基于极化和复用的SAW传感器阵列*

张 领，刘 文，2，王 磊

（1.武汉邮电科学研究院，湖北武汉 430074;2.华中科技大学武汉光电国家实验室，湖北武汉 430074）

0 引言

声表面波（surface acoustic wave，SAW）技术［1］起始于20世纪60年代末期，逐渐发展成为集声学、电子学、光学、压电材料和半导体工艺相结合的一门交叉学科。SAW器件可以被开发成测量温度、压力、微位移、湿度、剪应力、化学气体等类型的传感器，这些不同类型的传感器已经被相继开发出来。

近年来，为了优化资源配置，建设更加稳定可靠的电网，电网设备状态在线监测技术受到重视。监测技术的应用可以避免意外停机、减少电气事故、延长贵重电气设备的使用寿命，可以带来了明显的经济效益。SAW技术引入电网设备状态监测后，由于SAW传感器具有无线遥测、无需供电、抗干扰能力强、精度高、成本低、易分布等优点［2］，它在状态监测应用中展现出巨大的潜力。目前在状态监测和传感器领域里，国内外已有许多成功应用的实例。然而，大多数SAW无源无线传感系统的研究应用集中在单点或是少数点分布的SAW传感系统上。针对面向智能电网设备状态监测，由于电气安全距离的要求，要求SAW传感器传感距离远;针对不同类型的电气设备，要求SAW传感器可形成不同规模的阵列;但是现有的技术方法还不够成熟，无法满足要求。所以，面向电网设备状态监测的SAW传感器研究应用主要是解决谐振型SAW传感器阵列元数目与传感距离之间的矛盾。

1 SAW技术原理

SAW传播于压电基片表面，当基片本身或基片上覆盖的敏感材料薄膜受到物理或是化学参量作用时，SAW的传播特性发生改变，这些改变会导致传播时延的变化或者谐振频率的偏移，通过对这些变化和偏移量的提取实现以对待测参量的检测。依据检测原理SAW传感器主要分为2种类型［3］:延迟型和谐振型，延迟型SAW传感器利用激励信号与接收信号在时间上的时延或相位上的变化进行测量，这种结构特点方便将延时信号构成不同的编码，从而构成较大规模的传感器阵列。但是传感距离非常近，限制了它在电力设备状态监控中的应用。谐振型SAW传感器由一个或多个叉指换能器（IDT）和反射栅阵形成谐振腔，由于谐振的特性，品质因素较延迟型器件高许多，损耗极小，适合于远距离的无源无线遥测。然而在实际应用中，谐振型SAW传感器构建阵列不够灵活，限制了它的大范围推广应用。

对于SAW传感器件，单只传感器元一般由谐振器单元、匹配网络、天线组成，结构图见图1。其中谐振器单元中的IDT结构具有电声和声电转换功能，天线实现无线传感信号的发射和接收。对于谐振型SAW传感器，为了能够识别大规模阵列传感器中的各个传感单元，已有和公开的技术主要是采用编码器型SAW器件。例如:重庆大学发表的专利中采用了谐振器加延迟线的结构。美国专利采用SAW线性调频编码器。本文针对实际应用，研究新的技术方法解决传感器阵列元数目与传感距离之间的问题。

图1 SAW传感器元基本组成结构图Fig 1 Basic constitution structure diagram of SAW sensor

2 阵列实现

2.1 IDT设计与频分复用

本文以谐振型SAW温度传感器作为研究对象。对于谐振型SAW传感器，其中心频率可以通过对IDT的设计来决定，简单的IDT见图2。图中a为指条间隔，b为指条宽度，M为IDT周期长度。对于均匀分布的叉指换能器，a=b=M/4，只有当IDT周期等于SAW的波长即M=λ，谐振信号最强。由λ和频率f关系λ·f=v可知，通过传感器理论工作的频率f1～fn，求得对应的λ1～λn。

图2 IDT结构图Fig 2 IDT structure diagram

这样设计工作于不同频率的IDT可以构成小规模的频分传感器阵列［4］。实际中每只传感器将工作于中心频率为f0的一段带宽里。但在通信领域里，频谱作为一种紧缺的资源，为每种应用分配的频段带宽很窄。传感器与网络大多工作于ISM免费频段，传感器可使用的频谱有限。而为保证被测参数的测量范围和测量精度，单频点带宽相对较大，导致谐振型SAW传感器通过谐振频率区分的传感器阵列规模都不可能太大。使得频分复用的谐振型SAW传感器阵列较小，需要进一步提高阵列规模。

2.2 极化和复用技术

依据无源无线传感原理可知，远端的读写器系统通过天线辐射传感能量和接收回波，SAW器件通过天线收集读写器辐射的电磁能量并返回传感信号，在这收发的过程中，天线起着至关重要的作用，所以，对天线的优化设计是提高传感性能的有效方法;另一方面，天线作为一种有效发射和接受电磁波的装置也可以看做一种传感器，不同参数的天线对不同幅度、相位、频率、不同极化的电磁波的响应是不同的。基于此，从优化设计天线性能的角度来改善无源无线传感器系统性能，利用极化和复用扩大SAW传感器阵列。

