《电子技术应用》
您所在的位置:首页 > 通信与网络 > 设计应用 > SAW温度传感器测温系统中的天线设计
SAW温度传感器测温系统中的天线设计
2018年电子技术应用第1期
齐本胜,韩 燕,谈俊燕,蔡春华
河海大学 物联网工程学院,江苏 常州 213022
摘要: 为实现对电力设备接点的测温,设计了基于声表面波的无源无线温度传感器的测温方案,具体研究其天线设计以及天线和传感器的匹配方法。方案中读写器天线采用平面倒F天线,传感器天线采用法向模螺旋天线。通过仿真分析和优化设计使得两款天线的谐振频率均为915 MHz,驻波比均小于1.5,达到了系统要求。通过改变馈点位置实现了平面倒F天线的匹配,法向模螺旋天线的匹配采用了Smith v2.0软件,最终两款天线的阻抗均为50 Ω。
中图分类号: TN82
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.171099
中文引用格式: 齐本胜,韩燕,谈俊燕,等. SAW温度传感器测温系统中的天线设计[J].电子技术应用,2018,44(1):91-95.
英文引用格式: Qi Bensheng,Han Yan,Tan Junyan,et al. Antenna design of temperature measurement system based on SAW temperature sensor[J]. Application of Electronic Technique,2018,44(1):91-95.

Antenna design of temperature measurement system based on SAW temperature sensor
Qi Bensheng,Han Yan,Tan Junyan,Cai Chunhua
College of Internet of Things Engineering,Hohai University,Changzhou 213022,China
Abstract: In order to measure the junction temperature of power equipment, a novel strategy of temperature measurement based on surface acoustic wave passive wireless temperature sensor is designed. The antennas and the matching methods of antennas and sensors are also discussed. In the design, the reader antenna is designed as the planar inverted-F antenna, and the sensor antenna is designed as the normal mode helical antenna. By simulation analysis and optimization design, the center frequency of the antennas both are 915 MHz and the voltage standing wave ratio are less than 1.5, meeting the system requirements. The matching method of the planar inverted-F antenna is obtained through the location change of the feed point. The smith v2.0 is utilized to match the normal mode helical antenna. Finally, both antenna designs meet the requirements with the impedances of about 50 Ω.
Key words : surface acoustic wave temperature sensor;planar inverted-F antenna;normal mode helical antenna

0 引言

    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。

    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。

    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

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。

    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。

tx4-t1.gif

    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 PIFA天线的设计

2.1 模型设计

    采用典型PIFA天线作为传感器的信号接收及辐射单元,其基本结构如图2所示。PIFA天线主要包括接地平面、辐射单元、短路金属片和同轴馈线,L1和W1分别为辐射单元的长度和宽度,SW和H分别为短路金属片的宽度和高度。

tx4-t2.gif

    (1)辐射单元的设计

    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:

    tx4-gs1.gif

    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。

    (2)短路金属片的设计

    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。

    (3)馈电点的设计

    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。

    (4)接地平面的设计

    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。

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。

    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tx4-t12-x1.gif=0°的平面为xz平面,图中实线是xz截面上的增益方向图;tx4-t12-x1.gif=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。

tx4-t3.gif

    PIFA天线的驻波比曲线如图4,图中m1点表示当PIFA天线工作在中心频率915 MHz时,驻波比约为1.24,小于1.5,说明PIFA此时的工作状态接近行波,传输特性比较理想,符合设计目标。

tx4-t4.gif

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。

    (1)天线高度对工作频率和带宽的影响

    天线高度用变量H表示,由图5中的m1、m2、m3点可以看出H值为8 mm、10 mm、12 mm时,谐振频率分别为940 MHz、915 MHz、883 MHz,同时对应的10 dB带宽分别为44 MHz、101.4 MHz和105.4 MHz。则可得出结论:随着H的增加,PIFA天线的工作频率逐渐减小,带宽逐渐变大。实际应用中,H的高度一般禁止低于6 mm,不高于12 mm,本设计中H选择10 mm。

tx4-t5.gif

    (2)短路金属片宽度对工作频率和带宽的影响

    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。

tx4-t6.gif

    (3)接地平面的宽度对工作频率和带宽的影响

    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。

tx4-t7.gif

    (4)PIFA天线的阻抗匹配

    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。

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:

tx4-gs2-4.gif

    螺旋天线的特性由πD<λ决定,本设计中,πD<0.5 λ,因此为法向模螺旋天线。

tx4-t8.gif

    (2)边界条件的设置:HFSS分析天线时,首先需要对辐射边界进行设置,而且辐射表面和辐射体的距离必须大于四分之一工作波长。根据法向模螺旋天线的结构,创建一个长方体模型,其顶点坐标为(-90,-90,-90),每个轴长均为180 mm,材质为air,命名为AirBox。长方体模型建好之后,需要将其表面设置为辐射边界条件。

    (3)激励端口的设置:HFSS中有许多激励方式,由于本设计法向模天线的输入端口在模型的内部,所以使用集总端口激励 (Lumped Port),端口阻抗设置为50 Ω。

    (4)求解设置:设置求解频率为915 MHz,网格剖分的最大迭代次数取15,收敛误差一般为0.02。扫频范围定为0.5 GHz~1.5 GHz,步长为0.01 GHz,方式为Linear Step。

