信号源和所述混频器被包括在集成式微波电路中。
根据本发明的第四方面，提供了一种使用雷达物位计系统来确定罐中物品的填充物位的方法，所述雷达物位计系统包括：信号传播设备；耦接至所述信号传播设备的微波信号源，所述微波信号源用于生成电磁发射信号，所述微波信号源包括压控振荡器；混频器，其耦接至所述微波信号源和所述信号传播设备，其中，至少所述微波信号源和所述混频器被包括在集成式微波电路中；其中，所述方法包括以下步骤：将所述压控振荡器控制在使得所述压控振荡器的相位噪声偏离所述发射信号的载波频率大于或等于-70dBc/Hz@100kHz的工作点；控制所述微波信号源以生成如下测量扫描形式的发射信号，所述测量扫描包括用于限定所述发射信号的带宽的离散且彼此不同的频率步进的时间序列；使用所述信号传播设备朝向物品的表面传播发射信号；使用所述信号传播设备返回由于所述发射信号在所述表面处的反射而生成的反射信号；使用所述混频器合并所述发射信号与所述反射信号以形成中频信号；以及基于所述中频信号来确定填充物位。
在本申请的上下文中，集成式微波电路应当被理解成是指以微波频率 (例如约300MHz至约300GHz)操作的单片(单芯片)型集成电路(IC) 设备。
集成式微波电路通常被称为MMIC(单片型微波集成电路)。
可以使用SiGe或诸如GaAs或InP的III-V族化合物半导体来制造 MMIC。
集成式微波电路可以有利地与一个或若干个其它集成电路一起包括在多芯片模块中以向(由单个电子部件封装限定的)单个电子部件提供更多的功能。
混频器可以提供为任意能够实现如下操作的电路系统的形式：将发射信号与反射信号进行合并，使得形成表示发射信号与反射信号之间的相位差的中频信号。
简单且紧凑的混频器的一个示例为所谓的单二极管漏极混频器 (single diodeleaky mixer)。
在各个实施方式中，电磁发射信号可以具有基本上恒定的幅度。发射信号的功率可以在-50dBm至+5dBm范围内，典型地为0dBm，即1mW。
本发明基于多个实现方式。
首先，发现降低当前可用的FMCW型雷达物位计系统的成本的关键因素是减小FMCW型雷达物位计系统的机械组件的尺寸，这是因为这些机械组件通常是由诸如优质不锈钢的高品质材料精确制造的。另一个重要因素是产品收得率(production yield)，特别是微波信号源(和混频器) 的产品收得率。
其次，本发明人发现：可以通过提供具有单个集成型微波电路 (MMIC)形式的至少微波信号源和混频器来实现尺寸的减小和产品收得率的增加二者。从而，可以通过单个部件或若干个部件来代替大量分立部件。
然而，当前可用的包括微波信号源的集成式微波电路通常旨在用于相位噪声应当很低的通信应用或能量/电力供应不是问题的汽车应用。因此，将出现集成式微波电路不适合能量/电力匮乏的期望应用。
由于针对罐的雷达物位计量涉及相对短的距离，因而对相位噪声的要求并不像对更宽范围的其它雷达应用那样严格。另外，对相位噪声的要求的降低使得微波信号源能够被设计为消耗更少的电力。因此，配置微波信号源以呈现偏离发射信号的载波频率的大于或等于-70dBc/Hz@100kHz 的相位噪声使得能够降低电力消耗，并且仍然针对雷达物位计系统的测量范围提供足够的测量性能。
因此，本发明人惊人地发现：使用包括至少微波信号源和混频器的集成式微波电路使得能够显著降低雷达物位计系统的能量/电力消耗并且保持例如相对于更新率的足够性能，其中所述微波信号源被配置成呈现偏离发射信号的载波频率大于或等于-70dBc/Hz@100kHz的相位噪声。例如，可以每秒一次执行填充物位测量。
试验和理论计算显示约10ms的扫描持续时间应当足够短以实现当前被视作最具有挑战性的应用的双线电流回路系统的能量/电力消耗标准。
因此，所有以上提及的创新性见解都协同有助于使用紧凑且具有成本效益的雷达物位计系统来提供高精度的FMCW型雷达物位计量，所述雷达物位计系统仍然可以通过使用双线通信接口或本地能源来供电。
有利地，可以将微波电路系统和测量电子部件安装在同一电路板上，这有利于生产并降低成本。
在雷达物位计系统的各个实施方式中，微波信号源控制器可以被配置成控制微波信号源以生成具有小于5ms的持续时间的测量扫描。
由于微波信号源的更短的接通时间，这可以提供更低的能耗。
此外，根据本发明的各个实施方式的雷达物位计系统还可以包括采样器，所述采样器耦接至混频器并且被配置成在测量扫描期间以少于500 次采样对中频信号进行采样。
