CN108474839B - 基于带通滤波器的电隔离器 - Google Patents

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Abstract

一种电隔离器（100），其包括多层印刷电路板（PCB）(105)，所述多层印刷电路板（PCB）（105）包括具有顶侧（108a）和底侧（108b）的介电材料（108）。RF传输线（125）被嵌入到PCB之内，所述RF传输线（125）包括彼此间隔开的多个导体迹线（125a、125b、125c）以在RF传输线的路径中包括多个间隙（G1和G2）来提供内联分布式电容器，所述内联分布式电容器和RF传输线（125）的阻抗一起形成带通（BP）滤波器。顶部金属层（120）在顶侧上和在底侧上的底部金属层（110）通过在RF传输线的相应侧上的多个金属填充通孔（115）互相连接。顶部金属层（120）和底部金属层（110）中的每个还包括至少一个间隙。

Description

基于带通滤波器的电隔离器
技术领域
公开的实施例涉及电隔离器。
背景技术
具有容器或储罐(tanks)(“储罐”)的工业厂房一般需要定期地测量(一种或多种)液体的水平或在其中的诸如粉末之类的其他产品材料的水平。存在用于水平测量的若干个类型的系统和技术，其一般利用依赖于分析回声的时域反射测量法(TDR)。
对于基于TDR的测量，存在接触式水平测量，其中诸如探针之类的系统的一部分接触正在被测量的材料，以及存在非接触式水平测量，其中利用定位在待测量的材料之上的天线并且在不接触待测量的材料的情况下测量水平。导波雷达(GWR)是用于测量在储罐中的液体或固体的水平的特定的接触式脉冲雷达方法。非接触式方法包括超声以及雷达，超声使用高频率音(声音)波来检测水平，雷达使用通过自由空间传播的、在射频(RF)处的电磁能量。
基于雷达的储罐计量系统一般需要防爆和内在(intrinsic)安全(IS)系统。IS将电和热能量限制到安全水平。在正常条件下，IS设备是被动的并且允许储罐计量系统正确地运行。在故障条件下，IS设备通过防止过量的电压和电流到达危险区域来保护场电路(例如，雷达水平计量器(RLG))。用于IS屏障的基础电路一般具有限制电流和电压的三个部件：电阻器、至少两个齐纳二极管以及保险丝。电阻器将电流限制到称为短路电流Isc的具体的值。齐纳二极管将电压限制到称为开路电压Voc的值。当齐纳二极管导电时，保险丝将熔断(blow)，其中断电路，防止齐纳二极管燃烧并且防止齐纳二极管允许过量的电压到达危险区域。在每个内在安全屏障中总是存在并联的至少两个齐纳二极管，使得如果一个齐纳二极管失效，则另一个将操作以提供完整的IS保护。
防爆布置包括被设计为容纳爆炸的壳。在故障条件下，故障可能造成爆炸，但容器将容纳爆炸。雷达水平计量器可以安装在防爆外壳中。
在非接触式雷达中的RF信号一般也必须具有用于保护的电隔离。电隔离使用在两个或更多电路必须通信、但是它们的接地可能在不同的电势处的地方。电隔离隔离电气系统的功能部分以通过打破直接电流路径来防止直接电流。相反，通过非直接连接在电隔离的部分之间交换能量或信息，非直接连接诸如是电容、电感(变压器)、电磁波、光学、声学或机械布置。在储罐计量中，电隔离通过特别是当储罐中存在易燃材料时防止储罐中的爆炸来用于安全的。
发明内容
提供本发明内容以简化的形式来介绍公开的概念的简要的选择，其在包括所提供的附图的具体实施方式中在下面被进一步描述。该发明内容并非旨在限制所要求保护的主题的范围。
公开的实施例认识到当将已知的电容器和齐纳二极管用于内在安全(IS)电路在其中一般使用至少10GHz的载波频率的非接触式雷达(NCR)中使用时引入RF信号的衰减和失真，致使此类IS布置一般不适用于NCR。此外，用于实现所需的电容值的电容器的所需物理面积可能太大以至于不实际，并且对于齐纳二极管，为了载波信号的信号切换速度，齐纳二极管的等效结(equivalent junction)电容值在电容上可以高到足以基本上导致在载波频率处的短路(short)(充当低通滤波器)。
