基于極化和復(fù)用的SAW傳感器陣列*

張 領(lǐng)，劉 文，2，王 磊

（1.武漢郵電科學(xué)研究院，湖北武漢 430074;2.華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430074）

0 引言

聲表面波（surface acoustic wave，SAW）技術(shù)［1］起始于20世紀(jì)60年代末期，逐漸發(fā)展成為集聲學(xué)、電子學(xué)、光學(xué)、壓電材料和半導(dǎo)體工藝相結(jié)合的一門(mén)交叉學(xué)科。SAW器件可以被開(kāi)發(fā)成測(cè)量溫度、壓力、微位移、濕度、剪應(yīng)力、化學(xué)氣體等類(lèi)型的傳感器，這些不同類(lèi)型的傳感器已經(jīng)被相繼開(kāi)發(fā)出來(lái)。

近年來(lái)，為了優(yōu)化資源配置，建設(shè)更加穩(wěn)定可靠的電網(wǎng)，電網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)受到重視。監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用可以避免意外停機(jī)、減少電氣事故、延長(zhǎng)貴重電氣設(shè)備的使用壽命，可以帶來(lái)了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。SAW技術(shù)引入電網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)后，由于SAW傳感器具有無(wú)線遙測(cè)、無(wú)需供電、抗干擾能力強(qiáng)、精度高、成本低、易分布等優(yōu)點(diǎn)［2］，它在狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大的潛力。目前在狀態(tài)監(jiān)測(cè)和傳感器領(lǐng)域里，國(guó)內(nèi)外已有許多成功應(yīng)用的實(shí)例。然而，大多數(shù)SAW無(wú)源無(wú)線傳感系統(tǒng)的研究應(yīng)用集中在單點(diǎn)或是少數(shù)點(diǎn)分布的SAW傳感系統(tǒng)上。針對(duì)面向智能電網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)，由于電氣安全距離的要求，要求SAW傳感器傳感距離遠(yuǎn);針對(duì)不同類(lèi)型的電氣設(shè)備，要求SAW傳感器可形成不同規(guī)模的陣列;但是現(xiàn)有的技術(shù)方法還不夠成熟，無(wú)法滿足要求。所以，面向電網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的SAW傳感器研究應(yīng)用主要是解決諧振型SAW傳感器陣列元數(shù)目與傳感距離之間的矛盾。

1 SAW技術(shù)原理

SAW傳播于壓電基片表面，當(dāng)基片本身或基片上覆蓋的敏感材料薄膜受到物理或是化學(xué)參量作用時(shí)，SAW的傳播特性發(fā)生改變，這些改變會(huì)導(dǎo)致傳播時(shí)延的變化或者諧振頻率的偏移，通過(guò)對(duì)這些變化和偏移量的提取實(shí)現(xiàn)以對(duì)待測(cè)參量的檢測(cè)。依據(jù)檢測(cè)原理SAW傳感器主要分為2種類(lèi)型［3］:延遲型和諧振型，延遲型SAW傳感器利用激勵(lì)信號(hào)與接收信號(hào)在時(shí)間上的時(shí)延或相位上的變化進(jìn)行測(cè)量，這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)方便將延時(shí)信號(hào)構(gòu)成不同的編碼，從而構(gòu)成較大規(guī)模的傳感器陣列。但是傳感距離非常近，限制了它在電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控中的應(yīng)用。諧振型SAW傳感器由一個(gè)或多個(gè)叉指換能器（IDT）和反射柵陣形成諧振腔，由于諧振的特性，品質(zhì)因素較延遲型器件高許多，損耗極小，適合于遠(yuǎn)距離的無(wú)源無(wú)線遙測(cè)。然而在實(shí)際應(yīng)用中，諧振型SAW傳感器構(gòu)建陣列不夠靈活，限制了它的大范圍推廣應(yīng)用。

對(duì)于SAW傳感器件，單只傳感器元一般由諧振器單元、匹配網(wǎng)絡(luò)、天線組成，結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。其中諧振器單元中的IDT結(jié)構(gòu)具有電聲和聲電轉(zhuǎn)換功能，天線實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感信號(hào)的發(fā)射和接收。對(duì)于諧振型SAW傳感器，為了能夠識(shí)別大規(guī)模陣列傳感器中的各個(gè)傳感單元，已有和公開(kāi)的技術(shù)主要是采用編碼器型SAW器件。例如:重慶大學(xué)發(fā)表的專(zhuān)利中采用了諧振器加延遲線的結(jié)構(gòu)。美國(guó)專(zhuān)利采用SAW線性調(diào)頻編碼器。本文針對(duì)實(shí)際應(yīng)用，研究新的技術(shù)方法解決傳感器陣列元數(shù)目與傳感距離之間的問(wèn)題。

圖1 SAW傳感器元基本組成結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Basic constitution structure diagram of SAW sensor

