一種聲表面波無(wú)線傳感器的小型化微帶天線*

郭珂君，彭 斌，張萬(wàn)里

(電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610054)

傳感器廣泛分布于生活中各個(gè)角落，用于檢測(cè)物理、化學(xué)等參數(shù)。在很多情況下被測(cè)對(duì)象與信號(hào)處理系統(tǒng)之間無(wú)法用電纜、光纖等連接，特別是當(dāng)被測(cè)對(duì)象處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)、高溫高濕、不方便提供電源等惡劣環(huán)境中時(shí)，此時(shí)無(wú)源無(wú)線傳感器成為首選?；诼暠砻娌?SAW)諧振器的無(wú)源無(wú)線傳感器能適應(yīng)復(fù)雜惡劣環(huán)境，且具有靈敏高、功耗低、易編碼、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于如壓力、溫度、應(yīng)變等諸多物理量的監(jiān)測(cè)［1－5］。在無(wú)線傳感器中，傳感器天線不僅接收探測(cè)天線發(fā)出的信號(hào)，而且將傳感器的信號(hào)發(fā)射到接收系統(tǒng)。一般無(wú)源傳感器因檢測(cè)靈敏度比較低，其探測(cè)距離比較小(小于10 m)［6］。這是因?yàn)橛衫走_(dá)方程［7］可知，探測(cè)天線接收到傳感器返回的信號(hào)功率隨著距離的增加迅速下降，在強(qiáng)噪聲背景下隨著距離的增加，其信噪比急劇下降。因此，傳感器天線增益直接影響著無(wú)線傳感系統(tǒng)的性能。

偶極子天線、螺旋天線等常常被應(yīng)用到SAW無(wú)源無(wú)線傳感器中［8－9］，然而在檢測(cè)如金屬平板結(jié)構(gòu)件的應(yīng)變、溫度等金屬環(huán)境中時(shí)，不但對(duì)傳感器天線的增益，而且也對(duì)傳感器天線的尺寸、輪廓以及共形提出了更苛刻的要求。微帶天線具有一維特性，其低輪廓，易共形、易集成的特點(diǎn)［10－12］使得它適合應(yīng)用于這種金屬件的檢測(cè)環(huán)境中。本文針對(duì)這種應(yīng)用環(huán)境，設(shè)計(jì)了一種小型化低輪廓的表面開(kāi)槽PIFA天線，作為SAW無(wú)線無(wú)源傳感器天線，用于金屬結(jié)構(gòu)件的檢測(cè)。測(cè)試結(jié)果表明該天線在小型化、低剖面與增益之間取得良好的折中。

1 設(shè)計(jì)和仿真

本文針對(duì)工作頻率為915 MHz，應(yīng)用于金屬背景下的SAW傳感器，設(shè)計(jì)出尺寸小于4 cm×4 cm，輪廓低于1.5 mm的天線，天線 －10 dB帶寬1 MHz?？紤]到SAW傳感器工作于UHF的低頻段，針對(duì)以上要求故考慮微帶天線，并需要在小型化的前提下盡量提高天線的增益。

對(duì)于厚度為h，介電常數(shù)為εr的介質(zhì)基片，工作于頻率f的微帶貼片天線寬度w和長(zhǎng)度L(考慮邊緣縮短效應(yīng))為［13］:

其中，c為真空中光速。

由式(2)可知微帶天線諧振頻率與介電常數(shù)成反比，采用高介電常數(shù)介質(zhì)基片能夠縮小微帶天線尺寸1/ε■r。本文采用介電常數(shù)為9.2的Rogers TMM10介質(zhì)基板。矩形微帶天線非輻射邊L近似為λ/2的微帶傳輸線，對(duì)于工作于915 MHz的聲表面波無(wú)線傳感器，從式(1)～式(3)可以計(jì)算得到天線尺寸約109 mm×72.6 mm，這個(gè)尺寸對(duì)于無(wú)源無(wú)線傳感器應(yīng)用顯得很大，需減小其尺寸。

