一种声表面波无线传感器的小型化微带天线*

郭珂君，彭 斌，张万里

(电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室，成都610054)

传感器广泛分布于生活中各个角落，用于检测物理、化学等参数。在很多情况下被测对象与信号处理系统之间无法用电缆、光纤等连接，特别是当被测对象处于旋转状态、高温高湿、不方便提供电源等恶劣环境中时，此时无源无线传感器成为首选。基于声表面波(SAW)谐振器的无源无线传感器能适应复杂恶劣环境，且具有灵敏高、功耗低、易编码、体积小、成本低等优点，可广泛应用于如压力、温度、应变等诸多物理量的监测［1－5］。在无线传感器中，传感器天线不仅接收探测天线发出的信号，而且将传感器的信号发射到接收系统。一般无源传感器因检测灵敏度比较低，其探测距离比较小(小于10 m)［6］。这是因为由雷达方程［7］可知，探测天线接收到传感器返回的信号功率随着距离的增加迅速下降，在强噪声背景下随着距离的增加，其信噪比急剧下降。因此，传感器天线增益直接影响着无线传感系统的性能。

偶极子天线、螺旋天线等常常被应用到SAW无源无线传感器中［8－9］，然而在检测如金属平板结构件的应变、温度等金属环境中时，不但对传感器天线的增益，而且也对传感器天线的尺寸、轮廓以及共形提出了更苛刻的要求。微带天线具有一维特性，其低轮廓，易共形、易集成的特点［10－12］使得它适合应用于这种金属件的检测环境中。本文针对这种应用环境，设计了一种小型化低轮廓的表面开槽PIFA天线，作为SAW无线无源传感器天线，用于金属结构件的检测。测试结果表明该天线在小型化、低剖面与增益之间取得良好的折中。

1 设计和仿真

本文针对工作频率为915 MHz，应用于金属背景下的SAW传感器，设计出尺寸小于4 cm×4 cm，轮廓低于1.5 mm的天线，天线 －10 dB带宽1 MHz。考虑到SAW传感器工作于UHF的低频段，针对以上要求故考虑微带天线，并需要在小型化的前提下尽量提高天线的增益。

对于厚度为h，介电常数为εr的介质基片，工作于频率f的微带贴片天线宽度w和长度L(考虑边缘缩短效应)为［13］:

其中，c为真空中光速。

由式(2)可知微带天线谐振频率与介电常数成反比，采用高介电常数介质基片能够缩小微带天线尺寸1/ε■r。本文采用介电常数为9.2的Rogers TMM10介质基板。矩形微带天线非辐射边L近似为λ/2的微带传输线，对于工作于915 MHz的声表面波无线传感器，从式(1)～式(3)可以计算得到天线尺寸约109 mm×72.6 mm，这个尺寸对于无源无线传感器应用显得很大，需减小其尺寸。

为了减小微带天线的尺寸，本文首先采用短路加载技术。短路加载是缩小微带天线尺寸常用的的方法。近年来很多文献报道的平面倒置F型微带天线［14－16］，就是一种短路加载的小型化天线。短路加载小型化，可视为短路探针在谐振空腔中引入耦合电容，从而实现谐振频率的降低。短路加载后，其辐射单元甚至能缩小至1/8波长。在微带天线使用短路加载获得最佳尺寸缩小的时候，必须谨慎考虑。因为谐振频率的降低极大地依赖于短路探针的直径、短路探针的间距以及短路探针的数量［17］。经仿真优化后，本文在贴片边缘设计了5个间距为2 mm，半径为0.5 mm的短路探针来减小天线的尺寸。在使用短路加载之后辐射单元尺寸为24.5 mm×24.6 mm，但是天线尺寸依旧较大，需进一步缩小尺寸。

在贴片表面开槽也是缩小天线尺寸的常见方法。通过在贴片表面开槽切断了原电流路径，使得电流绕槽边缘流动，增加天线表面的电流路径，增加天线的等效长度，从而降低谐振频率。在传输线模型中，可认为贴片表面开槽引入了级联电感从而降低了天线的谐振频率。通过调节槽的长度和宽度均能有效地调整谐振频率。为了进一步降低天线尺寸，我们在采用短路加载技术的基础上，同时在天线的贴片表面开槽。经仿真优化后，通过在贴片表面设计了一个宽0.5 mm的T型槽，以及一个宽1 mm的长方形槽来实现天线的小型化。