由于可以减少用于处理中频信号的时间，这提供了雷达物位计系统的进一步的能耗降低。
另外，根据各个实施方式，能够彼此独立地控制微波信号源控制器和采样器，使得测量扫描中所包括的每个频率步进的持续时间可以与采样连续采样次数之间的采样时间间隔不同。
据此，可以独立地控制测量扫描与采样间隔的形成以针对不同应用的测量性能与电力/能量消耗的最佳组合定制雷达物位计系统的操作。
例如，可以有利地控制微波信号源控制器与采样器，使得测量扫描的每个频率步进的持续时间基本上短于采样时间间隔。
这可以降低由于大频率步进而导致中频信号失真的风险，从而提高了测量的可靠性和/或精度(特别是针对长测量距离)。
根据本发明的各个实施方式，发射信号的带宽可以为至少1GHz，从而可以针对大多数应用实现足够的分辨率。
在根据本发明的雷达物位计系统的各个实施方式中，测量扫描可以为从第一频率到第二频率的频率扫描，其中，第一频率为频率扫描的最高频率，第二频率为频率扫描的最低频率。
这使得能够改进在测量操作之间能量被存储在能量存储装置中的实施方式中的雷达物位计系统的操作。通常，微波信号源需要更高的输入电压来提供高频而不是提供低频，尤其是对于微波信号源包括所谓的压控振荡器(VCO)的情况。如果利用例如使用一个或若干个电容器的能量存储装置，则在测量操作的起点处用于针对频率扫描的最高频率提供足够高的电压的能力比在测量操作的终点处强。
另外，根据各个实施方式，微波信号源控制器可以有利地包括PLL 电路系统和耦接至PLL电路系统的晶体振荡器。
例如，PLL(锁相环或锁相环路)电路系统可以为所谓的模拟或线性 PLL(LPLL)、数字PLL(DPLL)、全数字PLL(ADPLL)或软件PLL (SPLL)。
PLL电路系统可以有利地包括在与集成式微波电路相同的电子部件封装中，而晶体振荡器可以设置在电子部件封装的外部。
在各个实施方式中，微波信号源控制器还可以包括连接在PLL与微波信号源之间的低通滤波器。
低通滤波器可以有利地设置在封入集成式微波电路的电子部件封装的外部。
根据本发明的各个实施方式，雷达物位计系统可以在至少第一扫描模式与第二扫描模式之间可控，其中：在第一扫描模式下，微波信号源控制器被配置成控制微波信号源以生成具有第一持续时间和第一带宽的第一测量扫描；以及在第二扫描模式下，微波信号源控制器被配置成控制微波信号源以生成具有第二持续时间和第二带宽的第二测量扫描，所述第二持续时间与所述第二带宽中的至少之一与所述第一持续时间和所述第一带宽分别实质上不同。
针对任意采样的(连续扫描或步进的)FMCW系统，最大测量距离 (范围)L被确定为：
L＝Nc/4B，
其中，N是采样数，c是光速，B是测量扫描的带宽。
增加的带宽B给出改进的分辨率，但是根据以上关系清楚地是，除非采样数N增加，否则增加的带宽B将导致减小的范围L。然而，由于从A/D转换的角度出发采样频率被固定为合理值，因而采样数的任何增加将不可避免地导致增加的扫描时间。
因此，针对给定的测量范围，存在一个方面上的分辨率(带宽)与另一方面上的电力消耗(扫描时间)之间的权衡。
通过提供如以上概述的在不同扫描模式之间可控的雷达物位计系统，例如可以针对不同的计划的测量范围进行不同的权衡。在可用电力非常匮乏的应用(例如在背景技术部分中提及的回路供电或电池供电的雷达物位计系统)中，在不同模式下，测量扫描的持续时间可以基本上相同，可以调节带宽使得以测量分辨率为代价来增加测量范围。这拓展了可以利用雷达物位计系统的实施方式的应用的数量。
根据各个实施方式，本发明的雷达物位计系统能够被有利地控制在激活状态与空闲状态之间，其中，在激活状态下，控制微波信号源以生成发射信号，而在空闲状态下不生成发射信号。
雷达物位计系统还可以包括能量存储装置，所述能量存储装置被配置成在雷达物位计系统处于空闲状态时存储能量并且在雷达物位计系统处于激活状态时向微波信号源提供能量。
例如，本地能量存储装置可以包括电池、电容器和/或超级电容器。
另外，雷达物位计系统还可以包括用于与远程系统进行无线通信的无线通信电路系统(诸如射频收发器)。
应当注意，信号传播设备可以为任意合适的辐射天线或传输线探头。天线的示例包括喇叭型天线、棒状天线、阵列天线和抛物面天线等。传输线探头的示例包括单线探头(古博(Goubau)探头)、双线探头和同轴探头等。
还应当注意，处理电路系统可以提供为一个设备或一起工作的若干个设备。
