SAW微壓力傳感器及其雙頻微帶天線設(shè)計(jì)

許浩源, 李媛媛, 馬連杰

(上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院,上海 201620)

0 引 言

傳感器的廣泛應(yīng)用已經(jīng)深入到生活和工作中。在某些特殊情況下無(wú)源無(wú)線傳感器的使用就成為最佳的選擇[1]。Zhai J X等人已經(jīng)研究了兩種類型的聲表面波(surface acoustic wave,SAW)器件的叉指式換能器(interdigital transducer,IDT)結(jié)構(gòu)[2]。主要對(duì)SAW的IDT做了優(yōu)化設(shè)計(jì),使其能夠產(chǎn)生更大的激勵(lì)和更好的性能。LAMSALLI M等人提出了一種基于分形幾何的天線小型化設(shè)計(jì)方法[3,4]，在天線的小型化方面做了深入的探索,但在對(duì)SAW微壓力傳感器的低頻工作頻率的匹配方面未做深入的考慮。

本文首先對(duì)SAW微壓力傳感器的IDT進(jìn)行了設(shè)計(jì),然后采用加載容性負(fù)載和加載短路探針的方法對(duì)微帶天線進(jìn)行小型化。天線設(shè)計(jì)為雙頻微帶天線,且保證有一個(gè)頻段工作在低頻段，另一個(gè)頻段工作在中頻帶。經(jīng)過(guò)小型化天線的尺寸為30 mm×30 mm,小型化率達(dá)到77 %。一個(gè)頻段在810 MHz,另一個(gè)頻段在2.16 GHz,滿足了設(shè)計(jì)要求。同時(shí)對(duì)所設(shè)計(jì)天線的回波損耗,增益進(jìn)行了仿真分析。

1 SAW壓力傳感器

如圖1所示,SAW微壓力傳感器主要由基片和IDT組成。其工作原理為:電信號(hào)通過(guò)叉指轉(zhuǎn)換成聲波信號(hào),在基片上傳播后又轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。其中,在SAW研究的過(guò)程中,IDT設(shè)計(jì)的優(yōu)劣,是SAW傳感器性能好壞的關(guān)鍵[5]。

圖1 SAW壓力傳感器原理

1.1 IDT模型

IDT是激發(fā)和接收SAW的一種聲—電轉(zhuǎn)換器件。通過(guò)建立δ函數(shù)模型對(duì)IDT進(jìn)行獨(dú)立分析,然后使用COMSOL軟件對(duì)IDT進(jìn)行有限元分析。

叉指在中xi處的聲源分布為

(1)

式中ai為叉指寬度；Ii為第i根叉指聲源強(qiáng)度。

因此,IDT所對(duì)應(yīng)的聲源分布為

(2)

設(shè)IDT的指條的個(gè)數(shù)為n,則IDT的頻響表達(dá)式為

(3)

在上式中,Ii(i=1,2,…,n-1)與叉指電極的極性相對(duì)應(yīng),交替取正負(fù)相同的值。以上公式可以看出,δ函數(shù)建模的可行性[6]。

如圖1所示,a，p分別為叉指電極的指寬、指間距；h為叉指厚度。根據(jù)聲波頻率與指間距關(guān)系公式

f0=vs/2p

(4)

式中vs為SAW波速；f0為IDT的中心頻率[7]。

1.2 IDT仿真

使用COMSOL軟件對(duì)SAW的IDT進(jìn)行有限元仿真。本文選用LiNbO3作為SAW介質(zhì)基片,叉指電極選用鋁電極。為保證叉指激勵(lì)的聲波最大,將金屬極化率(η=a/p)設(shè)定為0.5。由于叉指的總激勵(lì)是多對(duì)叉指激勵(lì)的疊加,因此,本文只對(duì)一對(duì)叉指進(jìn)行仿真。

如圖2所示,在COMSOL中建立該模型,并進(jìn)行仿真。

圖2 單對(duì)叉指仿真模型

由式(4)可以計(jì)算出810 MHz時(shí)叉指的指間距,將叉指的金屬極化率固定為0.5,可計(jì)算出指寬的尺寸,計(jì)算后的具體尺寸如表1 所示。IDT表面總位移如圖3所示。