公开的实施例利用具有在嵌入的微带线(microstrip line)中的间隙的基于印刷电路板(PCB)的嵌入的带通(BP)滤波器来提供分布式电容，所述分布式电容与微带线阻抗一起提供具有包括(例如，集中于)载波频率的通带的BP滤波器。公开的滤波器被放置在收发器电路的RF输出和连接到在储罐中的天线的处理连接器之间。因此公开的BP滤波器仅使在载波频率处或在载波频率附近的RF信号通过，并且隔离或滤除位于BP滤波器的通带之外的所有其他频率。
一个公开的实施例包括电隔离器，其包括多层PCB，所述多层PCB包括具有顶侧和底侧的介电材料。RF传输线被嵌入到PCB之内，所述RF传输线包括彼此间隔开的多个导体迹线以在传输线的路径中包括多个间隙(例如，G1和G2)来提供内联(inline)分布式电容器，所述内联分布式电容器和RF传输线的阻抗一起形成BP滤波器。顶部金属层在顶侧上和在底侧上的底部金属层通过在RF传输线的相应侧上的多个金属通孔互相连接。顶部金属层和底部金属层中的每个还包括至少一个间隙。
附图说明
图1A是根据示例实施例的示例基于BP滤波器的电隔离器的增强的俯视图。
图1B是示出了根据示例实施例的所示的示例基于BP滤波器的电隔离器的层的侧视图。
图2A描绘了根据示例实施例的实现NCR的示例雷达水平计量器(RLG)系统，其中RLG被安装在防爆壳中，并且天线是电保护的，其中电隔离器被定位在RLG和天线之间。
图2B示出了用于在图2A中所示的RLG的示例部件。
图3A示出了基于设计用于在大约25GHz的操作的在图1A中所示的基于BP滤波器的电隔离器的来自示例基于BP滤波器的电隔离器的模拟的S21数据，以及图3B示出了用于该示例基于BP滤波器的电隔离器的模拟的S11数据。
具体实施方式
参考附图描述了公开的实施例，其中遍及附图使用相同的附图标记以指定类似的或等同的元素。图不是按比例绘制的，并且仅提供它们来图示某些公开的方面。参考用于说明的示例应用，在下文描述若干个公开的方面。应当理解：阐明许多的具体的细节、关系以及方法以提供对公开的实施例的完全的理解。
然而，相关领域技术人员将容易地认识到，在没有具体细节中的一个或多个或在利用其他方法的情况下，可以实践本文中所公开的主题。在其他情况下，公知的结构或操作未被详细示出以避免模糊某些方面。本公开不受动作或事件的图示的排序限制，因为一些动作可以以不同顺序发生和/或与其他动作或事件同时发生。此外，实现根据本文中所公开的实施例的方法论并非需要所有图示的动作或事件。
而且，在没有进一步限制(qualification)的情况下如本文中所使用的术语“耦合到”或“与……耦合”(以及类似物)旨在描述间接或直接电连接。因此，如果第一设备“耦合”到第二设备，该连接可以通过直接的电连接，其中在路径中仅存在寄生现象，或可以通过经由包括其他设备和连接的中间项目的间接电连接。对于间接耦合，中间项目一般不修改信号的信息，但是可以调整它的电流水平、电压水平和/或功率水平。
图1A是根据示例实施例的示例基于BP滤波器的电隔离器100的增强的俯视图。在图1A中所示的在相应区域之间延伸的末端具有箭头的弧形指示对于接地100b的电隔离(示出为“隔离点”)和对于RF信号100a的电隔离，该两者都由电隔离器100提供。使用多级PCB105以对称带状线布置形成电隔离器100，所述多级PCB具有RF传输线125，RF传输线125包括彼此间隔开的多个导体迹线125a、125b以及125c以包括嵌入到介电材料108(例如，核心或半固化片(pre-preg))中的多个间隙(示出为G1和G2)来提供内联分布式电容器，所述内联分布式电容器与传输线125的阻抗一起形成带通(BP)滤波器。图1B示出了根据示例实施例的所示的示例基于BP滤波器的电隔离器的层。虽然未被示出，但是在此视图中，RF传输线125的导体迹线(在图1A中所示的125a、125b以及125c)是重叠的，其中125a重叠125b，并且125b重叠125c。提供了从顶部金属层120到传输线125的连接的通孔被示出为119a和119b。