总之，本发明因而涉及一种雷达物位计系统，所述雷达物位计系统包括：信号传播设备；微波信号源；微波信号源控制器；混频器，其被配置成合并来自微波信号源的发射信号与来自表面的反射信号以形成中频信号；以及处理电路系统，其耦接至混频器并被配置成基于中频信号来确定填充物位。微波信号源被配置成呈现偏离所述发射信号的载波频率的大于或等于-70dBc/Hz@100kHz的相位噪声。
附图说明
现在将参照示出本发明的当前优选实施方式的附图来更详细地描述本发明的这些方面和其它方面，在附图中：
图1a示意性地示出了包括根据本发明的第一示例性实施方式的雷达物位计系统的过程监控系统；
图1b示意性地示出了包括根据本发明的第二示例性实施方式的雷达物位计系统的过程监控系统；
图2a是示意性地示出了图1a中的雷达物位计系统的框图；
图2b是示意性地示出了图1b中的雷达物位计系统的框图；
图3是图1a至图1b中的雷达物位计系统的示意性横截面图；
图4a是图3中的雷达物位计系统中所包括的测量模块的示意性平面图；
图4b示意性地示出了图4a中的测量模块中所包括的收发器MCM (多芯片模块)；
图5是图3中的雷达物位计系统的示意性框图；
图6是示意性示出了在示例性实施方式的测量扫描期间可用电压电平的图；
图7是示意性地示出了根据本发明的示例性实施方式的测量扫描的图；以及
图8是示意性地示出了为确定填充物位而采样的中频信号的图。
具体实施方式
在本详细描述中，主要参照如下雷达物位计系统来讨论根据本发明的雷达物位计系统的各个实施方式：包括在过程监控系统中并通过双线 4-20mA通信回路连接至远程主机的雷达物位计系统以及具有无线通信能力的电池供电雷达物位计系统，所述双线4-20mA通信回路还用于向雷达物位计系统供电。
应当注意，这决不限制本发明的范围，例如这同样包括：不包括在过程管理系统中的雷达物位计系统或不是回路供电或电池供电的雷达物位计系统。
图1a示意性地示出了包括多个现场设备的过程监控系统1，包括第一实施方式的雷达物位计系统2和通过4-20mA电流回路形式的通信线路 5连接至主机系统4的温度感测设备3。连接至通信线路5的其它现场设备被示意性地表示为框。
雷达物位计系统2和温度传感器3均被设置在容纳待计量的物品8 的罐上。
除了提供通常具有表示测量值的电流值的形式的关于电流回路的信号之外，可以使用由电流回路5提供的电流来向现场设备供电。如之前在背景技术和发明内容部分所进一步讨论的，这将严重限制现场设备的操作可用的电力，特别是针对诸如图1a中的雷达物位计系统2的激活的现场设备。
在电压转换至雷达物位计系统2的工作电压之后，小于30mW的电压对于雷达物位计系统的操作可用。
因此，到目前为止FMCW型雷达物位计系统并未广泛应用于回路供电应用中，但是替代地开发了所谓的脉冲式雷达物位计系统。即使针对这种低功率脉冲式雷达物位计系统，采取了多个措施使得当在回路供电应用中需要时具有更多可用电力。例如，至少部分雷达物位计系统被间歇性地操作，在非激活时间段或空闲时间段期间存储能量，以在激活时间段期间使用。
在例如US 7952514，US 8477064和US 12/603048中描述了间歇性操作和能量存储的解决方案，所述每个申请的全部内容通过引用并入本文中。
图1b示意性地示出了包括如下多个现场设备的过程监控系统1，包括第二实施方式的雷达物位计系统2以及无线连接至主机系统4的温度感测设备3。在第二实施方式中，雷达物位计系统通过本地能量存储装置(例如具有大于0.5Ah的容量的电池)来供电，并包括使得能够与主机系统4 进行无线通信的通信天线9。
图2a是示意性地示出了图1a中的回路供电的雷达物位计系统2的示例性实施方式的框图。
图2a中的雷达物位计系统2包括：用于确定填充物位的测量模块12；以及回路接口电路系统112，用于将表示填充物位的测量信号SL提供给双线电流回路5以及用于将来自双线电流回路5的电力提供给测量模块12。
回路接口电路系统112包括具有可控电流源114形式的电流控制电路系统、第一DC-DC转换器115和电压调节电路系统116。
在雷达物位计系统2的操作期间，通过测量模块12控制可控电流源 114以向双线电流回路5提供测量信号SL。测量信号SL可以具有回路电流IL(DC电流电平)的形式和/或为叠加在回路电流IL上的AC信号。后一种情况的示例可以为根据HART协议的4-20mA电流回路上的通信。
在图2a示意性示出的示例性情况中，假设测量信号SL被提供为具有 4mA与20mA之间的特定回路电流IL的形式。
