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论文写作模式-一种圆形反射式温度传感器设计

2021-05-06 20:02:32

  随着科技的发展进步,在航天航空、机械制造、国防、核电等领域对高温环境温度的监控显得越来越重要。现在测温系统应用较为广泛的有线有源温度传感器需要外接电源或内置电池对其进行供电,但是随着现代工程的发展,在一些特殊应用领域中温度传感器的服役条件较为恶劣,比如航空发动机这种高温高压高腐蚀、对气密性较高的环境,对其传感器的要求更为苛刻。由于有源有线温度传感器中电池的使用寿命有限,外加电源时传感器的线路布局也是一个复杂的问题,因此传统的有线有源温度传感器已经不能满足人们的需求,开发具有无线无源特性的温度传感器显得较为迫切。

  目前无线无源温度传感器常见的一共有三种:分别是有声表面波(SAW)温度传感器、LC谐振式温度传感器、电磁波谐振式温度传感器。其中电磁波谐振式温度传感器具有体积小、信号稳定,可高温下长期使用的优点。

  本文将要完成在一定温度参数条件下,一种基于电磁波反射原理的无线无源温度传感器的设计,设计的传感器采取和天线一体集成的方式,同时该传感器必须兼备信号传输和温度测量两个功能,设计的传感器应该满足占用空间小、造价低、便于安装、性能稳定等特点。设计完成后需要利用HFSS技术对传感器进行仿真,分析参数变化规律,优化结构性能。

  现如今传感技术成为了信息获取的关键方式,同时也是现代信息技术的核心之一,传感器可以帮助我们获取各种信息,包括物理、化学和生物信息。现如今社会对传感器的要求越来越高,比如说现在的火箭发动机、航空发动机、重型燃气轮机等,这些设备上的部件长时间处于非常恶劣的环境下,需要利用传感器来实时监测发动机叶片、发动机燃烧室等重点部件的压力、温度等参量的变化情况,对部件的状态有一个准确的了解[1,2]。

  而现有发动机的测试信号的获取、传输方法仍以有线为主,无法实现电性部件、调理电路与高温热源的物理隔离,在高温的条件下传感器测得的数据也不准确。即使是有源的无线传感器,传感器还需要配备电源,这样会增大传感器的体积,而且更换电源也非常麻烦。相比而言,无线无源传感器不需要配备电源,它的优势非常明显:一是体积大幅度减小;二是不需要更换电池,理论上器件的寿命无限长[3,4]。

  正是由于这两个本质上的优势,使得不论在密封环境,还是恶劣环境和植入生物体等情况,无线无源传感器的优势都是无可比拟的。

  1.2常见的无线无源温度传感器

  1.2.1SAW无线无源温度传感器

  声表面波(SAW)温度传感器一共是由两部分构成的,分别是传感器终端与读写器。其工作原理如下:读写器的功能是发射一定带宽的射频信号,传感器终端的功能是接收读写器发射的信号,而且声表面波将被这个信号激发。声表面波的物理参量会随着外界环境的温度的变化而变化,比如说速度、振幅、相位等。如果外界环境温度发生了变化。我们可以通过声表面波物理参数的变化和相关计算方法,进而得出我们需要的温度。

  SAW的传播速度影响取决于温度,尤其是在压电基底上的,而SAW的特性,如谐振频率、相位延迟和时间延迟等会被传播速度的变化直接影响到。我们可以根据这个原理‘计算出我们所需要的温度情况,也就是说我们只需要监测SAW传感器谐振频率、相位等的变化。SAW温度传感器具有灵敏度高、稳定性好等特点,而且其无线传输距离可达5米以,所以其得到了业界广泛的关注。一般SAW温度传感器也可以分为两类:一种是延迟线类型的而另一种是谐振类型的[6]。两种类型的传感器的组成都是温度感知器件、外部电路和天线这三部分。通过对这两类传感器原理的比较,看出它们比较相似,延迟线型温度传感器测量温度值依据的是访问信号和回波信号在时间上的滞后,还有相位的变化;而谐振型温度传感器测量温度值需要我们分析访问信号与回波信号之间的频率变化。

