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关于SAW温度传感器测温系统中的天线的设计

2019-12-13 19:55 必威官网 瑾澜173°c
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关于SAW温度传感器测温系统中的天线的设计

=0°的平面为xz平面,图中实线是xz截面上的增益方向图;

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接地平面作为PIFA天线的参考平面,影响着谐振频率、带宽、增益等特性,其长度Lg和宽度Wg的和可以取0.5 λc。本设计中,λc为327.87 mm,所以Lg可取120 mm,Wg可取58 mm。

图3为PIFA天线在xz和yz截面上的增益方向图。辐射表面是基于球坐标下定义的,因此

短路金属片的宽度SW对天线的谐振频率和有效带宽都有影响,本设计中最初模型SW的值为5 mm。

本系统中天线的中心工作频率为915 MHz,因此,λc的值约为327.87 mm。根据式(1),则可得到L1与W1和的值。本设计最初模型中,L1为55 mm,W1为32 mm。

关于SAW温度传感器测温系统中的天线的设计

平面倒F天线,即PIFA天线,具有不受金属体影响、便于集成、有自己的参考平面等优点[8-10],作为系统发射天线,与读写器相连,负责发射激励信号和接收反射信号。法向模螺旋因其尺寸小、辐射为全向辐射等特点而作为系统的接收天线,负责接收来自发射天线的信号,并传递给声表面波温度传器。因此本系统发射天线为PIFA,接收天线为法向模螺旋天线。

(2)短路金属片宽度对工作频率和带宽的影响

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1 系统整体设计

SAW(Surface Acoustic Wave)温度传感器采用声表面波技术,与传统传感器相比,它具有精度高、灵敏度高、易集成、功耗低等优点,最突出的是其可以在高电压、大电流的恶劣环境中连续工作。

关于SAW温度传感器测温系统中的天线的设计

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用变量Wg表示PIFA天线接地平面的宽度,图7为参数扫描分析结果,可以看出,随着接地平面的宽度Wg的增大,PIFA天线的谐振频率几乎不变化,但是带宽变化较显著。即保持其他不变时,当Wg从48 mm变化到58 mm时,PIFA天线的带宽逐渐减小。

本设计中,馈电方式采用同轴馈电。同轴线的圆心位置坐标为(Xf,Yf,0),内径用r1表示,外径用r2表示。其中Xf和Yf的值分别取16 mm和5 mm,r1和r2的值分别为0.25 mm和0.59 mm。

传统温度传感器无法在高电压、大电流等恶劣环境下进行连续不断的温度监测,而声表面波温度传感器可以结合天线系统实现无线无源检测,在上述恶劣环境下正常工作[3-4]。Lee Keekeun[5]和FACHBERGER R[6]等人设计了延迟线型声表面波温度传感器,一个中心频率为440 MHz,另一个为2.4 GHz,后者可用于高温环境的温度检测,但两者最大有效检测距离都不远。凌明芳和祝运海[7]对声表面波谐振器型温度传感器的电路进行了设计,测试数据说明:声表面波谐振型温度传感器具有频率稳定性高、线性度好等优点,适合高精度温度场合的测试。根据国内外研究现状,可以总结出谐振型声表面波温度传感器,具有可靠性好、灵敏度高等优点,相比较延迟线型,更适合无线检测。

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=90°的平面为yz平面,图中虚线是yz截面上的增益方向图。m1是增益最大点,位于辐射单元的正上方,增益为3.34 dB,m2的增益约为0.55 dB。

(3)馈电点的设计

(1)辐射单元的设计

工作原理:读写器产生一个激励信号,PIFA天线接收并发射此激励信号。法向模螺旋天线利用接收的信号驱动SAW温度传感器,其叉指换能器将接收到的电信号转换为声信号。当SAW传感器的压电基片上的温度发生变化时,声表面波的传播速度就会改变,从而使SAW传感器的谐振频率发生变化。声信号经过反射栅之后回到叉指换能器,叉指换能器将其转换为电信号,通过法向模螺旋天线将带有温度信息的信号反馈给读写器。最后读写器通过比较两个信号频率的变化,结合频率和温度的关系,得到温度值。

2.3 优化设计

为了得到最优的天线结构尺寸,对天线的主要参数进行了仿真和优化。

(3)接地平面的宽度对工作频率和带宽的影响

(4)接地平面的设计

(4)PIFA天线的阻抗匹配

用变量SW表示PIFA天线的短路金属片的宽度。由图6中的m1、m2、m3可以看出,当SW为7.2 mm、5.2 mm、3.2 mm时,对应的谐振频率为901 MHz、915 MHz、928 MHz,且对应的10 dB带宽分别为111.8 MHz、101.4 MHz和53.3 MHz。因此,在保持其他参数不变时,短路金属片的宽度越小,PIFA天线的中心工作频率越低,带宽越窄。

SAW传感器大致可以分为4种类型:有源延迟线型、有源谐振型、无源延迟线型和无源谐振型。本系统中使用的是无源谐振型SAW传感器,相比较其他类型,具有无源、灵敏度高等优点,且更适合无线温度检测。系统的整体设计图如图1所示。

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2.2 仿真结果分析

通过仿真,得到回波损耗S11的扫频结果,可以得到PIFA天线的中心工作频率(谐振频率)为915 MHz,10 dB带宽约为101 MHz(872.1 MHz~973.5 MHz),大于80 MHz,满足本设计的要求。

螺旋天线的特性由πD 3 法向模螺旋天线的设计 3.1 模型设计

(1)参数计算:本系统的中心工作频率fc为915 MHz,中心工作波长λc的计算公式为:

阻抗匹配的方法有很多,可以调节天线结构或者尺寸,也可以增加匹配网络。由于PIFA天线的馈电点的位置对输入阻抗影响很大,所以通过改变馈电点的位置进行阻抗匹配。主要改变W1的值,使同轴馈线的x轴圆心坐标Xf(Xf=W1/2)发生改变,根据仿真结果,还需要微调同轴馈线的y轴圆心坐标Yf和其他尺寸,才能达到预期目标。匹配后PIFA天线在中心工作频率915 MHz时,输入阻抗为(50-j 10)Ω,达到了设计要求。

PIFA天线辐射单元的长度L1与宽度W1的和,与中心工作波长λc的关系为:

(2)短路金属片的设计

在许多电力设备中,由于安装工艺及运行老化等原因,其电力线接点的接触电阻变大,进而导致温度升高,严重时会使接点熔断,造成供电故障[1-2]。为了避免这种安全隐患,需要设计开发一套温度监测装置。