第一DC-DC转换器115具有输入端子118a-118b和输出端子 119a-119-b，其中输入端子118a-118b连接至与可控电流源114串联的双线电流回路5，而输出端子连接至测量模块12以将来自双线电流回路5 的电力提供给测量模块12。来自双线4-20mA电流回路5的电力为提供给雷达物位计系统2的唯一外部电力。
电压调节电路系统116监测电流源114两端的电压Vcs并且控制第一 DC-DC转换器的输入电压Vin，使得在回路电压VL变化时保持电流源114 两端的电压Vcs基本上恒定为预定值(例如2V)。本领域的技术人员可以以各种方式实现此。例如，第一转换器115可以为所谓的“降压/升压”型开关转换器。例如，可以以电气工程师公知的所谓的SEPIC转换器的形式来实现这样的转换器。可以通过例如使用脉宽调制控制SEPIC转换器中的开关晶体管，来控制该转换器的输入电压。
然而，实践中可以在根据本发明的各个实施方式的现场设备中使用任何开关转换器。例如，可以使用正激转换器或反激转换器。
在转换器115的输出侧，可以提供取决于期望功能可能具有不同配置的附加电路系统121。在美国专利US N0.8477064中详细描述了这样的附加电路系统121的一些示例，该专利的全部内容通过引用并入本文中。
当应将新的测量信号SL提供给双线电流回路5时，通过测量模块12 控制可控电流源114以将新的回路电流IL提供给双线电流回路。为了修改回路电流IL，应当临时允许可控电流源两端的电压Vcs改变。然而，电压调节电路系统努力保持可控电流源114两端的电压Vcs恒定。为了使得测量信号能够快速且精确地变化并且同时保持可控电流源两端的电压Vcs随时间基本上恒定，可控电流源114的控制可以优选地比第一转换器115 的输入端子118a-118b两端的电压Vin的控制快(具有更短的时间常量)。
参照图2b，图1b中的第二实施方式的雷达物位计系统2包括：测量单元(MU)210、无线通信单元(WCU)211和具有电池(BATT)212 形式的本地能量存储装置。无线通信单元211可以有利地遵从 WirelessHART(IEC 62591)。
如图2b示意性示出地，测量单元210包括第一输出214、第二输出 215和第一输入216。第一输出214通过第一专用分立线路连接至无线通信单元211的第一输入217，第二输出215连接至无线通信单元211的第二输入218，并且第一输入216通过第二专用分立线路连接至无线通信单元211的第一输出219。测量单元210的第二输出215和无线通信单元211 的第二输入218可以被配置成根据串行或并行通信协议处理双向数据通信，使得能够在测量单元210与无线通信单元211之间交换数据。在美国专利申请US No.13/537513中更详细地描述了使用不同输入/输出在测量单元210与无线通信单元211之间进行通信，该申请的全部内容通过引用并入本文中。
以上的4-20mA电流回路配置和无线、本地供电的配置的示例意在向本领域的技术人员给出如何实施根据本发明的雷达物位计系统的各个方面和实施方式的详细示例。然而，应当注意，存在使雷达物位计系统与 4-20mA电流回路交互的许多其它方式，以及存在配置并控制通过本地能量存储装置供电的无线雷达物位计系统的许多其它方式。这些其它方式对于本领域的技术人员而言是广泛可用的，并且可以实施而不需要过量的实验或过度的负担。
现在参照图3，图3是图1a-b中的雷达物位计系统2的示意性及简化的分解图。雷达物位计系统2包括上壳体部11、测量单元12、下壳体部13和绝缘塞14。
下壳体部13包括波导部分和圆锥形天线部分(未示出)，并且绝缘塞被形成为填充并密封圆锥天线部分与波导部分的开口。
下文将参照图4a-4b详细描述的测量模块12具有微波电子侧19和测量电子侧20。在微波电子侧19，测量模块12包括用于生成、发射并接收微波频率范围内的电磁测量信号的部件以及用于向下壳体部13的波导提供发射信号的连接器21。通过图2中的简易框来示意性地表示各个部件。
现在参照图4a，图4a是测量模块12的微波电子侧19的示意性平面图。测量模块12的微波电子部(收发器)包括晶体振荡器25、形成低通滤波器26的部件和芯片雷达部件27。
从图4a明显可见，测量模块12的微波电子部很紧凑并且由非常少的部件形成。这是能够设计非常紧凑的FMCW型雷达物位计系统2的关键因素。特别地，再次简单地参照图3，可以使用比先前可能的材料少很多的材料来制成上壳体部11和下壳体部13，从而导致更廉价、更紧凑的雷达物位计系统。