  对于延迟线型温度传感器,它的原理是:一般传感器的天线负责接收外部发出的访问信号,接收到访问信号后,叉指换能器将会对这个信号进行声电变换,声表面波将会在压电材料上生成。这个声表面波将会沿着压电基底进行传播,随后另一个叉指换能器将会获得刚刚的波信号。该叉指换能器会对波进行声电逆转换,转换之后声波信号就又变成了电信号,传回到天线后读写器将会收到。我们了解了延迟线型传感器的特性后可以得知:外界温度的变化会使访问信号和回波信号产生相位上的改变或者时间上的滞后,而我们可以根据这种变化来确定温度。延迟线型温度传感器的优势在于可以对多个监测点同时进行温度的监测,但是它测量效率比较低,而且品质因数也不高,信号传输时也会造成较大的损耗。

  对于谐振型型温度传感器,它的原理是:传感器负责接收外部的访问信号(这种访问信号大部分时射频信号),传感器将通过天线与信号发生器进行信号的传输。,叉指换能器会使它替换成表面的波信号。而反射栅的作用时将声表面波在压电材料表面变为驻波,最后驻波传到叉指换能器后会进行逆转换,机械波信号又会被重新转换为电信号,通过谐振频率的形式电信号将会被返回,如图1所示。

  当这个信号传输到叉指换能器上时

  图1工作原理(谐振型温度传感器)

  1.2.2电感电容式温度传感器

  无线无源LC谐振型传感器利用电感线圈实现能量耦合和信息传递。典型的LC传感器节点是一个电感LS和一个敏感电容CS组成的并联谐振回路,其结构图和等效电路如图2所示[15,16][15][16]

  图2无线无源LC谐振型传感器

  当敏感电容对待测参数产生响应时,、电路中的谐振频率将会发生变化,同时外部将会读出LR靠近传感器电感LS,通过电磁耦合的方式将信号传输到检测设备上,实现测量。

  电感电容式温度传感器是由平板电容和平面螺旋电感组成,其有一个平板电容对温度敏感,当电容值变化时,谐振回路的谐振频率发生变化,通过电感耦合的方式实现无线无源测温功能[5]。

  1.2.3电磁波谐振腔式无线无源温度传感器

  通常把采用无线方式对待测信息进行传输和检测的技术叫做电磁波反射传感技术。反射式传感系统主要包括了电磁波收发装置和传感器这两种器件,收发装置的作用非常关键,它能通过发射和接受信号来确定温度变化情况[43]。设计传感器时必须与天线集合在一起、传感器要高度集成,拥有接收、发射和传感全部功能一体化结构[44]。

  图3电磁波反射式温度传感器测量原理

  测试原理如图3所示,当外界环境发生变化时,传感器材料本身的性能都会发生改变,包括天线的输入阻抗和增益等,这些都会使得发射装置收到的返回信号发生变化,最终实现无线传感的功能。

  1.3无线无源温度传感器国内外研究现状

  1.3.1声表面波无线无源温度传感器研究现状

  1885年,英国的物理学家发现并通过数学理论成功推导出了声表面波。声表面波是一种形式波,它在弹性固体内部存在,并且能够沿着物体表面传播。这种波也被叫做瑞利波,因为这种波的能量大部分集中在物体的表面。无线无源声表面波传感器是一种新型传感器,它是由半导体、传统陶瓷、光纤传感器等发展而来的。相比之前的传感器,它由很多优点,如安全性好、成本低廉、易安装使用等。并且在高低温测试方面得到广泛地应用[45-46]。[45][46]

  对于声表面波传感器的早期应用,一般都是采用延迟线的形式。在1975的时候,D.E.Cullen和T.M.Reeder不懈努力,开发出了声表面波压力传感器,这也是SAW技术第一次被应用于传感器的范畴[15]。为了获取了器件的压力敏感性能,他们对比了不同材料基底的声表面波器件对压力的敏感度,后来压力敏感特性应用于各种条件下的压力传感。1982年,A.D.Amico和A.Plama等人开发了一款用来检验氢气的浓度的传感器,基于SAW技术[16]。后来又成功研究出了一些列的气体传感器,包括检测二氧化碳、水蒸气、二氧化硫等的气体传感器。2006年,KeekeunLee应用延迟线型研制了SAW温度压力传感器,这款传感器具有监控20℃到200℃的环境温度的功能。通过发射和回收射频信号,检测距离达到1m[19]。2009年,R.Fachberger等人研制了用于恶劣条件测温的SAW传感器,温度最高可达600°[20]。