公开的BP滤波器嵌入到PCB 105中将传输线125中的间隙(G1,G2)的大小减少到一般小于1mm，而将空气用作电介质一般将需要在大小上超过3mm的间隙。不存在具体的间隙值，因为间隙值还将取决于导体迹线125a、125b以及125c的重叠长度的长度。然而，电容值一般将是>0.3pf，诸如从0.3pF到50pF以提供在系统载波频率(例如，25GHz)处的低阻抗来提供将在所需载波频率处工作的BP滤波器。
介电材料108具有顶侧108a和底侧108b。顶部金属层120在顶侧108a上和在底侧108b上的底部金属层110通过在RF传输线125的相应侧上的多个金属通孔115互相连接，因此处于带状线布置。金属通孔115一般包括金属填充的通孔。金属可以包括用于底部金属层110、通孔115以及顶部金属层120的铜。用于顶部接地平面的顶部金属层120和用于底部接地平面的底部金属层110中的每个还包括IS所需要的至少一个间隙(在图1A中和图1B中的顶部金属层120中示出的间隙)，使得不存在用于信号接地或用于底盘(chassis)接地的直接路径。
传输线125，即迹线和平面，形成控制的阻抗和在传输线125中的间隙(G1和G2)以提供相应的电容器。传输线125的阻抗的值由它的物理构造和介电材料108的电气特性、传输线125的线迹线的宽度和厚度、在迹线的任一侧的介电材料108的介电常数和高度以及迹线、顶部金属层120和底部金属层110的配置确定。
已知在材料中的传播速率主要依赖于材料的相对介电常数(Er)，其与材料的介电常数的平方根大致成反比。假设用于电介质108的示例材料G-10或FR-4的介电常数的大约4的Er值(实际值将依赖于频率和玻璃树脂比)，该传播速率将近似光速的一半。
对于高频信号迹线的返回电流路径直接位于由顶部金属层120和底部金属层110提供的接地/功率平面上的信号迹线之上和之下。因此高频载波信号被完全包含在PCB 105的内部，最小化了辐射，并且提供针对传入的杂散信号的自然保护。
BP滤波器的带宽的宽度或频率范围取决于所使用的R和C的值可以是非常小和选择性的、或非常宽和非选择性的，在信号频率在BP滤波器的通带的外部时，输入信号在输入端口处被反射。BP滤波器的中心或谐振频率点是下和上截止点的几何平均。在该中心频率处，输出信号处于它的最大值，并且输出信号的相移与输入信号相同。BP滤波器可以是一阶滤波器，或诸如二阶或三阶滤波器之类的高阶滤波器。
图2A描绘了根据示例实施例的示例NCR系统200，其中RLG 230被安装在危险区域内的防爆外壳180之内，并且天线240是电保护的，其中电隔离器100在RLG 230和天线240之间。图2B示出了RLG 230的示例部件。电隔离器100在大小上通常是小的，并且通常连同RLG230的电子设备一起被安装在被示出为PCB 105’的小面积公共PCB上。
在非危险中，存在示出的由通常在50或60Hz处的250VAC的AC电压的源205提供的AC电源频率(mains frequency)，AC电压的源205被示出耦合到控制装备(例如，处理控制器)220。控制装备220通过IS屏障225耦合到RLG 230。IS屏障225可以包括电容器和齐纳二极管，或其他IS布置。IS屏障225是可选的，但取决于电子设备的其余部分所需的DC功率的水平可能需要IS屏障225，其仅对于保护免于低频率和DC是需要的。
如在图2B中所示的那样，RLG 230包括具有关联的存储器210的处理器215，其中收发器222被耦合到处理器215，并且关联的存储器210包括存储的水平发现算法211(例如，时域反射测量法(TDR)算法)。处理器215可以包括微处理器、数字信号处理器(DSP)、或微控制器单元(MCU)。RLG 230提供RF输出230a。