另外，在芯片雷达部件27中提供收发器的大多数功能改进了测量模块12的产品收得率并且实际上消除了对于生产中调节和测试耗时部件的需要。
图4b示意性地示出了安装在测量模块12的微波电子侧19的芯片雷达部件27。如图4b示意性示出地，芯片雷达部件27是QFP(方形扁平封装)型部件，其包括封装基板30、第一IC 31、第二IC 32、封装材料 33和用于将芯片雷达部件27连接至测量模块12的多个管脚34。
第一IC 31是引线键合至封装基板30的集成式PLL部件。该集成式 PLL部件例如可以为讯泰(Hittite)公司的HMC 703或美国亚德诺公司 (Analog Devices)的ADF 4158。也引线键合至封装基板30的第二IC 32 是定制的应用专用集成式微波电路，其包括雷达物位计系统2的微波信号源和混频器。以下将参照图4更详细描述的集成微波电路32被设计成呈现偏离由集成微波电路32生成并发射的微波信号的载波频率的 -70dBc/Hz@100kHz至-50dBc/Hz@100kHz的范围的相位噪声。
图5为图2中的雷达物位计系统2的示意性框图。如前所述，雷达物位计系统2包括微波电子装置40(测量模块12的微波电子侧19)、测量电子装置41(测量模块12的测量电子侧20)以及通信和供电电路系统 42。
参照图5，微波电子装置40包括VCO(压控振荡器)45、电流供应电路系统46、PLL31、晶体振荡器25、低通滤波器26和混频器48。
VCO 45、电流供应电路系统46和混频器48包括在集成式微波电路 (MMIC)32(还参照图4b )中。PLL 31和MMIC 32包括在芯片雷达部件27中，并且晶体振荡器25、低通滤波器26作为分立部件被设置在芯片雷达部件27外部。
测量电子装置41包括采样器51、A/D转换器52和微处理器(μP) 55。
通信和供电电路系统42包括供电模块57和通信接口模块58。
在操作中，通过包括晶体振荡器25、PLL 31和低通滤波器的微波信号源控制器控制VCO 45以生成电磁发射信号。
电流供应电路系统46被配置成将VCO 45偏置在使得VCO 45呈现偏离发射信号的载波频率-70dBc/Hz@100kHz至-50dBc/Hz@100kHz范围的相位噪声的工作点。这使得与以更高相位噪声为代价的现有的芯片雷达部件相比，VCO的操作更节能。然而，如之前所提及的，在罐的物位计量的特定应用中，甚至在由于相对短的测量距离导致的相对高的相位噪声也可以实现足够(并且高)的灵敏度。
如图5示意性示出的，将发射信号TX提供给朝向罐7中的物品8的表面传播发射信号TX的信号传播电路系统(天线或传输线探头)。发射信号TX在表面处被反射，并且将反射信号RX返回至雷达物位计系统2 的微波电子装置40。特别地，反射信号RX被提供给混频器48，混频器 48合并反射信号RX与发射信号TX以形成中频信号IF。
将中频信号IF从微波电子装置40发送至测量电子装置41，在测量电子装置41处，通过采样器51对信号IF进行采样，并且在将经采样的信号值提供给微处理器55之前通过A/D转换器52将其转换为数字形式，其中，在微处理器55处确定填充物位。除了确定填充物位之外，微处理器55还控制PLL 31并经由通信接口模块58与远程设备进行通信。
在图5的雷达物位计系统2中，能够独立地控制PLL 31与采样器51 (以及A/D转换器52)，使得微处理器55可以控制PLL 31进而控制VCO 45以生成具有特定持续时间tstep的频率步进，并且同时控制以与频率步进的持续时间tstep不同的采样间隔tsample进行采样。
另外，微处理器可以在内部或外部存储对应于不同扫描模式的参数。这样的不同扫描模式例如可以适于不同的测量范围L。微处理器55可以经由通信接口58接收命令以切换至不同的扫描模式。然后，作为响应，微处理器55可以访问与请求的扫描模式相关的存储参数，并根据新参数控制至少PLL 31。
下表中提供了扫描模式参数的示例：
测量范围(L) 带宽(B) 扫描时间(t<sub>sweep</sub>)
20m 2GHz 4-5ms
40m 1GHz 4-5ms
