频率和天线选择对自由空间雷达发射机的影响

用于液位测量的自由空间雷达发射机通常使用6,26和80 GHz频率。最近，有很多关于高频雷达发射机的炒作，其中一些制造商声称:频率越高性能越好。这并不一定正确。相反，精度取决于频率、波束角度、天线配置和安装，但最重要的是产品本身的介电常数。

自由空间雷达发射机

自由空间雷达发射机有两种主要的工作原理:飞行时间(TOF)和调频连续波(FMCW)。每一种都以“时间”作为距离测量的基础，但计算方式不同。

TOF雷达使用从发射机发射的微波脉冲。当微波能量到达被测材料时，由于介电常数(气相到液体或固体表面)引起阻抗变化，导致能量被反射。反射的能量取决于被测材料的介电性质。高介电材料，如水，反射全部或大部分发射的能量。低介电物质，如碳氢化合物，反射的能量较少。

雷达计算出以光速移动的微波脉冲到达表面并返回所需的时间。这个时间除以2就是到被测量表面的距离。然后，变送器从测量范围中减去距离，从而得到储罐或筒仓内产品的水平。(参见图1)。

FMCW雷达也使用微波能量直接对准被测材料的表面。与TOF雷达一样，反射能量的大小取决于材料的介电性质。FMCW雷达传输的是连续的能量流而不是脉冲，并且频率是连续调制或变化的。因此，对于80 GHz的FMCW雷达，发射机频率可能从79 GHz开始上升到81 GHz。

发射器将它从产品表面接收到的频率与它发出的频率进行比较。频率之差等于波到达表面并返回的时间。就像TOF雷达一样，从测量范围中减去距离会得到电平应用(见图2)。

尽管制造商会举出各种各样的理由来说明为什么一种技术比另一种技术好，但根据应用细节，两种技术都应该考虑。这两种技术都使用以光速传播的微波能量和基于被测量材料的介电反射的能量，并且都测量“时间”来确定距离或水平。

频率的影响

有许多因素会影响测量信号的准确性和可用性，包括频率、天线类型、安装条件和被测材料的介电常数。

发射机频率影响精度、波束角度和天线尺寸。由于低频发射机产生的信号分辨率较差，低频发射机与高频发射机相比通常精度较低。图3显示了6 GHz和26 GHz雷达发射机之间的包络曲线比较。26ghz雷达(红线)产生的脉冲长度大约是6ghz脉冲(蓝线)的一半。这提供了更锐利的回击和更高的准确性。

6ghz的脉冲比26ghz的脉冲宽得多。发射机解释这个脉冲并确定电平的位置。蓝色箭头表示解释可以是几个点。发射机可以将前缘、中心或后缘解释为电平，这会影响精度。由于26千兆赫的发射机脉冲更尖锐，这就限制了对单个点的解释，如红色箭头所示。结果是，6 GHz发射机的精度通常为6至10毫米，而26 GHz发射机在工艺应用中提供2至3毫米的精度。先进的算法可以应用到小于1毫米的精度罐计量应用。

来自80 GHz雷达的反射峰也非常尖锐，这使得准确的电平评估非常容易。使用80 GHz的过程雷达在过程应用中可以具有1毫米的精度，而使用80 GHz的坦克测量和监护转移雷达可以具有小于0.5毫米的精度。

频率也影响发射机传播的信号的波束角度。较低频率比较高频率的发射机产生更宽的波束角。在某些应用中，宽波束角可能比窄波束角更合适。

天线的考虑

天线的尺寸和类型也会影响波束角。频率越低，天线越小，波束角越宽(图4)。增加频率和/或增加天线尺寸会减小波束角。

许多人认为最小的光束角度是水平测量的最佳选择，这是一个普遍的规则。减小波束角度可以使微波能量更容易地避开容器壁、搅拌器和其他内部容器障碍物。提供一个波束角度不与容器壁或障碍物相交的雷达发射机是理想的。

然而，重要的是要明白，即使梁与障碍物或墙壁相交，这并不一定意味着安装将不成功。与墙相交会造成一些能量损失，但通常是无关紧要的。波束路径上的障碍物可以被映射出来——从信号评估中消除它们。

人们通常认为，如果波束角与船壁相交，就不适合自由空间雷达的应用。虽然雷达安装在波束角不与容器壁相交的位置是理想的，但由于安装喷嘴和其他干扰，很难实现。通过正确选择频率、天线尺寸和储罐映射，通常可以实现成功的应用。

测量范围

频率和天线尺寸对测量范围有影响。但被测材料的介电常数和测量装置的安装条件对测量范围也有很大的影响。

低频信号的波长较长，比高频信号传播得更远。具有高频发射器的雷达发射机能够测量大约100英尺的范围，这对于大多数应用来说是可以的。

天线的尺寸和类型对传输距离也有影响。较大的天线比较小的天线提供更大的范围和能量聚焦。图5显示了标准喇叭式天线的范围比较。如图所示，更大的天线提供更大的范围。天线的样式也影响测量范围。图5显示了典型的喇叭型天线，但也有“泪滴型”、抛物线型、杆型和平面型天线。所有这些天线样式用于为不同的应用要求和测量范围提供解决方案。