在图2A中在储罐250中示出了工艺流体(process fluid)227，工艺流体227本身是易燃的和/或在其之上具有易燃气体。NCR系统200包括在储罐250的顶部上的同轴连接器218，其具有被耦合到被悬挂在储罐250的顶部处的天线240的中心导体。电隔离器100从RLG230的RF输入/输出接收RF输出230a并且输出可以被配置为同轴输出的受保护的RF输出219。凸缘(flange)(未示出)也可以出现在储罐250的顶部上。在对NCR系统200的操作中，来自收发器222的传输的脉冲沿着天线240发射，其作为由处理器215处理的、示出的反射脉冲返回。传输的脉冲可以在大约10GHz到100GHz的载波频率处。
公开的实施例包括在故障条件期间限制能量到达NCR系统的RLG的天线的方法，其中RLG向天线提供RF输出，用于对储罐中的、包括易燃材料的产品进行水平感测。包括所公开的嵌入的BP滤波器的诸如电隔离器100之类的公开的电隔离器被定位在RF输出和天线之间。电隔离器阻挡BP滤波器的通带外部的频率并且被设计为包括在NCF系统中使用的载波频率以使RF输出成为受保护的RF输出。选择分布式电容器的电容的值，使得在系统操作的载波频率处的RF传输线的阻抗与电容一起向BP滤波器提供包括载波频率的通带。如上文所指出的，载波频率一般在10GHz到100GHz之间。
虽然对NCR应用一般地描述，但是公开的电隔离器也可以应用于保护在其他系统中的电子设备，所述其他系统诸如是工业模拟数据采集，以及高速工业通信。在所有此类系统中，应认识到：在故障条件期间，包括馈送到(一个或多个)设备的来自高电压的源(例如，AC电源)的故障需要是能量受限的，以帮助将进入危险位置/区域的RF输出保持为低能量。一般而言，使用高频率载波的任何系统可以使用公开的基于BP的电隔离器，高载波频率通常为>10GHz。
示例
公开的实施例通过以下具体的示例被进一步说明，其不应该被解释为以任何方式限制本公开的范围或内容。
示例基于BP滤波器的电隔离器是使用来自Computer Simulation Technology的3D电磁模拟工具CST MICROWAVE STUDIO或使用来自Ansys的高频结构模拟器(HFSS)设计的。基于操作的设计频率通过带状线的手工计算可以执行初始设计。然后，这些粗略的设计数字可以供3D电磁模拟工具使用，并且然后被精炼来改进基于BP滤波器的电隔离器的性能。
确定基于BP滤波器的电隔离器的性能的两个参数是传输曲线(S21)和反射曲线(S11)。S21一般需要接近“0”dB，其中＝0dB的S21值理想地指示由基于BP滤波器的电隔离器接收的所有RF功率被传递到其输出。S11一般需要<-10dB，因为其指示基于BP滤波器的电隔离器正试图传递到它的输出的反射功率。图3A示出了基于设计用于在大约25GHz的操作的在图1中所示的基于BP滤波器的电隔离器100的来自示例基于BP滤波器的电隔离器的模拟的S21数据，以及图3B示出了用于该示例基于BP滤波器的电隔离器的模拟的S11数据。在25GHz处，S21被示出为大约是-1dB以及S11被示出为大约是-24dB。
虽然已经在上文描述了各种公开的实施例，但是应当理解：已经仅通过示例而非限制的方式呈现了它们。在不脱离本公开的精神或范围的情况下，根据本公开可以做出对本文中公开的主题的许多的改变。另外，虽然关于若干个实现中的仅一个已经公开了特定特征，但是如可以被期望并且有利于任何给定或特定的应用的那样，此类特征可以与其他实现的一个或多个其他特征组合。

Claims (13)

1.一种电隔离器，包括：
多层印刷电路板PCB，所述多层印刷电路板PCB包括具有顶侧和底侧的介电材料；
RF传输线，其被嵌入所述PCB之内，所述RF传输线包括彼此间隔开的多个导体迹线以在所述RF传输线的路径中包括围绕所述多个导体迹线中的至少一个的多个间隙来提供内联分布式电容器，所述内联分布式电容器和所述RF传输线的阻抗一起形成带通BP滤波器，以及
在所述顶侧上的顶部金属层和在所述底侧上的底部金属层通过在所述RF传输线的相应侧上的多个金属填充通孔互相连接，其中所述顶部金属层和所述底部金属层中的每个还包括至少一个间隙；以及
