一種聲表面波無線傳感器的小型化微帶天線*

郭珂君，彭 斌，張萬里

(電子科技大學電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，成都610054)

傳感器廣泛分布于生活中各個角落，用于檢測物理、化學等參數。在很多情況下被測對象與信號處理系統之間無法用電纜、光纖等連接，特別是當被測對象處于旋轉狀態、高溫高濕、不方便提供電源等惡劣環境中時，此時無源無線傳感器成為首選?；诼暠砻娌?SAW)諧振器的無源無線傳感器能適應復雜惡劣環境，且具有靈敏高、功耗低、易編碼、體積小、成本低等優點，可廣泛應用于如壓力、溫度、應變等諸多物理量的監測［1－5］。在無線傳感器中，傳感器天線不僅接收探測天線發出的信號，而且將傳感器的信號發射到接收系統。一般無源傳感器因檢測靈敏度比較低，其探測距離比較小(小于10 m)［6］。這是因為由雷達方程［7］可知，探測天線接收到傳感器返回的信號功率隨著距離的增加迅速下降，在強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線傳感系統的性能。

偶極子天線、螺旋天線等常常被應用到SAW無源無線傳感器中［8－9］，然而在檢測如金屬平板結構件的應變、溫度等金屬環境中時，不但對傳感器天線的增益，而且也對傳感器天線的尺寸、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［10－12］使得它適合應用于這種金屬件的檢測環境中。本文針對這種應用環境，設計了一種小型化低輪廓的表面開槽PIFA天線，作為SAW無線無源傳感器天線，用于金屬結構件的檢測。測試結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 設計和仿真

本文針對工作頻率為915 MHz，應用于金屬背景下的SAW傳感器，設計出尺寸小于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。

對于厚度為h，介電常數為εr的介質基片，工作于頻率f的微帶貼片天線寬度w和長度L(考慮邊緣縮短效應)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成反比，采用高介電常數介質基片能夠縮小微帶天線尺寸1/ε■r。本文采用介電常數為9.2的Rogers TMM10介質基板。矩形微帶天線非輻射邊L近似為λ/2的微帶傳輸線，對于工作于915 MHz的聲表面波無線傳感器，從式(1)～式(3)可以計算得到天線尺寸約109 mm×72.6 mm，這個尺寸對于無源無線傳感器應用顯得很大，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。短路加載是縮小微帶天線尺寸常用的的方法。近年來很多文獻報道的平面倒置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，從而實現諧振頻率的降低。短路加載后，其輻射單元甚至能縮小至1/8波長。在微帶天線使用短路加載獲得最佳尺寸縮小的時候，必須謹慎考慮。因為諧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量［17］。經仿真優化后，本文在貼片邊緣設計了5個間距為2 mm，半徑為0.5 mm的短路探針來減小天線的尺寸。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，需進一步縮小尺寸。

在貼片表面開槽也是縮小天線尺寸的常見方法。通過在貼片表面開槽切斷了原電流路徑，使得電流繞槽邊緣流動，增加天線表面的電流路徑，增加天線的等效長度，從而降低諧振頻率。在傳輸線模型中，可認為貼片表面開槽引入了級聯電感從而降低了天線的諧振頻率。通過調節槽的長度和寬度均能有效地調整諧振頻率。為了進一步降低天線尺寸，我們在采用短路加載技術的基礎上，同時在天線的貼片表面開槽。經仿真優化后，通過在貼片表面設計了一個寬0.5 mm的T型槽，以及一個寬1 mm的長方形槽來實現天線的小型化。

按照上述所設計的微帶天線如圖1所示，其輻射單元尺寸為21.4 mm×21.3 mm，可見采用短路加載技術和貼片表面開槽技術后，貼片尺寸降低近80.4%。為盡可能降低天線尺寸，選取介質基板尺寸為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。當地的尺寸選取特別取小的時候對天線諧振頻率、帶寬以及方向性有一定影響［18］。但是考慮到本文設計的微帶天線將應用到金屬件表面后，該影響可以忽略。

圖1 加載縫隙PIFA天線結構示意圖

所設計天線的回波損耗仿真結果如圖2所示，從圖中可以看出，中心頻率為914.8 MHz，此時S11為－27 dB，其－10 dB阻抗帶寬為4 MHz。前期的測試結果表明，SAW傳感器應用于檢測溫度或者應變時，其諧振頻率的偏移通常在±0.5 MHz以內，故該天線滿足SAW無線傳感器對天線的帶寬要求。

圖2 天線的S11仿真結果

所設計天線在915 MHz其E、H面增益圖仿真結果如圖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，前后輻射會進一步降低。

由仿真數據可知，該天線的－10 dB阻抗帶寬滿足SAW諧振器的要求，在小型化的同時具有滿足要求的增益。

圖3 天線天線的方向圖仿真結果(f=915 MHz)

2 制備和測試

采用Rogers TMM10介質基板制作了所設計的天線，實物如圖4所示，采用Agilent矢量網絡分析儀E5071C測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，滿足設計要求，同時在915 MHz處其S11為－42.15 dB。

圖4 天線實物圖

圖5 天線S11測試結果

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

圖6 各頻率點的增益峰值曲線

915 MHz時天線實測與仿真結果的對比如圖7和圖8所示?？梢钥闯?，測試結果E面主射方向為θ=355°，偏離仿真5°。同時后向輻射增大，約為－11 dB。這是因為仿真和實測時所加地不同，邊緣繞射造成的。實際應用時天線若置于較大面積的金屬件表面，其前后比會改善。實際測試的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大問題。實際測試的3 dB波束寬度約為94°。

圖7 實測與仿真E面方向圖對比

圖8 H面方向圖對比

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等人的測試方法［19］，通過測試群時延(Group delay)來確定SAW無線無源傳感器的諧振頻率，當檢測天線和SAW應變傳感器相距70 cm，測試結果如圖9所示。

圖9 SAW無線傳感器測試結果

從圖9中可以看出，在SAW諧振器的諧振頻率即915.3 MHz處，群時延曲線出現明顯的峰值，這表明采用本文所設計的微帶天線，可以實現SAW無源無線傳感器的信號接收和發射功能。該微帶天線滿SAW傳感器對天線小尺寸，低輪廓的要求。

2 結束語

本文針對SAW無源無線傳感器的應用背景，設計了一款小型化微帶天線。采用短路加載以及貼片開槽技術，天線在取得－7.86 dB增益的同時，輻射單元縮至21.4 mm ×21.3 mm，尺寸縮減達 80.4%，同時剖面高僅1 mm。在與SAW諧振器連接的無線測試中，可見使用該微帶天線的SAW傳感器，滿足無線探測的性能要求。綜合結果表明本文所設計的天線在取得小型化、低輪廓的同時，其增益滿足SAW無源無線傳感器天線要求?；谠撐炀€的SAW應變傳感器，易于和金屬構件實現共形集成，在金屬件結構健康監測等無源無線檢測中具有實際的應用前景。

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