可以经由供电模块57向微波电子装置40和测量电子装置41供电，供电模块57可以有利地包括能量存储装置(诸如一个或若干个电容器)，用于在电流回路5上可获得能量时存储能量而在需要比电流回路5上可获得的能量更多的能量时向微波电子装置40和/或测量电子装置41提供能量。
由于电容器或类似物的有限的储能容量，从供电模块57到微波电子装置的供应电压可能由于从供电模块57汲取电流而降低。图6示意性地示出了该效果。参照图6，在测量操作期间，来自供电模块57的输出电压可能从Vstart下降至Vend。
取决于供电模块57中存储的能量的数量，测量操作结束时的电压Vend可能不足以控制VCO 45来生成测量频率扫描的最高频率(图7中的f1)。
因此，在本发明的实施方式中，可以控制VCO 45生成发射信号TX 作为从高频f1到低频f2而不是从低频到高频的传统方式的频率扫描。这将降低由于耗尽能量存储装置而生成不正确频率的风险。
在图7中，示出了包括限定发射信号TX的带宽B的离散且彼此不同的频率步进的时间序列的测量扫描。参照图7，带宽B＝f1-f2。测量扫描的持续时间tsweep不小于10ms。如图7所示，每个频率步进的持续时间为 tstep，并且(关于频率)相邻的频率步进之间的频率差为fstep。
由于从雷达物位计系统2到罐7中的物品8的表面的相对短的距离 (与光速相比较)，反射信号RX将(几乎)总是具有与步进发射信号TX 相同的频率但(在这种情况下)从测量扫描开始到测量扫描结束具有减小的相位差。
该减小的相位差与使用连续FMCW获得的频率差相对应，并且在时域中，中频信号IF看上去如同图8中示意性示出的步进正弦波。
在图8中的IF信号所示的示例性情况中，控制PLL 31进而控制VCO 45以生成具有步进时间tstep的频率步进，并且控制采样器51以比步进时间tstep长得多的连续采样次数之间的采样间隔tsample对IF信号进行采样。这可能是有利地，因为生成具有相对短的步进时间tstep的发射信号TX不“花费”更多的附加电力同时显著降低了由于IF信号失真导致的“假回波”的风险。另一方面，可以减小采样频率(增大采样间隔tsample)以降低测量电子装置41的电力消耗。
本领域的技术人员可以发现本发明决不限制于上述优选实施方式。相反，许多修改和变型能够落在所附权利要求的保护范围内。

Claims (36)

1.一种回路供电的雷达物位计系统，所述回路供电的雷达物位计系统用于确定罐中的物品的填充物位，以及用于经由双线4-20mA电流回路将表示所述填充物位的测量信号提供给远程设备，所述双线4-20mA电流回路为所述回路供电的雷达物位计系统的唯一外部电源，所述雷达物位计系统包括：
回路接口电路系统，用于将所述测量信号提供给所述双线电流回路，以及用于将来自所述双线电流回路的电力提供给所述雷达物位计系统；
信号传播设备，其被设置成朝向所述物品的表面传播电磁发射信号，以及返回由于所述电磁发射信号在所述表面处的反射而产生的电磁反射信号；
微波信号源，其耦接至所述信号传播设备并且能够控制用于生成所述电磁发射信号，所述微波信号源被配置成呈现偏离所述发射信号的载波频率大于或等于-70dBc/Hz@100kHz的相位噪声；
微波信号源控制器，其耦接至所述微波信号源并且被配置成控制所述微波信号源以生成如下测量扫描形式的所述发射信号，所述测量扫描包括用于限定所述发射信号的带宽的离散且彼此不同的频率步进的时间序列；
混频器，其耦接至所述微波信号源和所述信号传播设备，并且被配置成合并所述发射信号与所述反射信号以形成中频信号；以及
处理电路系统，其耦接至所述混频器并且被配置成基于所述中频信号来确定所述填充物位，
其中，至少所述微波信号源和所述混频器被包括在集成式微波电路中。
2.根据权利要求1所述的雷达物位计系统，其中，所述微波信号源被配置成呈现偏离所述发射信号的载波频率小于-50dBc/Hz@100kHz的相位噪声。
3.根据权利要求1或2所述的雷达物位计系统，其中，所述微波信号源包括压控振荡器。
4.根据权利要求3所述的雷达物位计系统，还包括电流供应电路系统，所述电流供应电路系统被配置成将所述压控振荡器保持在使得所述压控振荡器的相位噪声在偏离所述发射信号的载波频率-70dBc/Hz@100kHz到-50dBc/Hz@100kHz的范围内的工作点。
5.根据权利要求4所述的雷达物位计系统，其中，所述电流供应电路系统被包括在所述集成式微波电路中。
6.根据权利要求1或2所述的雷达物位计系统，其中，所述测量扫描具有小于10ms的持续时间。