对于天线的极化特性来讲，利用极化方向的不同可实现极化隔离。为了增大传感器阵列中阵元的数目，选用或设计单极化的发射和接收天线，在保证极化隔离度的条件下，把单极化的天线置于不同的角度形成 0°，45°，90°，135°四种极化模式，参见表1。

表1 极化隔离Tab 1 Polarization isolation

由极化方向的不同构成的极化集合，实际应用中，某种极化方式的发射天线以时分的方式发送查询信号。信号将会被其他3种非匹配极化方式的天线接收，但信号的极化损耗不同，接收到的信号强度也就不同，本文正是利用极化失配产生的极化损耗实现极化隔离。当为极化角度相差45°时，发送和接收之间产生3 dB的极化损失，而本系统中依靠回波信号实现检测，故有2次收发过程，共产生6 dB的极化损失，当极化角度相差90°时，极化完全失配，极化损失最大，理论失配损耗对比数据见表格2。

由此极化分集组成的集合通过合适的信号处理算法可成功区分同频而极化不同的两种信号，从而达到极化隔离的要求，使得传感元阵列的规模变为原来的4倍。为了验证极化损耗的大小，通过实验的方法测试。实验中发射天线和接受天线均为单极化天线，测试软件设置的信号检测门限为15 dB，具有单极化特性天线的SAW传感器工作在不同的极化模式下，传感距离2m。测试数据经统计平均后得回波信号强度见表3。

表2 极化失配损耗Tab 2 Loss of polarization mismatch

表3 不同极化角的回波信号强度图Tab 3 Echo signal intensity of different polarization angle

从表3中可知，实验测得的数据与理论基本相符，差别可能来自于天线的单极化特性受环境影响变差的缘故。实际应用中检测端通过设置不同的检测门限可区分不同极化的传感元。

在极化隔离的基础上，选择或设计良好定向性天线，通过定向性实现空间角度分集，可实现更大阵列规模。定向天线辐射图见图3。图3中天线的波束范围［5］由2个主平面内主瓣波束宽度Δθ1和Δθ2之积表示，即波束范围

图3 定向天线辐射图Fig 3 Radiation diagram of directional antenna

其波束范围愈小，定向性越好。对于一待测区域，由发射天线位置为起点在待测区域面形成的立体角为Ω。则定向性天线可形成个分辨区域。使得传感元在的频分复用和极化隔离的基础上，阵列规模提高N倍。另一方面，传感天线定向性越好能量越集中，指向传感器的辐射能量越强，传感器元的谐振幅度增大，回波相应增强，传感距离就越远。可见发射区和传感区综合采用极化和复用的技术后，能很好解决传感距离与阵列规模的问题，利用天线定向性结合频分、空间角度分集和极化技术后可形成更大的大规模阵列见如图4所示。

3 实验测试

图4 大规模阵列模式图Fig 4 Patterning of mass array

实验中搭建了图4样式的传感阵列。传感系统在室外空旷地方展开，实验环境接近室外变电站应用场景，传感阵列分为上下两组，间距为1.5m。发射端采用单极化八木天线，增益为12dBi，波瓣宽度为水平方向42°，垂直方向38°。传感器小天线为单极化鞭状天线。发射天线距离传感器阵列2m，天线的极化分布按照图4进行。阵列区相同极化方向的传感器分别工作在6个不同的频点429，430.4，431.8，433.2，434.6，436 MHz。传感系统工作时不同极化的发射天线时分工作，每个发射天线又以时分的方式发送扫频查询信号，每只传感单元返回带有监测点信息的数据，数据由采集器处理，汇总后通过RS—485总线或Modbus总线等有线传输方式传输到后端数据库中记录。其中选取了频点均为433.2 MHz的4个极化方向不同的传感器，记录的回波信号强度测试数据见图5。由图5可知信号波动很小，无掉点现象，稳定性好，证实了上下两组之间的干扰可以容忍，说明同频点不同极化的传感器可以被有效区分。图6记录6个不同频率传感器检测的温度变化曲线，从图中可以看到，记录温度随室外温度缓慢变化，6只传感器的温度一致性很好。实验结果证明了本文构建传感器阵列的方法是可行的。

图5 回波信号强度曲线Fig 5 Intensity curve of echo signal

图6 传感器温度曲线Fig 6 Temperature curve of sensor

4 结束语

针对谐振型SAW传感器，为了在避开其他机构专利保护的基础上解决构建阵列的问题，本文结合天线技术基于极化和复用的思想，对传感天线和SAW谐振器的组合优化设计，通过时分、频分、空间角度分集和极化技术的组合，实现不同规模的声表面波传感器阵列，为构建智能电网状态监测的传感器网络提供基础。

［1］武以立，邓盛刚，土永德.声表面波原理及其在电子技术中的应用［M］.北京:国防工业出版社，1983:4－5.

［2］胡爱民.微声电子器件［M］.北京:国防工业出版社，2008:97－104.

［3］Pohl A.A review of wireless SAW sensors［J］.IEEE Transactions on Ultrasonic，Ferroelectrics and Frequency Control，2000，47（2）:317－332.

［4］李 平，文玉梅，黄尚廉.无源无线声表面波多传感器系统及采用的频分识别方法:中国，021133581［P］.2002 －08－14.

［5］Kraus J D，Marhefka R J.天线［M］.章文勋，译.3 版.北京:电子工业出版社，2005.