3.2 仿真结果与分析

    根据以上参数计算和设置,建立HFSS模型,法向模螺旋天线主要由螺旋线圈、接地板和PCB板组成。在本设计中,螺旋线圈的圈数设置为9.5圈,螺距设置为2 mm;接地板的大小为27 mm×30 mm;激励方式为集总端口激励;PCB板体积为30 mm×30 mm×1 mm。

    仿真结果表明,法向模螺旋天线在中心工作频率915 MHz时,电压驻波比约为1.48,小于1.5,说明匹配较好,传输特性良好,达到了本设计的目标。

    法向模螺旋天线的xz面增益方向图如图9所示,此时,天线的最大辐射方向在与螺旋轴线垂直的平面内,在包含其轴线的任意一个平面内的方向图为8字形。图中m1点为最大增益点,可以看出本设计的最大增益约为1.39 dB,大于0,达到了螺旋天线的设计目标。

tx4-t9.gif

3.3 优化设计

    (1)螺距对工作频率影响

    法向模螺旋天线的螺距用变量S表示,由图10可以得出结论:保持其他尺寸不变,改变螺距S,法向螺旋天线的中心工作频率会随S的增加而改变,先增加后减小。因此在设计中,首先要找到拐点,在拐点之前,中心工作频率要随S的增加而增加,在拐点之后,中心工作频率要随S的增加而减小,然后再根据设计目标缩小范围。

tx4-t10.gif

    (2)圈数对工作频率的影响

    法向模螺旋天线的圈数用变量N表示,从图11中可以看出,N值分别为7.5 mm、8.5 mm、9.5 mm、10.5 mm、11.5 mm时,对应的谐振频率分别为1 054 MHz、978 MHz、915 MHz、858 MHz、796 MHz。由仿真结果可以看出:在保持其他尺寸不变的前提下,圈数N的增加会导致法向模螺旋天线的中心工作频率逐渐减小。

tx4-t11.gif

    (3)法向模螺旋天线的匹配

    对于法向模螺旋天线,本设计中采用Smith v2.0软件进行阻抗匹配,其本质是利用史密斯圆图原理进行阻抗匹配。图12为本设计采用Smith v2.0软件对法向螺旋天线进行的匹配,设置频率为915 MHz,输入最初的阻抗为(11.628+j0.119) Ω,得到其在Smith圆图的位置为点1,经过串联一个电感,并联一个电容,阻抗可达到50 Ω。在Smith圆图中表现为:点1先顺时针旋转到点2,再顺时针旋转到点3,完成匹配。在实物制作时,电感和电容的值还需要根据实际情况进行调整。

tx4-t12.gif

4 结论

    本文主要设计了无源无线SAW温度传感器测温系统中的发射和接收两款天线。根据发射天线和接收天线分工的不同,结合应用场景,选择读写器天线设计为PIFA天线,传感器天线设计为法向模螺旋天线。通过建立模型及优化设计和匹配设计,最终达到了设计目标。仿真结果表明,两款天线的谐振频率均为915 MHz,驻波比均小于1.5,输入阻抗均达到50 Ω左右,实现了匹配,PIFA天线的最大增益为3.34 dB,法向模螺旋天线的增益为1.39 dB,符合设计中的参数要求。

参考文献

[1] 蒋远东.基于无源无线传感技术的高压开关柜温度在线监测[J].南方电网技术,2011,5(S2):128-130.

[2] Han Yulin,Li Zhen,Qi Zhenwei,et al.Design of temperature sensor array in smart electric grid based on SAW resonators[C].Proceedings of the Piezoelectricity,Acoustic Waves and Device Applications(SPAWDA).IEEE,2012:387-390.

[3] STEVENS D S,ANDLE J C,SABAH S,et al.Applications of wireless temperature measurement using saw resonators[C].Fourth International Symposium on Acoustic Wave Devices for Future Mobile Communication Systems,Chiba University,Japan,2010.

[4] 张宝珠.面向智能电网的无源无线温度传感系统[J].中国机械,2014(2):184-184.

[5] Lee Keekeun,Wang Wen,Kim Taehyun,et al.A novel 440 MHz wireless SAW microsensor integrated with pressure temperature sensors and ID tag[J].Journal of Micromechanics & Microengineering,2007,17(3):515-523.

[6] FACHBERGER R,ERLACHER A.Monitoring of the temperature inside a lining of a metallurgical vessel using a SAW temperature sensor[J].Procedia Chemistry,2009,1(1):1239-1242.

[7] 凌明芳,祝运海.SAW谐振器型温度传感器[J].仪表技术与传感器,1997(12):8-10.

[8] BELHADEF Y,HACENE N B.PIFAS antennas design for mobile communications[C].Systems, Signal Processing and their Applications(WOSSPA),2011 7th International Workshop on.IEEE,2011:119-122.

[9] MARROCCO G.The art of UHF RFID antenna design:impedance-matching and size-reduction techniques[J].IEEE Antennas & Propagation Magazine,2008,50(1):66-79.

[10] 杨成利,宋守云.影响PIFA天线S参数因素的研究[J].河南机电高等专科学校学报,2009,17(6):77-78.

[11] 康行健.天线原理与设计[M].北京:北京理工大学出版社,1993.