任 婷，蘇淑靖，許福佳，張麗麗

(中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西太原 030051)

0 引言

航空、航天測試領(lǐng)域關(guān)鍵部位通常都伴隨著超高溫、高旋和多金屬等惡劣環(huán)境，這些關(guān)鍵部位溫度的實時獲取對于裝備安全穩(wěn)定運轉(zhuǎn)至關(guān)重要[1-2]。在超高溫的工作環(huán)境下，有線、有源的傳感器件存在傳感器材料受限導致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、匹配電路不耐高溫等問題，這些問題限制了其工作范圍。相比較下，無線無源陶瓷基傳感器在惡劣環(huán)境下具有無可比擬的優(yōu)勢[3-9]。

本文提出一種面向惡劣環(huán)境的基于SIW的微波散射測試原理的高溫傳感器?；谀透邷靥沾?SiBCN陶瓷)解決超高溫環(huán)境下傳感器基底性能退化的問題[10-11]，利用基片集成波導結(jié)構(gòu)的諧振器解決多金屬環(huán)境應用限制的問題，采用微波散射技術(shù)可實現(xiàn)較遠距離傳感器信號的無源監(jiān)測，解決引線連接失效導致的溫度性能限制問題。

1 傳感器系統(tǒng)

1.1 傳感器的結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的傳感器是基于基片集成波導(SIW)結(jié)構(gòu)的諧振器。該結(jié)構(gòu)主要由上、下金屬表面、基底材料和側(cè)壁金屬圓柱組成。傳感器的介質(zhì)材料為耐高溫SiBCN陶瓷，介質(zhì)基板上下表面覆有金屬鉑漿涂料，側(cè)壁金屬圓柱通孔與上下金屬表面相連接，形成一個與傳統(tǒng)波導幾近相同的電磁場分布。上金屬表面刻蝕互補開口諧振環(huán)(CSRR)結(jié)構(gòu)，主要作用是產(chǎn)生集中分布的電磁場，能提高傳感器的靈敏度和實現(xiàn)信號的無線傳輸。傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

圖1中，D為側(cè)壁金屬圓柱的直徑，b為相鄰兩側(cè)壁金屬圓柱之間的間距，R0為傳感器的半徑，Reff為側(cè)壁金屬圓柱距離傳感器中心的距離，H為傳感器的厚度，即金屬上下金屬表面之間的距離。R1為CSRR結(jié)構(gòu)外諧振環(huán)的外半徑，s1為外諧振環(huán)的縫隙寬度，R2為CSRR結(jié)構(gòu)內(nèi)諧振環(huán)的外半徑，s2為內(nèi)諧振環(huán)的縫隙寬度，t為CSRR結(jié)構(gòu)諧振環(huán)的開口寬度。

1.2 問詢天線的結(jié)構(gòu)

在實際應用中，標準矩形波導天線不耐高溫，因此需要設(shè)計一款在實際測試中的問詢天線。

由于共面波導天線具有寬頻帶、易與其他微波器件串聯(lián)或并聯(lián)連接等優(yōu)點，本文采用共面波導天線作為問詢天線對傳感器進行激勵。問詢天線結(jié)構(gòu)的示意圖如圖2所示。

圖2 問詢天線的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2中，W和L分別為問詢天線的寬和長，W1和L1分別為輻射貼片的寬和長，W2和L2分別為1/4λ阻抗轉(zhuǎn)換器的寬和長，目的是使共面波導天線的邊緣阻抗與微波器件通用的50 Ω阻抗達成匹配，W3和L3為50 Ω微帶傳輸線的寬和長，m和n分別為接地板與輻射貼片和傳輸線的間距寬度。

1.3 測量原理

傳感器的測量原理如圖3所示。共面波導天線發(fā)出包含傳感器諧振頻率f0在內(nèi)的帶寬掃頻信號，最大程度被傳感器接收，傳感器通過CSRR結(jié)構(gòu)將接收到的信號耦合到傳感器內(nèi)部，其中耦合到傳感器的信號中，只有頻率為f0的信號能在封閉的傳感器內(nèi)部震蕩逐漸被消耗，而其余部分頻率的掃頻信號則被反射回共面波導天線。利用耐高溫陶瓷(SiBCN陶瓷)作為傳感器的敏感材料，該材料的介電常數(shù)會隨著環(huán)境溫度的變化而發(fā)生相應的變化，從而影響諧振頻率的變化。通過分析問詢天線的S(1,1)信息，與被測環(huán)境之間建立對應關(guān)系，進而通過回波信息推測環(huán)境被測量的大小。

圖3 傳感器的測試原理示意圖

2 傳感器的設(shè)計

本文設(shè)定的傳感器的諧振頻率f0=11.5 GHz。在常溫下，SiBCN陶瓷的介電常數(shù)為3.512，相對磁導率為1[11]。根據(jù)經(jīng)驗公式：

(1)

(2)

式中：f0為諧振頻率；R為基片集成波導的半徑；ε為介質(zhì)材料的介電常數(shù)；μ為介質(zhì)材料的磁導率；c為光速。

當側(cè)壁金屬圓柱的尺寸滿足D<0.1λg，b<4D，D<0.2Reff時，側(cè)壁金屬圓柱可以視為理想電磁壁，其泄漏的電磁波可忽略不計。當傳感器的尺寸一定時，溫度升高，傳感器介質(zhì)材料的介電常數(shù)增大，從而導致傳感器的諧振頻率降低。

