0 引言

    在許多電力設(shè)備中，由于安裝工藝及運(yùn)行老化等原因，其電力線接點(diǎn)的接觸電阻變大，進(jìn)而導(dǎo)致溫度升高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使接點(diǎn)熔斷，造成供電故障^[1-2]。為了避免這種安全隱患，需要設(shè)計(jì)開發(fā)一套溫度監(jiān)測(cè)裝置。

    傳統(tǒng)溫度傳感器無法在高電壓、大電流等惡劣環(huán)境下進(jìn)行連續(xù)不斷的溫度監(jiān)測(cè)，而聲表面波溫度傳感器可以結(jié)合天線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無線無源檢測(cè)，在上述惡劣環(huán)境下正常工作^[3-4]。Lee Keekeun^[5]和FACHBERGER R^[6]等人設(shè)計(jì)了延遲線型聲表面波溫度傳感器，一個(gè)中心頻率為440 MHz，另一個(gè)為2.4 GHz，后者可用于高溫環(huán)境的溫度檢測(cè)，但兩者最大有效檢測(cè)距離都不遠(yuǎn)。凌明芳和祝運(yùn)海^[7]對(duì)聲表面波諧振器型溫度傳感器的電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，測(cè)試數(shù)據(jù)說明：聲表面波諧振型溫度傳感器具有頻率穩(wěn)定性高、線性度好等優(yōu)點(diǎn)，適合高精度溫度場(chǎng)合的測(cè)試。根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，可以總結(jié)出諧振型聲表面波溫度傳感器，具有可靠性好、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，相比較延遲線型，更適合無線檢測(cè)。

    平面倒F天線，即PIFA天線，具有不受金屬體影響、便于集成、有自己的參考平面等優(yōu)點(diǎn)^[8-10]，作為系統(tǒng)發(fā)射天線，與讀寫器相連，負(fù)責(zé)發(fā)射激勵(lì)信號(hào)和接收反射信號(hào)。法向模螺旋因其尺寸小、輻射為全向輻射等特點(diǎn)而作為系統(tǒng)的接收天線，負(fù)責(zé)接收來自發(fā)射天線的信號(hào)，并傳遞給聲表面波溫度傳器。因此本系統(tǒng)發(fā)射天線為PIFA，接收天線為法向模螺旋天線。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

    SAW（Surface Acoustic Wave）溫度傳感器采用聲表面波技術(shù)，與傳統(tǒng)傳感器相比，它具有精度高、靈敏度高、易集成、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，最突出的是其可以在高電壓、大電流的惡劣環(huán)境中連續(xù)工作。

    SAW傳感器大致可以分為4種類型：有源延遲線型、有源諧振型、無源延遲線型和無源諧振型。本系統(tǒng)中使用的是無源諧振型SAW傳感器，相比較其他類型，具有無源、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，且更適合無線溫度檢測(cè)。系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

    工作原理：讀寫器產(chǎn)生一個(gè)激勵(lì)信號(hào)，PIFA天線接收并發(fā)射此激勵(lì)信號(hào)。法向模螺旋天線利用接收的信號(hào)驅(qū)動(dòng)SAW溫度傳感器，其叉指換能器將接收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)。當(dāng)SAW傳感器的壓電基片上的溫度發(fā)生變化時(shí)，聲表面波的傳播速度就會(huì)改變，從而使SAW傳感器的諧振頻率發(fā)生變化。聲信號(hào)經(jīng)過反射柵之后回到叉指換能器，叉指換能器將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過法向模螺旋天線將帶有溫度信息的信號(hào)反饋給讀寫器。最后讀寫器通過比較兩個(gè)信號(hào)頻率的變化，結(jié)合頻率和溫度的關(guān)系，得到溫度值。

2 PIFA天線的設(shè)計(jì)

2.1 模型設(shè)計(jì)

    采用典型PIFA天線作為傳感器的信號(hào)接收及輻射單元，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。PIFA天線主要包括接地平面、輻射單元、短路金屬片和同軸饋線，L₁和W₁分別為輻射單元的長(zhǎng)度和寬度，SW和H分別為短路金屬片的寬度和高度。

    (1)輻射單元的設(shè)計(jì)

    PIFA天線輻射單元的長(zhǎng)度L₁與寬度W₁的和，與中心工作波長(zhǎng)λ_c的關(guān)系為：

    本系統(tǒng)中天線的中心工作頻率為915 MHz，因此，λ_c的值約為327.87 mm。根據(jù)式(1)，則可得到L₁與W₁和的值。本設(shè)計(jì)最初模型中，L₁為55 mm，W₁為32 mm。

    (2)短路金屬片的設(shè)計(jì)

    短路金屬片的寬度SW對(duì)天線的諧振頻率和有效帶寬都有影響，本設(shè)計(jì)中最初模型SW的值為5 mm。

    (3)饋電點(diǎn)的設(shè)計(jì)