表1 特征頻率為810 MHz叉指參數(shù) μm

圖3 IDT表面總位移

2 SAW微帶天線

2.1 總體結(jié)構(gòu)

如圖4所示,微帶天線主要由導(dǎo)體接地板、介質(zhì)基片、導(dǎo)體薄片疊加而成。微帶線和同軸線饋電是最常見(jiàn)的饋電方式,使得導(dǎo)體貼片與接地板之間激勵(lì)起射頻電磁場(chǎng),并通過(guò)貼片四周與接地板間的縫隙向外輻射[8]。

圖4 微帶貼片天線俯視圖

2.2 貼片天線的傳輸線模型

微帶天線可看作是一段微帶傳輸線,因此,對(duì)微帶貼片得分析可以建立傳輸線模型。微帶天線剖面低,這就保證了微帶貼片天線易于共形的特點(diǎn)。

先分析x=0處縫隙的輻射?？p隙上等效面磁流密度

(5)

(6)

其中,Fθ=Fxcosθsinφ+Fysinφcosθ-Fzsinθ,

Fφ=Fxsinφ+Fycosφ

下面求x=0與x=b處縫隙共同產(chǎn)生的總輻射場(chǎng)E。由于等效面磁流等幅同向,其合成場(chǎng)就是由上式乘一個(gè)二元陣因子,即得歸一化方向函數(shù)

(7)

以上公式推導(dǎo)證明了在x-z平面,x-y平面的電場(chǎng)與磁場(chǎng)的輻射特性,為天線的設(shè)計(jì)完成后的輻射特性的驗(yàn)證提供了有效的參考價(jià)值。

根據(jù)天線設(shè)計(jì)需要,天線基片厚度h?λ。將天線等效為一段a×b的一段微帶傳輸線。這種分析方法可以大大簡(jiǎn)化運(yùn)算量,本文方法主要用于微帶貼片天線的分析。不能用于圓柱等共形天線的分析[9]。

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程

本文將針對(duì)工作頻率為810 MHz的SAW傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)目標(biāo)為小型雙頻微帶天線,使其中一個(gè)通帶的工作頻率在810 MHz,尺寸不大于30 mm×30 mm,厚度不大于1 mm。且在每個(gè)通帶內(nèi)的帶寬大于5 MHz。由于SAW傳感器尺寸較小,為適應(yīng)SAW微壓力傳感器的尺寸,要在保證天線增益、回波損耗、方向性的同時(shí),實(shí)現(xiàn)天線的小型化

(8)

(9)

(10)

其中

式中c為光速,f為中心頻率,εe為有效介電常數(shù)。

該天線設(shè)計(jì)采用厚度h=1 mm的Rogers Ro3010的介質(zhì)基片。介電常數(shù)εr=10.2。由式(8)、式(9)可以計(jì)算天線輻射貼片的寬度和長(zhǎng)度,以及有效介電常數(shù)和等效縫隙寬度。在低頻范圍內(nèi),天線的尺寸已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于預(yù)期效果,這里將繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化。

本文首先采用加載短路探針的方法實(shí)現(xiàn)天線的小型化。根據(jù)微波理論,在零電位加載短路結(jié)構(gòu),可以形成加載結(jié)構(gòu)處到輻射邊之間的駐波結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)采用微帶線饋電,短路探針穿過(guò)基片連接輻射貼片與接地板形成短路,探針位置與數(shù)量如圖5所示。本設(shè)計(jì)使用三個(gè)半徑r=0.5 mm的短路探針來(lái)減小天線的尺寸,各探針間的距離d=1 mm,如圖5所示。加載探針后的天線尺寸達(dá)到54 mm×38 mm,仍然不滿足設(shè)計(jì)要求,需要進(jìn)一步優(yōu)化。