  在高温应用方面,由美国Maine大学研制的的声表面波温度传感器型号为EVHT-100是目前成熟的产品,该传感器是用硅酸镓镧晶体(LGS)最为压电晶体材料,可以测量的范围是150~900°C,使用寿命也比较场,一般可以大于500小时,而且这个传感器海支持无线传输和传感器阵列测试。图4为发动机内部测温的传感器:

  图4Environetix公司的SAW高温传感器EVHT-100

  在低温测试方面现在研究的成果比较多,因为低温的工作环境相对容易满足,高温的环境比较恶劣在许多方面如:材料的加工难、传感器的成本过高等,而低温环境下的传感器比较容易制作一些0。

  1.3.2LC谐振式温度传感器研究现状

  基于LC谐振的无线无源传感器受到了国内外学者的广泛研究,如美国MichiganTechnological大学的JustinB.Ong等测量硅酸盐混凝土的固化速度就是基于LC原理[31],而且他们还研究了沙子含水量检测[32],PuertoRico大学的YaWang等人制作的LC谐振温度传感器可以测试恶劣环境下的温度,其使用分立的电感线圈和基于温度敏感材料的平板电容,实现了最高达235℃的温度测量。基于碳纳米管的LC谐振的气体传感器也被研究出来,研究者是Kentucky大学的KeatGheeOng等人[34],实际的使用效果也很好。就国内而言,对LC传感器研究还是比较晚的,而且大部分是一些高校和相关的研究所对其进行研究,如中北大学研究出了LC谐振耐高温加速传感器,这种传感器耐高温,可以在530℃的高温工作[39],还研究出了LTCC材料的无线无源压力传感器,并且传感器在0.1Mpa以内的灵敏度高达543.12kHz/bar[40]。南京航空航天大学开发了针对混凝土钢筋检测的LC压力传感器,可以对钢筋腐蚀信号进行无线检测[41]。电子科技大学也进行了相关的研究,并研究出了用于应变测量的柔性LC应变传感器,并对的该传感器进行了测试,最终实现了4.5cm的无线探测距离,测得垂直于电容电极方向的灵敏度约为0.3kHz/με[42]。

  1.3.3电磁波谐振腔式温度传感器研究现状

  电磁波谐振腔式无线无源温度传感器利用了Al2O3等电介质材料的温敏特性,根据电磁波在谐振腔中谐振的方式进行信号的传输,从而实现无线无源的测试功能。

  2012年中佛罗里达大学的Cheng等率先设计出一种谐振腔式无线无源温度传感器并实现了集开槽天线和谐振腔于一体,该传感器用Al2O3作为温敏材料,外加铂层构成谐振器,在谐振器表面开槽作为天线。此种传感器具有体积小、可高温下长期使用的优点,测试温度可达1000°C。2015年Cheng等在此基础上又设计了一种以Al2O3作温敏材料,外加反射贴片同时用作贴片谐振器和集成天线的新型无线无源温度传感器。Al2O3的介电常数会随温度的变化而变化,进而导致谐振器谐振频率变化。通过正确设计贴片的形状和尺寸,其可以充当无线无源测试的发射/接收天线,因此,通过使用询问天线测量温度传感器的谐振频率,可以无线感测温度。此种传感器测试温度范围为50~1050°C,Al2O3的介电常数从9.7升高至11.4,传感器的谐振频率从5.07GHz降低到4.58GHz,温度测量灵敏度在1050°C时为0.58MHz/°C

  由于Al2O3陶瓷加工性能差、可塑性差,并且在高温高压等恶劣环境中受热冲击时的抗热冲击性能差,导致Al2O3陶瓷断裂,因此并不是传感元材料的最佳选择瓷加工性能差、可塑性差,并且在高温高压等恶劣环境中受热冲击时的抗热冲击性能差,导致Al2O3陶瓷断裂,因此并不是传感元材料的最佳选择。