7.根据权利要求6所述的雷达物位计系统，其中，所述测量扫描具有小于5ms的持续时间。
8.根据权利要求1或2所述的雷达物位计系统，其中，所述发射信号的所述带宽为至少2.5GHz。
9.根据权利要求1或2所述的雷达物位计系统，其中，所述雷达物位计系统被配置成提供具有第一载波频率的第一发射信号和具有第二载波频率的第二发射信号，所述第二载波频率是所述第一发射信号的所述第一载波频率的至少1.5倍。
10.根据权利要求1或2所述的雷达物位计系统，其中，所述微波信号源控制器包括PLL电路系统和耦接至所述PLL电路系统的晶体振荡器。
11.根据权利要求1或2所述的雷达物位计系统，其中，所述雷达物位计系统能够控制在至少第一扫描模式与第二扫描模式之间，其中：
在所述第一扫描模式下，所述微波信号源控制器被配置成控制所述微波信号源以生成具有第一持续时间和第一带宽的第一测量扫描；以及
在所述第二扫描模式下，所述微波信号源控制器被配置成控制所述微波信号源以生成具有第二持续时间和第二带宽的第二测量扫描，
所述第二持续时间和所述第二带宽中的至少之一分别与所述第一持续时间和所述第一带宽不同。
12.根据权利要求11所述的雷达物位计系统，其中，所述第二带宽为所述第一带宽的至少1.5倍。
13.根据权利要求1或2所述的雷达物位计系统，其中，所述雷达物位计系统能够控制在激活状态与空闲状态之间，其中，在所述激活状态下，控制所述微波信号源以生成所述发射信号，而在所述空闲状态下不生成发射信号。
14.根据权利要求13所述的雷达物位计系统，还包括能量存储装置，所述能量存储装置被配置成在所述雷达物位计系统处于所述空闲状态时存储能量，以及在所述雷达物位计系统处于所述激活状态时向所述微波信号源提供能量。
15.一种本地供电的雷达物位计系统，所述本地供电的雷达物位计系统用于确定罐中的物品的填充物位以及用于使用无线通信将表示所述填充物位的测量信号提供给远程设备，所述雷达物位计系统包括：
信号传播设备，其被设置成朝向所述物品的表面传播电磁发射信号，以及返回由于所述电磁发射信号在所述表面处的反射而产生的电磁反射信号；
微波信号源，其耦接至所述信号传播设备并且能够控制用以生成所述电磁发射信号，所述微波信号源被配置成呈现偏离所述发射信号的载波频率大于或等于-70dBc/Hz@100kHz的相位噪声；
微波信号源控制器，其耦接至所述微波信号源，并且被配置成控制所述微波信号源以生成如下测量扫描形式的所述发射信号，所述测量扫描包括用于限定所述发射信号的带宽的离散且彼此不同的频率步进的时间序列；
混频器，其耦接至所述微波信号源和所述信号传播设备，并且被配置成合并所述发射信号与所述反射信号以形成中频信号；以及
处理电路系统，其耦接至所述混频器并且被配置成基于所述中频信号来确定所述填充物位；
连接至所述处理电路系统的无线通信单元，用于从所述处理电路系统取回所述填充物位并且将所述测量信号无线地发射给所述远程设备；以及
本地能量存储装置，用于提供足够用于所述雷达物位计系统的操作的能量，
其中，至少所述微波信号源和所述混频器被包括在集成式微波电路中。
16.根据权利要求15所述的雷达物位计系统，其中，所述微波信号源被配置成呈现偏离所述发射信号的载波频率小于-50dBc/Hz@100kHz的相位噪声。
17.根据权利要求15或16所述的雷达物位计系统，其中，所述微波信号源包括压控振荡器。
18.根据权利要求17所述的雷达物位计系统，还包括电流供应电路系统，所述电流供应电路系统被配置成将所述压控振荡器保持在使得所述压控振荡器的相位噪声在偏离所述发射信号的载波频率-70dBc/Hz@100kHz到-50dBc/Hz@100kHz的范围内的操作点。
19.根据权利要求18所述的雷达物位计系统，其中，所述电流供应电路系统被包括在所述集成式微波电路中。
20.根据权利要求15或16所述的雷达物位计系统，其中，所述本地能量存储装置为具有如下储能容量的电池：至少0.5Wh。
21.根据权利要求15或16所述的雷达物位计系统，其中，所述本地能量存储装置为具有如下储能容量的电池：至少5Wh。
22.根据权利要求15或16所述的雷达物位计系统，其中，所述测量扫描具有小于10ms的持续时间。
23.根据权利要求22所述的雷达物位计系统，其中，所述测量扫描具有小于5ms的持续时间。
24.根据权利要求15或16所述的雷达物位计系统，其中，所述发射信号的所述带宽为至少2.5GHz。