    本設(shè)計(jì)中，饋電方式采用同軸饋電。同軸線的圓心位置坐標(biāo)為(X_f，Y_f，0)，內(nèi)徑用r₁表示，外徑用r₂表示。其中X_f和Y_f的值分別取16 mm和5 mm，r₁和r₂的值分別為0.25 mm和0.59 mm。

    (4)接地平面的設(shè)計(jì)

    接地平面作為PIFA天線的參考平面，影響著諧振頻率、帶寬、增益等特性，其長(zhǎng)度L_g和寬度W_g的和可以取0.5 λ_c。本設(shè)計(jì)中，λ_c為327.87 mm，所以L_g可取120 mm，W_g可取58 mm。

2.2 仿真結(jié)果分析

    通過仿真，得到回波損耗S₁₁的掃頻結(jié)果，可以得到PIFA天線的中心工作頻率(諧振頻率)為915 MHz，10 dB帶寬約為101 MHz(872.1 MHz~973.5 MHz)，大于80 MHz，滿足本設(shè)計(jì)的要求。

    圖3為PIFA天線在xz和yz截面上的增益方向圖。輻射表面是基于球坐標(biāo)下定義的，因此=0°的平面為xz平面，圖中實(shí)線是xz截面上的增益方向圖；=90°的平面為yz平面，圖中虛線是yz截面上的增益方向圖。m1是增益最大點(diǎn)，位于輻射單元的正上方，增益為3.34 dB，m2的增益約為0.55 dB。

    PIFA天線的駐波比曲線如圖4，圖中m1點(diǎn)表示當(dāng)PIFA天線工作在中心頻率915 MHz時(shí)，駐波比約為1.24，小于1.5，說明PIFA此時(shí)的工作狀態(tài)接近行波，傳輸特性比較理想，符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

    為了得到最優(yōu)的天線結(jié)構(gòu)尺寸，對(duì)天線的主要參數(shù)進(jìn)行了仿真和優(yōu)化。

    (1)天線高度對(duì)工作頻率和帶寬的影響

    天線高度用變量H表示，由圖5中的m1、m2、m3點(diǎn)可以看出H值為8 mm、10 mm、12 mm時(shí)，諧振頻率分別為940 MHz、915 MHz、883 MHz，同時(shí)對(duì)應(yīng)的10 dB帶寬分別為44 MHz、101.4 MHz和105.4 MHz。則可得出結(jié)論：隨著H的增加，PIFA天線的工作頻率逐漸減小，帶寬逐漸變大。實(shí)際應(yīng)用中，H的高度一般禁止低于6 mm，不高于12 mm，本設(shè)計(jì)中H選擇10 mm。

    (2)短路金屬片寬度對(duì)工作頻率和帶寬的影響

    用變量SW表示PIFA天線的短路金屬片的寬度。由圖6中的m1、m2、m3可以看出，當(dāng)SW為7.2 mm、5.2 mm、3.2 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的諧振頻率為901 MHz、915 MHz、928 MHz，且對(duì)應(yīng)的10 dB帶寬分別為111.8 MHz、101.4 MHz和53.3 MHz。因此，在保持其他參數(shù)不變時(shí)，短路金屬片的寬度越小，PIFA天線的中心工作頻率越低，帶寬越窄。

    (3)接地平面的寬度對(duì)工作頻率和帶寬的影響

    用變量W_g表示PIFA天線接地平面的寬度，圖7為參數(shù)掃描分析結(jié)果，可以看出，隨著接地平面的寬度W_g的增大，PIFA天線的諧振頻率幾乎不變化，但是帶寬變化較顯著。即保持其他不變時(shí)，當(dāng)W_g從48 mm變化到58 mm時(shí)，PIFA天線的帶寬逐漸減小。

    (4)PIFA天線的阻抗匹配

    阻抗匹配的方法有很多，可以調(diào)節(jié)天線結(jié)構(gòu)或者尺寸，也可以增加匹配網(wǎng)絡(luò)。由于PIFA天線的饋電點(diǎn)的位置對(duì)輸入阻抗影響很大，所以通過改變饋電點(diǎn)的位置進(jìn)行阻抗匹配。主要改變W₁的值，使同軸饋線的x軸圓心坐標(biāo)X_f(X_f=W₁/2)發(fā)生改變，根據(jù)仿真結(jié)果，還需要微調(diào)同軸饋線的y軸圓心坐標(biāo)Y_f和其他尺寸，才能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。匹配后PIFA天線在中心工作頻率915 MHz時(shí)，輸入阻抗為(50-j 10)Ω，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

3 法向模螺旋天線的設(shè)計(jì)

3.1 模型設(shè)計(jì)

    (1)參數(shù)計(jì)算：本系統(tǒng)的中心工作頻率f_c為915 MHz，中心工作波長(zhǎng)λ_c的計(jì)算公式為：

    螺旋天線的特性由πD<λ決定，本設(shè)計(jì)中，πD<0.5 λ，因此為法向模螺旋天線。

    (2)邊界條件的設(shè)置：HFSS分析天線時(shí)，首先需要對(duì)輻射邊界進(jìn)行設(shè)置，而且輻射表面和輻射體的距離必須大于四分之一工作波長(zhǎng)。根據(jù)法向模螺旋天線的結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建一個(gè)長(zhǎng)方體模型，其頂點(diǎn)坐標(biāo)為(-90，-90，-90)，每個(gè)軸長(zhǎng)均為180 mm，材質(zhì)為air，命名為AirBox。長(zhǎng)方體模型建好之后，需要將其表面設(shè)置為輻射邊界條件。