為了減小微帶天線的尺寸，本文首先采用短路加載技術(shù)。短路加載是縮小微帶天線尺寸常用的的方法。近年來(lái)很多文獻(xiàn)報(bào)道的平面倒置F型微帶天線［14－16］，就是一種短路加載的小型化天線。短路加載小型化，可視為短路探針在諧振空腔中引入耦合電容，從而實(shí)現(xiàn)諧振頻率的降低。短路加載后，其輻射單元甚至能縮小至1/8波長(zhǎng)。在微帶天線使用短路加載獲得最佳尺寸縮小的時(shí)候，必須謹(jǐn)慎考慮。因?yàn)橹C振頻率的降低極大地依賴于短路探針的直徑、短路探針的間距以及短路探針的數(shù)量［17］。經(jīng)仿真優(yōu)化后，本文在貼片邊緣設(shè)計(jì)了5個(gè)間距為2 mm，半徑為0.5 mm的短路探針來(lái)減小天線的尺寸。在使用短路加載之后輻射單元尺寸為24.5 mm×24.6 mm，但是天線尺寸依舊較大，需進(jìn)一步縮小尺寸。

在貼片表面開(kāi)槽也是縮小天線尺寸的常見(jiàn)方法。通過(guò)在貼片表面開(kāi)槽切斷了原電流路徑，使得電流繞槽邊緣流動(dòng)，增加天線表面的電流路徑，增加天線的等效長(zhǎng)度，從而降低諧振頻率。在傳輸線模型中，可認(rèn)為貼片表面開(kāi)槽引入了級(jí)聯(lián)電感從而降低了天線的諧振頻率。通過(guò)調(diào)節(jié)槽的長(zhǎng)度和寬度均能有效地調(diào)整諧振頻率。為了進(jìn)一步降低天線尺寸，我們?cè)诓捎枚搪芳虞d技術(shù)的基礎(chǔ)上，同時(shí)在天線的貼片表面開(kāi)槽。經(jīng)仿真優(yōu)化后，通過(guò)在貼片表面設(shè)計(jì)了一個(gè)寬0.5 mm的T型槽，以及一個(gè)寬1 mm的長(zhǎng)方形槽來(lái)實(shí)現(xiàn)天線的小型化。

按照上述所設(shè)計(jì)的微帶天線如圖1所示，其輻射單元尺寸為21.4 mm×21.3 mm，可見(jiàn)采用短路加載技術(shù)和貼片表面開(kāi)槽技術(shù)后，貼片尺寸降低近80.4%。為盡可能降低天線尺寸，選取介質(zhì)基板尺寸為30 mm×30 mm×1 mm，該天線的接地板尺寸與工作頻率相比選取得特別小。當(dāng)?shù)氐某叽邕x取特別取小的時(shí)候?qū)μ炀€諧振頻率、帶寬以及方向性有一定影響［18］。但是考慮到本文設(shè)計(jì)的微帶天線將應(yīng)用到金屬件表面后，該影響可以忽略。

圖1 加載縫隙PIFA天線結(jié)構(gòu)示意圖

所設(shè)計(jì)天線的回波損耗仿真結(jié)果如圖2所示，從圖中可以看出，中心頻率為914.8 MHz，此時(shí)S11為－27 dB，其－10 dB阻抗帶寬為4 MHz。前期的測(cè)試結(jié)果表明，SAW傳感器應(yīng)用于檢測(cè)溫度或者應(yīng)變時(shí)，其諧振頻率的偏移通常在±0.5 MHz以內(nèi)，故該天線滿足SAW無(wú)線傳感器對(duì)天線的帶寬要求。

圖2 天線的S11仿真結(jié)果

所設(shè)計(jì)天線在915 MHz其E、H面增益圖仿真結(jié)果如圖3所示，E、H主射方向均為theta(θ)=0。在E、H面主射方向取得最大增益－9.14 dB，后向輻射較小(約為－20 dB)，前后比為－11 dB左右。若接地板尺寸更大，前后輻射會(huì)進(jìn)一步降低。

由仿真數(shù)據(jù)可知，該天線的－10 dB阻抗帶寬滿足SAW諧振器的要求，在小型化的同時(shí)具有滿足要求的增益。

圖3 天線天線的方向圖仿真結(jié)果(f=915 MHz)