圖4 傳感器的等效電路圖

3 仿真與優(yōu)化

為了提高傳感器的傳輸效率、減少損耗，使用HFSS軟件分別對傳感器和問詢天線進行建模仿真，通過響應曲線中回波損耗的大小來判斷其性能得出最優(yōu)的尺寸參數(shù)。

3.1 傳感器的仿真

采用標準矩形波導作為基片集成波導傳感器的激勵源，矩形波導的尺寸為20.78 mm×9.24 mm×46 mm，仿真模型如圖5所示。在滿足側(cè)壁金屬圓柱的防泄漏尺寸的條件下，結(jié)合式(1)和式(2)，初步計算出傳感器的尺寸參數(shù)為：Reff=5.5 mm，R0=7 mm，D=0.5 mm，H=1.1 mm，側(cè)壁金屬圓柱個數(shù)為36。為了使基片集成波導傳感器具有更高的性能，分別對CSRR結(jié)構(gòu)的外圓半徑R1、外圓縫隙寬度s1、內(nèi)圓半徑R2、內(nèi)圓縫隙寬度s2進行仿真分析，參數(shù)的優(yōu)化仿真結(jié)果如圖6所示。

圖5 傳感器的仿真模型

根據(jù)仿真結(jié)果可知：CSRR外圓半徑R1的大小，外圓縫隙的寬度s1，內(nèi)圓半徑R2的大小都會明顯的引起傳感器的諧振頻率的偏移。R1越大，傳感器的諧振頻率越??；R2越大，傳感器的諧振頻率越小。這和等效電路的理論結(jié)果一致，Ls越大，傳感器的諧振頻率越小。參數(shù)優(yōu)化后的傳感器在室溫下的諧振頻率如圖7所示，傳感器結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

(a)CSRR外圓半徑R1

圖7 優(yōu)化后的傳感器諧振頻率仿真曲線

表1 優(yōu)化后的傳感器的尺寸參數(shù) mm

3.2 問詢天線的仿真

本文設(shè)計的共面波導天線采用氧化鋁陶瓷作為基底材料，鉑槳料作為表面金屬材料，以保證問詢天線在高溫條件下仍可正常工作。所設(shè)計的問詢天線仿真模型采用波端口進行饋電，優(yōu)化后的共面波導天線結(jié)構(gòu)尺寸如表2所示，最終優(yōu)化結(jié)果如圖8所示。

表2 共面波導天線結(jié)構(gòu)尺寸 mm

圖8 共面波導天線的仿真結(jié)果

當溫度從25 ℃升高到1 200 ℃時，氧化鋁陶瓷的介電常數(shù)由9.8增加到11.8。將其介質(zhì)材料的介電常數(shù)設(shè)為變量，從9.8增加到11.8來模擬高溫環(huán)境下的工作頻率變化范圍，結(jié)果如圖9所示，結(jié)果表明，所設(shè)計的問詢天線可以覆蓋傳感器的頻率變化范圍，可以用來對傳感器的信號進行發(fā)送與接收。

圖9 共面波導天線隨溫度變化曲線

3.3 無線無源傳感器仿真

為了更精準的模擬傳感器的工作環(huán)境，將之前仿真好的基片集成波導溫度傳感器置于共面波導天線下進行信號的接收和發(fā)送。傳感器在常溫下的諧振頻率在11.5 GHz,如圖10所示。當溫度從25 ℃升高到1 100 ℃時，SiBCN陶瓷的介電常數(shù)由3.512增加到3.657[11]。將其介質(zhì)材料的介電常數(shù)設(shè)為變量，從3.512增加到3.657來模擬高溫環(huán)境下的工作頻率變化范圍，結(jié)果如圖11所示。傳感器的諧振頻率從11.5 GHz到11.326 GHz，諧振頻率偏移174 MHz，繪制的諧振頻率與介電常數(shù)的關(guān)系曲線如圖12所示，該曲線成現(xiàn)近似的線性變化，表明所設(shè)計的傳感器適用于超高溫度的檢測。

圖10 常溫下傳感器的諧振頻率

圖11 傳感器隨溫度變化曲線

圖12 傳感器諧振頻率-介電常數(shù)曲線

仿真結(jié)果表明，設(shè)計的共面波導天線可以作為傳感器的問詢天線使用，且可以有效的將傳感器的諧振頻率讀取出來。

4 結(jié)論

本文設(shè)計一種基于SiBCN陶瓷的基片集成波導式無線無源高溫傳感器，該傳感器具有品質(zhì)因子高，受干擾影響小，體積小易集成，且可工作在背景金屬環(huán)境下等優(yōu)點。通過理論計算和HFSS軟件仿真確定傳感器的最優(yōu)尺寸，在25～1 100 ℃內(nèi)，傳感器的諧振頻率由11.5 GHz減小到11.326 GHz。仿真結(jié)果驗證基于SiBCN陶瓷的基片集成波導式無線無源高溫傳感器的設(shè)計合理性、測溫可行性。未來的工作將傳感器進行實物實驗測試，進一步驗證其實用性。