  目前国际上开发了一种聚合物先驱体陶瓷(Polymer-derivedceramics,PDC)材料,由于具有抗高温、耐腐蚀、加工性能好等优点,且具有宽禁带半导体特性,因此近年来PDC陶瓷在传感器电介质材料领域备受青睐。

  图5聚合物陶瓷基无线无源传感器(PDC)

  1.4论文主要工作安排:

  第一章为引言部分,首先介绍了无线无源温度传感器的研究背景,指出了无线无源温度传感器的研究意义;介绍了无线无源温度传感器的分类以及结构原理;分析了不同类别温度传感器的国内外研究现状和研究方向;最后总结了各个章节的研究重点和写作顺序。

  第二章为无线无源反射式温度传感模型部分,由于温度传感器需要与贴片传输天线集成一体,所以首先介绍了贴片天线的基础理论;阐述了无线反射式传感器的电磁辐射原理和分析方法;建立了温度参数理论提取模型,并对其进行分析优化。

  第三章为传感器的设计部分,介绍了由辐射贴片、介质基板和金属地组成的传感器模型结构并经过理论计算得出传感器的初步尺寸值。

  第四章为传感器的高频仿真与优化部分,使用高频结构仿真软件对传感器的结构参数进行测试和优化,最终确定传感器的最优尺寸。

  

  第二章无线无源反射式温度传感模型

  传感模型是被测信息获取和系统优化设计的重要依据,因此本章主要的工作是建立和优化温度传感模型。由于本文中所设计的温度传感器与贴片天线高度集成为一体,所以首先介绍了贴片天线和电磁波传播的有关参数、基本理论、分析方法;说明贴片天线的电磁波辐射机理和无线无源传感器测量原理;建立了合理的温度信号提取模型,为后续的实验研究做好理论准备

  2.1有关反射式传感器理论分析

  2.1.1贴片天线基本参数

  由于温度传感器与贴片天线是高度集成在一起的,既实现温度传感又能够传输电磁波信号,所以需要对贴片天线的相关参数进行简单介绍。

  (1)回波损耗

  回波损耗是指任意一点的反射功率与入射功率的比值,它的取值范围是0dB至负无穷大。回波损耗的绝对值反应了反射功率,绝对值越小说明反射功率越大,阻抗匹配性能较差;回波损耗绝对值越大说明反射功率越小,匹配的效果越好[77]。当回波损耗值为0dB时即发生了全反射,当回波损耗值为负无穷大时即为完全匹配。在实际应用中,一般情况下均要求回波损耗值小于-10dB。

  (2.1)

  式中,Pr为反射功率;Pi为入射功率;Er为反射电压;Ei为入射电压;Γ为反射系数。

  (2)极化特性

  由于无线无源传感器模型在测温的同时又实现了天线传输信号的功能,所以需要考虑极化方向的问题。天线的极化特性表示了一种轨迹,表示的是最大辐射方向上电场矢量端点的取向和形状随时间变化。极化平面指的是电场矢量方向与传播方向所构成的平面。天线辐射电磁波的极化方式可以分为三类,分别是线极化、圆极化、椭圆极化。线极化是在最大辐射方向上电场矢量在空间中的指向恒定不变,在实际工程应用中一般是以地面为参考平面。线极化又分为两种:水平极化和垂直极化。水平极化是电场矢量方向与地面平行的波;而垂直极化和水平极化相反,电场方向需与地面垂直。圆极化波是指电场矢量的方向在空间中是变化的,并且矢量端点的变化轨迹是圆形,这种电磁波即为圆极化波。电场矢量端点在最大辐射方向上的轨迹是椭圆时的极化波即为椭圆极化波。

  (3)电磁波散射S参数矩阵

  电磁波网络是分析解决电磁波传输系统中不均匀区域的一种等效分析方法,即是将复杂的传输系统简化为一个结构简单的物理模型,整个模型所包围的区域被称为网络。如图6(a)所示,电磁波系统由矩形波导和微波器件构成并形成一个封闭的空间V,将其简化为图6(b)的具有多端口的物理模型。一个端口有两个端子,电流沿着两个端子流入和流出网络。