雷达水平计量器RLG，其包括在所述PCB上的RLG电子设备，所述RLG包括收发器和天线，所述电隔离器耦合在所述收发器和所述天线之间。
2.根据权利要求1所述的电隔离器，其中选择所述分布式电容器的电容的值，使得所述RF传输线在操作的载波频率处的阻抗与所述电容一起向所述BP滤波器提供在10GHz到100GHz之间的通带。
3.根据权利要求1所述的电隔离器，还包括防爆壳，其中所述电隔离器在所述壳内。
4.根据权利要求1所述的电隔离器，还包括防爆壳，其中所述电隔离器和所述RLG电子设备在所述壳内。
5.根据权利要求1所述的电隔离器，其中所述分布式电容器的电容是0.3pF到50pF。
6.根据权利要求1所述的电隔离器，其中所述电隔离器提供受保护的RF输出，并且其中所述的受保护的RF输出被配置为同轴输出。
7.一种用于对储罐中的产品进行水平感测的雷达系统，包括：
雷达水平计量器RLG，其包括RLG电子设备，该RLG电子设备包括提供耦合到同轴连接器的RF输出的收发器，所述同轴连接器具有耦合到在所述储罐的顶部处的天线的其中心导体，其中所述收发器被耦合到具有关联的存储器的处理器，所述关联的存储器包括存储的水平发现算法，以及
电隔离器，其包括：
多层印刷电路板PCB，其包括具有顶侧和底侧的介电材料，其中所述RLG在所述PCB上；RF传输线，其被嵌入所述PCB之内，所述RF传输线包括彼此间隔开的多个导体迹线以在所述RF传输线的路径中包括围绕所述多个导体迹线中的至少一个的多个间隙来提供内联分布式电容器，所述内联分布式电容器和所述RF传输线的阻抗一起形成带通BP滤波器，以及
在所述顶侧上的顶部金属层和在所述底侧上的底部金属层通过在所述RF传输线的相应侧上的多个金属填充通孔互相连接，其中所述顶部金属层和所述底部金属层中的每个还包括至少一个间隙，以及
防爆外壳，所述电隔离器耦合在所述收发器和所述天线之间，其中所述RLG和所述电隔离器两者都在所述防爆外壳内。
8.根据权利要求7所述的系统，其中选择所述分布式电容器的电容的值，使得所述RF传输线的在操作的载波频率处的阻抗与所述电容一起向所述BP滤波器提供包括在10GHz到100GHz之间的、由所述系统使用的载波频率的通带。
9.根据权利要求7所述的系统，还包括防爆壳，其中所述电隔离器在所述壳内。
10.根据权利要求7所述的系统，其中所述RLG和所述电隔离器形成在所述PCB上。
11.一种在故障条件期间限制能量到达非接触式雷达NCR系统的雷达水平计量器RLG的天线的方法，所述RLG向所述天线提供RF输出用于对在储罐中的包括易燃材料的产品进行水平感测，其包括：
在所述RF输出和所述天线之间提供电隔离器，其中所述电隔离器耦合在收发器和天线之间，所述电隔离器包括：
多层印刷电路板PCB，其包括具有顶侧和底侧的介电材料；
RF传输线，其被嵌入所述PCB之内，所述RF传输线包括彼此间隔开的多个导体迹线以在所述RF传输线的路径中包括围绕所述多个导体迹线中的至少一个的多个间隙来提供内联分布式电容器，所述内联分布式电容器和所述RF传输线的阻抗一起形成带通BP滤波器，以及
在所述顶侧上的顶部金属层和在所述底侧上的底部金属层通过在所述RF传输线的相应侧上的多个通孔互相连接；
其中所述顶部金属层和所述底部金属层中的每个还包括至少一个间隙，
所述电隔离器阻挡所述BP滤波器的通带外部的频率以使得所述RF输出成为受保护的RF输出。
12.根据权利要求11所述的方法，其中选择所述分布式电容器的电容的值，使得所述RF传输线在操作的载波频率处的阻抗与所述电容一起向所述BP滤波器提供包括在10GHz到100GHz之间的、由所述NCR系统使用的载波频率的通带。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述分布式电容器的电容是0.3pF到50pF。
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