    (3)激勵(lì)端口的設(shè)置：HFSS中有許多激勵(lì)方式，由于本設(shè)計(jì)法向模天線的輸入端口在模型的內(nèi)部，所以使用集總端口激勵(lì) (Lumped Port)，端口阻抗設(shè)置為50 Ω。

    (4)求解設(shè)置：設(shè)置求解頻率為915 MHz，網(wǎng)格剖分的最大迭代次數(shù)取15，收斂誤差一般為0.02。掃頻范圍定為0.5 GHz~1.5 GHz，步長(zhǎng)為0.01 GHz，方式為L(zhǎng)inear Step。

3.2 仿真結(jié)果與分析

    根據(jù)以上參數(shù)計(jì)算和設(shè)置，建立HFSS模型，法向模螺旋天線主要由螺旋線圈、接地板和PCB板組成。在本設(shè)計(jì)中，螺旋線圈的圈數(shù)設(shè)置為9.5圈，螺距設(shè)置為2 mm；接地板的大小為27 mm×30 mm；激勵(lì)方式為集總端口激勵(lì)；PCB板體積為30 mm×30 mm×1 mm。

    仿真結(jié)果表明，法向模螺旋天線在中心工作頻率915 MHz時(shí)，電壓駐波比約為1.48，小于1.5，說明匹配較好，傳輸特性良好，達(dá)到了本設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

    法向模螺旋天線的xz面增益方向圖如圖9所示，此時(shí)，天線的最大輻射方向在與螺旋軸線垂直的平面內(nèi)，在包含其軸線的任意一個(gè)平面內(nèi)的方向圖為8字形。圖中m1點(diǎn)為最大增益點(diǎn)，可以看出本設(shè)計(jì)的最大增益約為1.39 dB，大于0，達(dá)到了螺旋天線的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

    (1)螺距對(duì)工作頻率影響

    法向模螺旋天線的螺距用變量S表示，由圖10可以得出結(jié)論：保持其他尺寸不變，改變螺距S，法向螺旋天線的中心工作頻率會(huì)隨S的增加而改變，先增加后減小。因此在設(shè)計(jì)中，首先要找到拐點(diǎn)，在拐點(diǎn)之前，中心工作頻率要隨S的增加而增加，在拐點(diǎn)之后，中心工作頻率要隨S的增加而減小，然后再根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)縮小范圍。

    (2)圈數(shù)對(duì)工作頻率的影響

    法向模螺旋天線的圈數(shù)用變量N表示，從圖11中可以看出，N值分別為7.5 mm、8.5 mm、9.5 mm、10.5 mm、11.5 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的諧振頻率分別為1 054 MHz、978 MHz、915 MHz、858 MHz、796 MHz。由仿真結(jié)果可以看出：在保持其他尺寸不變的前提下，圈數(shù)N的增加會(huì)導(dǎo)致法向模螺旋天線的中心工作頻率逐漸減小。

    (3)法向模螺旋天線的匹配

    對(duì)于法向模螺旋天線，本設(shè)計(jì)中采用Smith v2.0軟件進(jìn)行阻抗匹配，其本質(zhì)是利用史密斯圓圖原理進(jìn)行阻抗匹配。圖12為本設(shè)計(jì)采用Smith v2.0軟件對(duì)法向螺旋天線進(jìn)行的匹配，設(shè)置頻率為915 MHz，輸入最初的阻抗為（11.628+j0.119） Ω，得到其在Smith圓圖的位置為點(diǎn)1，經(jīng)過串聯(lián)一個(gè)電感，并聯(lián)一個(gè)電容，阻抗可達(dá)到50 Ω。在Smith圓圖中表現(xiàn)為：點(diǎn)1先順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到點(diǎn)2，再順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到點(diǎn)3，完成匹配。在實(shí)物制作時(shí)，電感和電容的值還需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

4 結(jié)論

    本文主要設(shè)計(jì)了無源無線SAW溫度傳感器測(cè)溫系統(tǒng)中的發(fā)射和接收兩款天線。根據(jù)發(fā)射天線和接收天線分工的不同，結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)景，選擇讀寫器天線設(shè)計(jì)為PIFA天線，傳感器天線設(shè)計(jì)為法向模螺旋天線。通過建立模型及優(yōu)化設(shè)計(jì)和匹配設(shè)計(jì)，最終達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。仿真結(jié)果表明，兩款天線的諧振頻率均為915 MHz，駐波比均小于1.5，輸入阻抗均達(dá)到50 Ω左右，實(shí)現(xiàn)了匹配，PIFA天線的最大增益為3.34 dB，法向模螺旋天線的增益為1.39 dB，符合設(shè)計(jì)中的參數(shù)要求。

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