按照上述所设计的微带天线如图1所示，其辐射单元尺寸为21.4 mm×21.3 mm，可见采用短路加载技术和贴片表面开槽技术后，贴片尺寸降低近80.4%。为尽可能降低天线尺寸，选取介质基板尺寸为30 mm×30 mm×1 mm，该天线的接地板尺寸与工作频率相比选取得特别小。当地的尺寸选取特别取小的时候对天线谐振频率、带宽以及方向性有一定影响［18］。但是考虑到本文设计的微带天线将应用到金属件表面后，该影响可以忽略。

图1 加载缝隙PIFA天线结构示意图

所设计天线的回波损耗仿真结果如图2所示，从图中可以看出，中心频率为914.8 MHz，此时S11为－27 dB，其－10 dB阻抗带宽为4 MHz。前期的测试结果表明，SAW传感器应用于检测温度或者应变时，其谐振频率的偏移通常在±0.5 MHz以内，故该天线满足SAW无线传感器对天线的带宽要求。

图2 天线的S11仿真结果

所设计天线在915 MHz其E、H面增益图仿真结果如图3所示，E、H主射方向均为theta(θ)=0。在E、H面主射方向取得最大增益－9.14 dB，后向辐射较小(约为－20 dB)，前后比为－11 dB左右。若接地板尺寸更大，前后辐射会进一步降低。

由仿真数据可知，该天线的－10 dB阻抗带宽满足SAW谐振器的要求，在小型化的同时具有满足要求的增益。

图3 天线天线的方向图仿真结果(f=915 MHz)

2 制备和测试

采用Rogers TMM10介质基板制作了所设计的天线，实物如图4所示，采用Agilent矢量网络分析仪E5071C测试了天线的回波损耗如图5所示。从图中可以看出，所制作的天线－10 dB带宽为5.5 MHz，满足设计要求，同时在915 MHz处其S11为－42.15 dB。

图4 天线实物图

图5 天线S11测试结果

在微波暗室中测试了天线的性能。测量时，为模拟工作于金属件表面的环境，将天线用Durabond 950粘贴在100 mm×100 mm×1 mm的金属板上。测试得到的910 MHz～920 MHz范围内各频率点的峰值增益如图6所示。从图中可以看出，在915 MHz时天线的增益最大为－7.86 dB，大于仿真时的最大增益－9.14 dB。在－10 dB阻抗带宽内，其增益均大于－8.8 dB。带宽内增益满足设计要求。

图6 各频率点的增益峰值曲线

915 MHz时天线实测与仿真结果的对比如图7和图8所示。可以看出，测试结果E面主射方向为θ=355°，偏离仿真5°。同时后向辐射增大，约为－11 dB。这是因为仿真和实测时所加地不同，边缘绕射造成的。实际应用时天线若置于较大面积的金属件表面，其前后比会改善。实际测试的H面主射方向也有略微改变，为θ=355°。同样在H面也存在着后向辐射比仿真时大问题。实际测试的3 dB波束宽度约为94°。

图7 实测与仿真E面方向图对比

图8 H面方向图对比

利用所制作的微带天线与915.3 MHz单端口谐振型SAW谐振器组成SAW传感器。采用Canabal等人的测试方法［19］，通过测试群时延(Group delay)来确定SAW无线无源传感器的谐振频率，当检测天线和SAW应变传感器相距70 cm，测试结果如图9所示。

图9 SAW无线传感器测试结果

从图9中可以看出，在SAW谐振器的谐振频率即915.3 MHz处，群时延曲线出现明显的峰值，这表明采用本文所设计的微带天线，可以实现SAW无源无线传感器的信号接收和发射功能。该微带天线满SAW传感器对天线小尺寸，低轮廓的要求。

2 结束语

本文针对SAW无源无线传感器的应用背景，设计了一款小型化微带天线。采用短路加载以及贴片开槽技术，天线在取得－7.86 dB增益的同时，辐射单元缩至21.4 mm ×21.3 mm，尺寸缩减达 80.4%，同时剖面高仅1 mm。在与SAW谐振器连接的无线测试中，可见使用该微带天线的SAW传感器，满足无线探测的性能要求。综合结果表明本文所设计的天线在取得小型化、低轮廓的同时，其增益满足SAW无源无线传感器天线要求。基于该微带天线的SAW应变传感器，易于和金属构件实现共形集成，在金属件结构健康监测等无源无线检测中具有实际的应用前景。

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