雷达发射机安装条件

即使为应用程序选择了最好的雷达，如果没有正确安装，它也会给出糟糕的结果。必须考虑安装中存在的条件。被测材料的介电常数、安装类型、位置和目标表面都会产生影响。

凝结，通常是由雷达发射机天线上的水形成的，会引起问题。水的介电强度约为80dc。在典型的喇叭式天线中，凝结在喇叭内部的水滴会造成干扰，影响电磁信号的发射。这种干扰会在信号中产生“噪声”并降低能量。足够的凝结会导致雷达锁定在近区域，导致故障。

为了解决冷凝问题，已经开发了几种特殊的天线设计来帮助“消除”冷凝，减少能量损失和信号噪声(图6)。

如果应用条件下必须使用传统的喇叭式天线，则可以添加净化连接，以保持雷达无冷凝或灰尘积聚。由于空气的介电强度很低，所以它不会干扰微波信号。使用60至70 psi的空气进行净化，例如由螺线管激活的爆炸，将保持喇叭清洁，是最常用的方法。

一些制造商提供了诊断功能来监测耦合区域，当冷凝或积聚达到可能开始干扰信号的水平时，就会显示出来。这些先进的诊断功能可用于执行维护，例如在出现故障之前清除天线。提供预防性维护的能力减少了停机时间和紧急维护需求。

湍流和不规则的表面会导致发射器的能量散射或反射，失去的能量不会返回到发射器。在过去，公认的解决方案是使用具有大波束角的低频雷达。考虑一个球被不规则的表面反弹，比如一块波纹状的屋顶材料。一个小球(紧光束角)很可能会在任何方向反弹，而不是笔直向上。一个大的球(更宽的光束角度)会在更大的面积上击中表面，并且会再次反弹。

虽然这一切都是真的，但已经开发出特殊的算法来使用高频变送器提供湍流表面的液位测量。这或多或少提供了两全其美:更紧密的光束角度和可靠的测量。但并不是对所有应用程序都适用。

还必须考虑到容器内部的阻塞。容器内的搅拌器、加热线圈、温度计套管和其他部件会干扰雷达传输。80ghz雷达的窄波束角可以很好地避开大多数障碍物;其余的需要从信号评估中消除，以防止发射机将这些信号视为假电平信号。

通常，干扰信号被“映射”出来，所以雷达发射机忽略它们。图7显示了带搅拌器的液位测量信号评估。图7中的红线是微波能量返回所提供的信号。黑线是叠加图，从评估中消除了搅拌器反射，并允许发射机只跟随实际电平信号。为了使信号有效并作为电平信号进行评估，它必须高于映射。

安装发射器

雷达发射机在舰艇上的安装位置也必须考虑。人们通常认为将雷达安装在船的中心是最好的位置，因为它使天线离船壁最远。但是将发射机安装在容器的中心，尤其是一个注定要失败的顶板容器，是一个坏主意，因为顶板可以像一个抛物面碟一样，集中杂散的二次微波反射并将它们引导回天线(图8)。这些二次反射可能比初级反射更强。

一个好的经验法则是，如果可能的话，将雷达发射机安装在大约三分之一直径的船只上。如前所述，映射可以解决许多安装位置问题。这与滤波器和正确设置变送器一起，通常会在不理想的安装位置提供可靠的测量。

在静井或旁路安装中安装自由空间雷达发射机具有挑战性。了解微波能量在静井中的传输方式对于选择提供最佳精度的雷达非常重要。标准喇叭天线可用于静井，但精度将低于通常规定。这是由于能量从喇叭式天线传输的方式，结合了它在管道中传播的方式，而不是通过自由空间。

图9显示了安装在静压井中的喇叭式雷达。如上所述，微波能量在沿静止井向下传播时从一侧反弹到另一侧，然后在返回的途中再次反弹。这会导致能量传播更长的距离，从而降低精度。喇叭式雷达在开放式船舶安装中可提供2毫米的精度，但在静井安装时，其精度将无法接近。为了在静压井中获得最佳精度，应使用平面型天线。平面天线提供椭圆能量传输，使能量在静井中沿直线路径传输。

如果使用喇叭式天线，重要的是喇叭直径与静压井的内径相匹配。如果在静压井和喇叭之间有一个空间，能量就会绕在喇叭后面，造成过大的噪音和能量的减少。

重要的不仅仅是雷达的频率，天线设计、智能算法和位置在成功测量坦克或筒仓中的液位方面也起着重要作用。应用难度越大、精度要求越高，最佳的频率和天线设计就越重要。审查应用细节并与具有雷达发射机经验的供应商或顾问合作将提供最佳结果。

基因亨利是美国的高级产品营销经理比尔Sholette是Endress+Hauser在美国东北地区的高级区域级产品业务经理。编辑:Emily Guenther，副内容经理，控制工程， CFE传媒，eguenther@cfemedia.com．

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关键概念

• 选择的频率用于自由空间雷达发射机。
• 最佳实践用于安装变送器。
• 的重要性天线的设计和定位。

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