2 陣列實(shí)現(xiàn)

2.1 IDT設(shè)計(jì)與頻分復(fù)用

本文以諧振型SAW溫度傳感器作為研究對(duì)象。對(duì)于諧振型SAW傳感器，其中心頻率可以通過(guò)對(duì)IDT的設(shè)計(jì)來(lái)決定，簡(jiǎn)單的IDT見(jiàn)圖2。圖中a為指條間隔，b為指條寬度，M為IDT周期長(zhǎng)度。對(duì)于均勻分布的叉指換能器，a=b=M/4，只有當(dāng)IDT周期等于SAW的波長(zhǎng)即M=λ，諧振信號(hào)最強(qiáng)。由λ和頻率f關(guān)系λ·f=v可知，通過(guò)傳感器理論工作的頻率f1～fn，求得對(duì)應(yīng)的λ1～λn。

圖2 IDT結(jié)構(gòu)圖Fig 2 IDT structure diagram

這樣設(shè)計(jì)工作于不同頻率的IDT可以構(gòu)成小規(guī)模的頻分傳感器陣列［4］。實(shí)際中每只傳感器將工作于中心頻率為f0的一段帶寬里。但在通信領(lǐng)域里，頻譜作為一種緊缺的資源，為每種應(yīng)用分配的頻段帶寬很窄。傳感器與網(wǎng)絡(luò)大多工作于ISM免費(fèi)頻段，傳感器可使用的頻譜有限。而為保證被測(cè)參數(shù)的測(cè)量范圍和測(cè)量精度，單頻點(diǎn)帶寬相對(duì)較大，導(dǎo)致諧振型SAW傳感器通過(guò)諧振頻率區(qū)分的傳感器陣列規(guī)模都不可能太大。使得頻分復(fù)用的諧振型SAW傳感器陣列較小，需要進(jìn)一步提高陣列規(guī)模。

2.2 極化和復(fù)用技術(shù)

依據(jù)無(wú)源無(wú)線傳感原理可知，遠(yuǎn)端的讀寫(xiě)器系統(tǒng)通過(guò)天線輻射傳感能量和接收回波，SAW器件通過(guò)天線收集讀寫(xiě)器輻射的電磁能量并返回傳感信號(hào)，在這收發(fā)的過(guò)程中，天線起著至關(guān)重要的作用，所以，對(duì)天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)是提高傳感性能的有效方法;另一方面，天線作為一種有效發(fā)射和接受電磁波的裝置也可以看做一種傳感器，不同參數(shù)的天線對(duì)不同幅度、相位、頻率、不同極化的電磁波的響應(yīng)是不同的。基于此，從優(yōu)化設(shè)計(jì)天線性能的角度來(lái)改善無(wú)源無(wú)線傳感器系統(tǒng)性能，利用極化和復(fù)用擴(kuò)大SAW傳感器陣列。

對(duì)于天線的極化特性來(lái)講，利用極化方向的不同可實(shí)現(xiàn)極化隔離。為了增大傳感器陣列中陣元的數(shù)目，選用或設(shè)計(jì)單極化的發(fā)射和接收天線，在保證極化隔離度的條件下，把單極化的天線置于不同的角度形成 0°，45°，90°，135°四種極化模式，參見(jiàn)表1。

表1 極化隔離Tab 1 Polarization isolation

由極化方向的不同構(gòu)成的極化集合，實(shí)際應(yīng)用中，某種極化方式的發(fā)射天線以時(shí)分的方式發(fā)送查詢(xún)信號(hào)。信號(hào)將會(huì)被其他3種非匹配極化方式的天線接收，但信號(hào)的極化損耗不同，接收到的信號(hào)強(qiáng)度也就不同，本文正是利用極化失配產(chǎn)生的極化損耗實(shí)現(xiàn)極化隔離。當(dāng)為極化角度相差45°時(shí)，發(fā)送和接收之間產(chǎn)生3 dB的極化損失，而本系統(tǒng)中依靠回波信號(hào)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，故有2次收發(fā)過(guò)程，共產(chǎn)生6 dB的極化損失，當(dāng)極化角度相差90°時(shí)，極化完全失配，極化損失最大，理論失配損耗對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表格2。

由此極化分集組成的集合通過(guò)合適的信號(hào)處理算法可成功區(qū)分同頻而極化不同的兩種信號(hào)，從而達(dá)到極化隔離的要求，使得傳感元陣列的規(guī)模變?yōu)樵瓉?lái)的4倍。為了驗(yàn)證極化損耗的大小，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)試。實(shí)驗(yàn)中發(fā)射天線和接受天線均為單極化天線，測(cè)試軟件設(shè)置的信號(hào)檢測(cè)門(mén)限為15 dB，具有單極化特性天線的SAW傳感器工作在不同的極化模式下，傳感距離2m。測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)計(jì)平均后得回波信號(hào)強(qiáng)度見(jiàn)表3。