25.根据权利要求15或16所述的雷达物位计系统，其中，所述雷达物位计系统被配置成提供具有第一载波频率的第一发射信号和具有第二载波频率的第二发射信号，所述第二载波频率是所述第一发射信号的所述第一载波频率的至少1.5倍。
26.根据权利要求25所述的雷达物位计系统，其中，所述第一载波频率是6GHz，并且所述第二载波频率是24GHz。
27.根据权利要求15或16所述的雷达物位计系统，其中，所述微波信号源控制器包括PLL电路系统和耦接至所述PLL电路系统的晶体振荡器。
28.根据权利要求15或16所述的雷达物位计系统，其中，所述雷达物位计系统能够控制在至少第一扫描模式与第二扫描模式之间，其中：
在所述第一扫描模式下，所述微波信号源控制器被配置成控制所述微波信号源以生成具有第一持续时间和第一带宽的第一测量扫描；以及
在所述第二扫描模式下，所述微波信号源控制器被配置成控制所述微波信号源以生成具有第二持续时间和第二带宽的第二测量扫描，
所述第二持续时间和所述第二带宽中的至少之一分别与所述第一持续时间和所述第一带宽不同。
29.根据权利要求28所述的雷达物位计系统，其中，所述第二带宽为所述第一带宽的至少1.5倍。
30.根据权利要求15或16所述的雷达物位计系统，其中，所述雷达物位计系统能够控制在激活状态与空闲状态之间，其中，在所述激活状态下，控制所述微波信号源以生成所述发射信号，而在所述空闲状态下不生成发射信号。
31.根据权利要求30所述的雷达物位计系统，还包括能量存储装置，所述能量存储装置被配置成在所述雷达物位计系统处于所述空闲状态时存储能量，以及在所述雷达物位计系统处于所述激活状态时向所述微波信号源提供能量。
32.一种用于确定罐中的物品的填充物位的雷达物位计系统，包括：
信号传播设备，其被设置成朝向所述物品的表面传播电磁发射信号，以及返回由于所述电磁发射信号在所述表面处的反射而产生的电磁反射信号；
微波信号源，其耦接至所述信号传播设备并且能够控制用以生成所述电磁发射信号，所述微波信号源被配置成呈现偏离所述发射信号的载波频率大于或等于-70dBc/Hz@100kHz的相位噪声；
微波信号源控制器，其耦接至所述微波信号源并且被配置成控制所述微波信号源以生成如下测量扫描形式的所述发射信号，所述测量扫描包括用于限定所述发射信号的带宽的离散且彼此不同的频率步进的时间序列；
混频器，其耦接至所述微波信号源和所述信号传播设备，并且被配置成合并所述发射信号与所述反射信号以形成中频信号；以及
处理电路系统，其耦接至所述混频器并且被配置成基于所述中频信号来确定所述填充物位，
其中，至少所述微波信号源和所述混频器被包括在集成式微波电路中。
33.一种使用雷达物位计系统来确定罐中的物品的填充物位的方法，所述雷达物位计系统包括：
信号传播设备；
耦接至所述信号传播设备的微波信号源，所述微波信号源用于生成电磁发射信号，所述微波信号源包括压控振荡器；
混频器，其耦接至所述微波信号源和所述信号传播设备，
其中，至少所述微波信号源和所述混频器被包括在集成式微波电路中，
其中，所述方法包括以下步骤：
将所述压控振荡器控制在使得所述压控振荡器的相位噪声偏离所述发射信号的载波频率大于或等于-70dBc/Hz@100kHz的工作点；
控制所述微波信号源以生成如下测量扫描形式的所述发射信号，所述测量扫描包括用于限定所述发射信号的带宽的离散且彼此不同的频率步进的时间序列；
使用所述信号传播设备朝向所述物品的表面传播所述发射信号；
使用所述信号传播设备返回由于所述发射信号在所述表面处的反射而产生的反射信号；
使用所述混频器合并所述发射信号与所述反射信号以形成中频信号；以及
基于所述中频信号来确定所述填充物位。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，控制所述微波信号源以生成持续时间小于10ms的所述测量扫描。
35.根据权利要求33或34所述的方法，其中，所述确定所述填充物位的步骤包括以下步骤：
在所述测量扫描期间以小于500的采样次数对所述中频信号进行采样。
36.根据权利要求33或34所述的方法，其中，所述测量扫描包括第一数量的离散且彼此不同的频率步进；以及
其中，所述确定所述填充物位的步骤包括以下步骤：
在所述测量扫描期间以第二数量的采样次数对所述中频信号进行采样，
所述第一数量大于所述第二数量。
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