2 制備和測(cè)試

采用Rogers TMM10介質(zhì)基板制作了所設(shè)計(jì)的天線，實(shí)物如圖4所示，采用Agilent矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E5071C測(cè)試了天線的回波損耗如圖5所示。從圖中可以看出，所制作的天線－10 dB帶寬為5.5 MHz，滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)在915 MHz處其S11為－42.15 dB。

圖4 天線實(shí)物圖

圖5 天線S11測(cè)試結(jié)果

在微波暗室中測(cè)試了天線的性能。測(cè)量時(shí)，為模擬工作于金屬件表面的環(huán)境，將天線用Durabond 950粘貼在100 mm×100 mm×1 mm的金屬板上。測(cè)試得到的910 MHz～920 MHz范圍內(nèi)各頻率點(diǎn)的峰值增益如圖6所示。從圖中可以看出，在915 MHz時(shí)天線的增益最大為－7.86 dB，大于仿真時(shí)的最大增益－9.14 dB。在－10 dB阻抗帶寬內(nèi)，其增益均大于－8.8 dB。帶寬內(nèi)增益滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 各頻率點(diǎn)的增益峰值曲線

915 MHz時(shí)天線實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果的對(duì)比如圖7和圖8所示?？梢钥闯?，測(cè)試結(jié)果E面主射方向?yàn)棣?355°，偏離仿真5°。同時(shí)后向輻射增大，約為－11 dB。這是因?yàn)榉抡婧蛯?shí)測(cè)時(shí)所加地不同，邊緣繞射造成的。實(shí)際應(yīng)用時(shí)天線若置于較大面積的金屬件表面，其前后比會(huì)改善。實(shí)際測(cè)試的H面主射方向也有略微改變，為θ=355°。同樣在H面也存在著后向輻射比仿真時(shí)大問(wèn)題。實(shí)際測(cè)試的3 dB波束寬度約為94°。

圖7 實(shí)測(cè)與仿真E面方向圖對(duì)比

圖8 H面方向圖對(duì)比

利用所制作的微帶天線與915.3 MHz單端口諧振型SAW諧振器組成SAW傳感器。采用Canabal等人的測(cè)試方法［19］，通過(guò)測(cè)試群時(shí)延(Group delay)來(lái)確定SAW無(wú)線無(wú)源傳感器的諧振頻率，當(dāng)檢測(cè)天線和SAW應(yīng)變傳感器相距70 cm，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖9 SAW無(wú)線傳感器測(cè)試結(jié)果

從圖9中可以看出，在SAW諧振器的諧振頻率即915.3 MHz處，群時(shí)延曲線出現(xiàn)明顯的峰值，這表明采用本文所設(shè)計(jì)的微帶天線，可以實(shí)現(xiàn)SAW無(wú)源無(wú)線傳感器的信號(hào)接收和發(fā)射功能。該微帶天線滿SAW傳感器對(duì)天線小尺寸，低輪廓的要求。

2 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)SAW無(wú)源無(wú)線傳感器的應(yīng)用背景，設(shè)計(jì)了一款小型化微帶天線。采用短路加載以及貼片開(kāi)槽技術(shù)，天線在取得－7.86 dB增益的同時(shí)，輻射單元縮至21.4 mm ×21.3 mm，尺寸縮減達(dá) 80.4%，同時(shí)剖面高僅1 mm。在與SAW諧振器連接的無(wú)線測(cè)試中，可見(jiàn)使用該微帶天線的SAW傳感器，滿足無(wú)線探測(cè)的性能要求。綜合結(jié)果表明本文所設(shè)計(jì)的天線在取得小型化、低輪廓的同時(shí)，其增益滿足SAW無(wú)源無(wú)線傳感器天線要求。基于該微帶天線的SAW應(yīng)變傳感器，易于和金屬構(gòu)件實(shí)現(xiàn)共形集成，在金屬件結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等無(wú)源無(wú)線檢測(cè)中具有實(shí)際的應(yīng)用前景。

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