  图6电磁波网络图

  其中,二端口网络是最常用的、最基本的网络,任意两个特性阻抗不等的传输线构成的元器件和双端口的线性元件都可以看成二端口网络。在图2.2双端口网络示意图中,I1、I2分别表示流入参考面T1和T2的电流,U1和U2为参考面处的电压,Z01、Z02为考面处的传输线特性阻抗。

  图7双端口网络示意图

  在图7中,参考面上的电压和电流的线性关系表达式为:

  (2.2)

  其中z矩阵为阻抗矩阵,导纳矩阵也可以用相似的方法推出,利用阻抗矩阵和导纳矩阵能够比较容易的画出等效电路图,有利于对元器件的分析。

  2.2反射式温度传感器原理

  贴片反射式无线无源传感器测量原理如图8所示,包含温度传感器和询问天线,温度传感器又分为三部分,最上面薄的是辐射贴片、中间是介质基板,下面是金属地。温度传感器与矩形贴片式天线集成在一起,在实现测温的同时又能传输无线信号。询问天线的结构是调谐贴片加载缝隙天线,并采用共面波导馈电的方式向传感器发射电磁波。无线温度传感机理为:询问天线会向温度传感器发送扫频信号(带宽在一定范围内),当扫频信号中的某一频率分量与温度传感器的谐振频率相同时,该频率分量会被温度传感器吸收并逐渐被消耗。其余部分的扫频信号会被反射回去,被询问天线接收。温度传感器的这种反射特性可用矢量网络分析仪追踪显示,其显示为S11~频率曲线,S11~频率曲线上对应最大波谷处即为传感器的谐振频率。当外界环境的温度发生变化时,由于介电常数与温度有关,此时传感器基底的介电常数也将发生一定的变化;而贴片反射式传感器的谐振频率是介电常数的函数,故其谐振频率将随之变化,进而询问天线检测到的谐振频率信号也相应发生变化,测量过程如图9所示。

  图8贴片反射式传感器测量原理图

  图9测量过程(贴片反射式温度传感器)

  2.3温度参数提取理论模型

  微波传感是利用微波传输、衍射、干涉现象中许多电磁参数(幅度、相位、频率等)映射温度信号,由于频率的辨识度高、特征性强,因此本文选用频率作为温度参数提取的信号载体。本温度传感器基于贴片天线,其工作频率与材料特性(介电常数)、几何尺寸(基底厚度、贴片长宽)紧密相关。本文选用材料(见后文,具体为PCB、氮化铝陶瓷和镁铝尖晶石)的介电常数均随温度升高而增大;贴片是金属导体,其尺寸随温度增加而膨胀,显然温度同时从材料特性和几何尺寸两方面影响传感器的工作频率,因此需要全面的分析上述因素与温度的关联规律,获得传感器工作频率?温度的准确关系,既使得理论预测与实际结果更为接近,又提高了基于温度传感器电磁参数(频率)反求温度结果的准确性,改善了本温度传感器的实用性。具体推导过程如下:

  2.3.1理想条件下传感模型

  根据传输线模型分析方法,反射式传感器谐振频率的计算公式为

  (2.3)

  其中,c为光速;I为辐射贴片长度;为有效介电常数。谐振频率可视为是基底的相对介电常数和辐射贴片长度的函数,该表达式在基底厚度远远小于辐射贴片宽度或不考虑边缘效应等理想情况下成立。

  由基板的介电常数和辐射贴片尺寸变化引起的谐振频率变化量表达式为

  (2.4)

  而(2.5)

  (2.6)

  将式子(2.5)、(2.6)代入式(2.4),有

  温度变化导致基本的介电常数和辐射贴片的尺寸变化,所以

  (2.7)

  (2.8)

  其中,αε为介电常数热系数:αT为热膨胀系数;

  将公式(2.7)、(2.8)代入到(2.6)中,可以得出频率与温度的变化关系为

  (2.9)