表2 極化失配損耗Tab 2 Loss of polarization mismatch

表3 不同極化角的回波信號(hào)強(qiáng)度圖Tab 3 Echo signal intensity of different polarization angle

從表3中可知，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)與理論基本相符，差別可能來(lái)自于天線的單極化特性受環(huán)境影響變差的緣故。實(shí)際應(yīng)用中檢測(cè)端通過(guò)設(shè)置不同的檢測(cè)門(mén)限可區(qū)分不同極化的傳感元。

在極化隔離的基礎(chǔ)上，選擇或設(shè)計(jì)良好定向性天線，通過(guò)定向性實(shí)現(xiàn)空間角度分集，可實(shí)現(xiàn)更大陣列規(guī)模。定向天線輻射圖見(jiàn)圖3。圖3中天線的波束范圍［5］由2個(gè)主平面內(nèi)主瓣波束寬度Δθ1和Δθ2之積表示，即波束范圍

圖3 定向天線輻射圖Fig 3 Radiation diagram of directional antenna

其波束范圍愈小，定向性越好。對(duì)于一待測(cè)區(qū)域，由發(fā)射天線位置為起點(diǎn)在待測(cè)區(qū)域面形成的立體角為Ω。則定向性天線可形成個(gè)分辨區(qū)域。使得傳感元在的頻分復(fù)用和極化隔離的基礎(chǔ)上，陣列規(guī)模提高N倍。另一方面，傳感天線定向性越好能量越集中，指向傳感器的輻射能量越強(qiáng)，傳感器元的諧振幅度增大，回波相應(yīng)增強(qiáng)，傳感距離就越遠(yuǎn)?？梢?jiàn)發(fā)射區(qū)和傳感區(qū)綜合采用極化和復(fù)用的技術(shù)后，能很好解決傳感距離與陣列規(guī)模的問(wèn)題，利用天線定向性結(jié)合頻分、空間角度分集和極化技術(shù)后可形成更大的大規(guī)模陣列見(jiàn)如圖4所示。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

圖4 大規(guī)模陣列模式圖Fig 4 Patterning of mass array

實(shí)驗(yàn)中搭建了圖4樣式的傳感陣列。傳感系統(tǒng)在室外空曠地方展開(kāi)，實(shí)驗(yàn)環(huán)境接近室外變電站應(yīng)用場(chǎng)景，傳感陣列分為上下兩組，間距為1.5m。發(fā)射端采用單極化八木天線，增益為12dBi，波瓣寬度為水平方向42°，垂直方向38°。傳感器小天線為單極化鞭狀天線。發(fā)射天線距離傳感器陣列2m，天線的極化分布按照?qǐng)D4進(jìn)行。陣列區(qū)相同極化方向的傳感器分別工作在6個(gè)不同的頻點(diǎn)429，430.4，431.8，433.2，434.6，436 MHz。傳感系統(tǒng)工作時(shí)不同極化的發(fā)射天線時(shí)分工作，每個(gè)發(fā)射天線又以時(shí)分的方式發(fā)送掃頻查詢(xún)信號(hào)，每只傳感單元返回帶有監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)由采集器處理，匯總后通過(guò)RS—485總線或Modbus總線等有線傳輸方式傳輸?shù)胶蠖藬?shù)據(jù)庫(kù)中記錄。其中選取了頻點(diǎn)均為433.2 MHz的4個(gè)極化方向不同的傳感器，記錄的回波信號(hào)強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)圖5。由圖5可知信號(hào)波動(dòng)很小，無(wú)掉點(diǎn)現(xiàn)象，穩(wěn)定性好，證實(shí)了上下兩組之間的干擾可以容忍，說(shuō)明同頻點(diǎn)不同極化的傳感器可以被有效區(qū)分。圖6記錄6個(gè)不同頻率傳感器檢測(cè)的溫度變化曲線，從圖中可以看到，記錄溫度隨室外溫度緩慢變化，6只傳感器的溫度一致性很好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了本文構(gòu)建傳感器陣列的方法是可行的。

圖5 回波信號(hào)強(qiáng)度曲線Fig 5 Intensity curve of echo signal

圖6 傳感器溫度曲線Fig 6 Temperature curve of sensor

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)諧振型SAW傳感器，為了在避開(kāi)其他機(jī)構(gòu)專(zhuān)利保護(hù)的基礎(chǔ)上解決構(gòu)建陣列的問(wèn)題，本文結(jié)合天線技術(shù)基于極化和復(fù)用的思想，對(duì)傳感天線和SAW諧振器的組合優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)時(shí)分、頻分、空間角度分集和極化技術(shù)的組合，實(shí)現(xiàn)不同規(guī)模的聲表面波傳感器陣列，為構(gòu)建智能電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的傳感器網(wǎng)絡(luò)提供基礎(chǔ)。

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