圖5 微帶天線尺寸示意

其次,本文導(dǎo)體面上的感應(yīng)電流的流淌途徑的方法深入研究,使用在貼片開(kāi)槽的方法來(lái)達(dá)到降低諧振頻率以及實(shí)現(xiàn)雙頻的目的。在貼片表面開(kāi)槽的方法切斷了原電流的傳播路徑,使得電流沿著所開(kāi)槽的邊緣流動(dòng)[10]。這就大大增加了天線貼片上的電流的流通路徑,提高了天線的等效長(zhǎng)度,進(jìn)而降低了諧振頻率。本設(shè)計(jì)的開(kāi)縫結(jié)果如圖5所示,縫隙寬度W3=1 mm,長(zhǎng)度L3=14 mm,L4=8.5 mm。通過(guò)所加載短路探針和開(kāi)槽的方法,最終天線的尺寸縮減到30 mm×30 mm。

依照以上所述,本文設(shè)計(jì)借助加載短路探針和開(kāi)槽的方法,設(shè)計(jì)出了雙頻天線,其通帶分別為810 MHz和2.16 GHz。在天線在保證雙頻通帶,低頻的條件下,最小尺寸在30 mm×30 mm,天線尺寸降低了80 %以上,滿足設(shè)計(jì)尺寸的要求。

2.4 有限元仿真

本文采用HFSS軟件進(jìn)行有限元仿真。依照以上給出的尺寸進(jìn)行有限元分析,在810 MHz與2.16 GHz形成了兩個(gè)通帶,滿足設(shè)計(jì)要求。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 雙頻帶S11仿真結(jié)果

由圖6可知,在810 MHz時(shí),其回波損耗達(dá)到18 dB,帶寬為102 MHz。該天線在此頻段內(nèi)的增益為-11.44 dB。在2.16 GHz時(shí),其回波損耗達(dá)到19 dB,帶寬為180 MHz。該天線在此頻段內(nèi)的增益為-6.32 dB。

通過(guò)S11仿真結(jié)果可以看出,在810 MHz與2.16 GHz這兩個(gè)頻段內(nèi),該天線的中心頻率、回波損耗和帶寬都達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。然而,由于天線尺寸的小型化和偏置側(cè)饋,使得天線的增益、方向性有一定的損失。因此,必須增加一種方法來(lái)增加天線的增益、調(diào)整天線的方向性。

近年來(lái),對(duì)于零折射率超材料的研究,以材料的有效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的零值為分界線。該材料對(duì)于入射到其表面的電磁波束具有良好的匯聚作用[11]。下面將使用該方法來(lái)提高天線的增益,調(diào)整天線的方向性,使該天線在各參數(shù)之間達(dá)到良好的平衡。在微帶天線上方加零折射率超材,多加一層介質(zhì)板,利用引向作用提高增益,并且調(diào)整該天線的方向性。

經(jīng)過(guò)增加零折射率超材的方法后,與未增加零折射率材料相比,其增益得到提高,方向性得以改善。天線的增益達(dá)到-1.98 dB,方向性調(diào)整較為良好,仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 仿真結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)SAW無(wú)源無(wú)線傳感器在復(fù)雜情況下的測(cè)量,對(duì)SAW壓力傳感器的IDT的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì),使之能夠與微帶天線進(jìn)行匹配,并且使用COMSOL軟件進(jìn)行仿真。同時(shí),設(shè)計(jì)了一種小型雙頻微帶天線,其中有一個(gè)頻率工作在810 MHz,這就滿足了SAW微壓力傳感器的工作在低頻段的要求,另一個(gè)頻率工作在2.16 GHz,使得天線的應(yīng)用范圍更廣。天線實(shí)現(xiàn)小型化后,本文又采用增加零折射率超材的方法來(lái)增加天線的增益以及調(diào)整其方向性,最終天線的增益為-1.98 dB,最小尺寸為30 mm×30 mm,厚度僅為1 mm,設(shè)計(jì)在小型化、雙頻特性以及方向性等方面取得了良好的權(quán)衡,滿足了信號(hào)在SAW傳感器無(wú)線傳輸系統(tǒng)中傳輸?shù)囊?。基于微帶天線易于共形,可印刷生產(chǎn)的特點(diǎn),本文天線在與SAW器件的集成等方面具有良好的應(yīng)用前景。