許浩源, 李媛媛, 馬連杰

(上海工程技術大學 電子電氣工程學院,上海 201620)

0 引 言

傳感器的廣泛應用已經(jīng)深入到生活和工作中。在某些特殊情況下無源無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)結構[2]。主要對SAW的IDT做了優(yōu)化設計,使其能夠產(chǎn)生更大的激勵和更好的性能。LAMSALLI M等人提出了一種基于分形幾何的天線小型化設計方法[3,4]，在天線的小型化方面做了深入的探索,但在對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SAW微壓力傳感器的IDT進行了設計,然后采用加載容性負載和加載短路探針的方法對微帶天線進行小型化。天線設計為雙頻微帶天線,且保證有一個頻段工作在低頻段，另一個頻段工作在中頻帶。經(jīng)過小型化天線的尺寸為30 mm×30 mm,小型化率達到77 %。一個頻段在810 MHz,另一個頻段在2.16 GHz,滿足了設計要求。同時對所設計天線的回波損耗,增益進行了仿真分析。

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:電信號通過叉指轉換成聲波信號,在基片上傳播后又轉換為電信號。其中,在SAW研究的過程中,IDT設計的優(yōu)劣,是SAW傳感器性能好壞的關鍵[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—電轉換器件。通過建立δ函數(shù)模型對IDT進行獨立分析,然后使用COMSOL軟件對IDT進行有限元分析。

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根叉指聲源強度。

因此,IDT所對應的聲源分布為

(2)

設IDT的指條的個數(shù)為n,則IDT的頻響表達式為

(3)

在上式中,Ii(i=1,2,…,n-1)與叉指電極的極性相對應,交替取正負相同的值。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SAW的IDT進行有限元仿真。本文選用LiNbO3作為SAW介質基片,叉指電極選用鋁電極。為保證叉指激勵的聲波最大,將金屬極化率(η=a/p)設定為0.5。由于叉指的總激勵是多對叉指激勵的疊加,因此,本文只對一對叉指進行仿真。

如圖2所示,在COMSOL中建立該模型,并進行仿真。

圖2 單對叉指仿真模型

由式(4)可以計算出810 MHz時叉指的指間距,將叉指的金屬極化率固定為0.5,可計算出指寬的尺寸,計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 總體結構

如圖4所示,微帶天線主要由導體接地板、介質基片、導體薄片疊加而成。微帶線和同軸線饋電是最常見的饋電方式,使得導體貼片與接地板之間激勵起射頻電磁場,并通過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。

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E。由于等效面磁流等幅同向,其合成場就是由上式乘一個二元陣因子,即得歸一化方向函數(shù)

(7)

以上公式推導證明了在x-z平面,x-y平面的電場與磁場的輻射特性,為天線的設計完成后的輻射特性的驗證提供了有效的參考價值。

根據(jù)天線設計需要,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化運算量,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)化設計過程

本文將針對工作頻率為810 MHz的SAW傳感器進行設計,設計目標為小型雙頻微帶天線,使其中一個通帶的工作頻率在810 MHz,尺寸不大于30 mm×30 mm,厚度不大于1 mm。且在每個通帶內的帶寬大于5 MHz。由于SAW傳感器尺寸較小,為適應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,實現(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)。

該天線設計采用厚度h=1 mm的Rogers Ro3010的介質基片。介電常數(shù)εr=10.2。由式(8)、式(9)可以計算天線輻射貼片的寬度和長度,以及有效介電常數(shù)和等效縫隙寬度。在低頻范圍內,天線的尺寸已經(jīng)遠遠大于預期效果,這里將繼續(xù)進行優(yōu)化。

本文首先采用加載短路探針的方法實現(xiàn)天線的小型化。根據(jù)微波理論,在零電位加載短路結構,可以形成加載結構處到輻射邊之間的駐波結構。本設計采用微帶線饋電,短路探針穿過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。本設計使用三個半徑r=0.5 mm的短路探針來減小天線的尺寸,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到54 mm×38 mm,仍然不滿足設計要求,需要進一步優(yōu)化。

圖5 微帶天線尺寸示意

其次,本文導體面上的感應電流的流淌途徑的方法深入研究,使用在貼片開槽的方法來達到降低諧振頻率以及實現(xiàn)雙頻的目的。在貼片表面開槽的方法切斷了原電流的傳播路徑,使得電流沿著所開槽的邊緣流動[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度,進而降低了諧振頻率。本設計的開縫結果如圖5所示,縫隙寬度W3=1 mm,長度L3=14 mm,L4=8.5 mm。通過所加載短路探針和開槽的方法,最終天線的尺寸縮減到30 mm×30 mm。

依照以上所述,本文設計借助加載短路探針和開槽的方法,設計出了雙頻天線,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,滿足設計尺寸的要求。

2.4 有限元仿真

本文采用HFSS軟件進行有限元仿真。依照以上給出的尺寸進行有限元分析,在810 MHz與2.16 GHz形成了兩個通帶,滿足設計要求。仿真結果如圖6所示。

圖6 雙頻帶S11仿真結果

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

通過S11仿真結果可以看出,在810 MHz與2.16 GHz這兩個頻段內,該天線的中心頻率、回波損耗和帶寬都達到了設計的要求。然而,由于天線尺寸的小型化和偏置側饋,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增加天線的增益、調整天線的方向性。

近年來,對于零折射率超材料的研究,以材料的有效介電常數(shù)和磁導率的零值為分界線。該材料對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提高天線的增益,調整天線的方向性,使該天線在各參數(shù)之間達到良好的平衡。在微帶天線上方加零折射率超材,多加一層介質板,利用引向作用提高增益,并且調整該天線的方向性。

經(jīng)過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。天線的增益達到-1.98 dB,方向性調整較為良好,仿真結果如圖7所示。

圖7 仿真結果

3 結束語

本文針對SAW無源無線傳感器在復雜情況下的測量,對SAW壓力傳感器的IDT的尺寸進行設計,使之能夠與微帶天線進行匹配,并且使用COMSOL軟件進行仿真。同時,設計了一種小型雙頻微帶天線,其中有一個頻率工作在810 MHz,這就滿足了SAW微壓力傳感器的工作在低頻段的要求,另一個頻率工作在2.16 GHz,使得天線的應用范圍更廣。天線實現(xiàn)小型化后,本文又采用增加零折射率超材的方法來增加天線的增益以及調整其方向性,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,設計在小型化、雙頻特性以及方向性等方面取得了良好的權衡,滿足了信號在SAW傳感器無線傳輸系統(tǒng)中傳輸?shù)囊蟆；谖炀€易于共形,可印刷生產(chǎn)的特點,本文天線在與SAW器件的集成等方面具有良好的應用前景。