  但是温度也会引起基底宽度方向膨胀,从而导致贴片宽度尺寸增大。式(2.23)没有考虑贴片宽度对贴片长度的影响(材料纵横向应变互相影响,可以用泊松比υ来量化),为此我们从实际应用情况出发,进一步考虑由宽度热膨胀引起的模型变化,以进一步提高温度导致频率变化的精确值。

  (2.10)

  假设热膨胀是各向同性的,从而式(2.10)变成

  (2.11)

  代入式(2.9),可以得出频率与温度变化的关系为

  (2.12)

  式(2.12)即为本温度传感器在理想条件下的传感模型。

  2.3.2优化传感模型

  上一节中提出的理想条件下的传感器模型尽管考虑了由于宽度膨胀导致长度变化而引起的频率变动问题,但是贴片反射式温度传感器的频率与几何尺寸和材料特性两者均有关联,所以在理想情况下的传感模型在实际应用环境中并不适用,必然会有较大偏差。为此本文从有效介电常数和有效长度出发,这两参数中包含了基底厚度、贴片长度、贴片宽度、基底介电常数,因此可以同时考虑各因素受温度变化后对频率的影响,具体理论分析过程如下:

  (2.13)

  其中,c为光速;为辐射贴片的长度;有效介电常数&的计算公式为

  (2.14)

  其中,为介质基板厚度;&为基板的介电常数;d为辐射贴片直径;

  辐射贴片的延伸长度计算公式为

  (2.15)

  由基板的介电常数和辐射贴片尺寸变化引起的谐振频率变化量表达式为

  (2.16)

  以后面文中应用的PCB材料为例,考察模型的准确性。由于己知PCB材料的器件尺寸和材料参数(热膨胀系数为16ppm/°C,介电常数热系数为160ppm/°C,泊松比为0.34),可得模型的理论计算值:只考虑宽度膨胀的理想模型理论计算值为209.7KHz/°C,而本文中优化后考虑多参数的模型理论值为237KHz/°C,进一步接近实际测试值333KHz/°C。但是由于将基底看成完全各向同性、各厂家销售的PCB材料参数不完全相同等原因,导致本文的模型计算结果与实测结果存在一定的偏差。

  第三章传感器结构设计

  本章在第二章理论分析的基础上,对传感器进行理论设计、仿真优化、模型器件加工和实验验证。采用PCB材料作为传感器模型验证的基板材料;设计和优化传感器实物模型的结构和物理尺寸;;分别通过高低温测试系统验证传感器实物模型的性能并实现温度测试;最终确定所设计的传感器可否可行。

  3.1传感器物理模型设计

  下面的图10所表示的是温度传感器的物理结构图,它一共有上中下三部分,上面是辐射贴片中间是介质基板,下面是金属地。其中可以发生谐振的是辐射贴片和金属地。

  传感器中间的一层介质基板,它设计使用的材料是PCB,PCB板的上边和下边各有一层都是铜材料。

  图10传感器模型图

  由于电介质通常是由介质基板材料和空气两种介质组成,所以电场线就会有一部分在介质材料中,而另外一部分则存在于空气中。当辐射贴片宽度研与介质基板厚度的比值远远大于1并且介质基板的介电常数也远远大于1时,电场线主要集中在介质基板中。由于有一部分波在介质中传播而另一部在空气中传播,所以在计算介电常数值时,需要同时考虑介电材料和空气两者的有效介电常数值。空气的相对介电常数为1,有效介电常数的取值范围是1<εe<εr,在实际应用中大部分介质材料的介电常数均远大于1,所以有效介电常数值更接近于基板的实际介电常数值。在低频的情况下,一般介电常数很少变化;在高频时,它的值单调增加并最终接近介质基板的介电常数值。

  有效介电常数&的计算公式εe为

   (3.1)

  式中,εr为介质基板的介电常数值;

  h力为介质基板的厚度,单位为mm;

  W为辐射贴片的宽度,单位为mm。

  边缘效应使得辐射贴片沿着介质基板的长度方向在两个开路端分别延长了ΔL,使得实际的尺寸比物理尺寸大,延伸的长度ΔL的计算公式为

  (3.2)

  考虑边缘效应以后辐射贴片的有效长度计算公式为

  (3.3)

  辐射贴片的实际长度L的计算公式为

  (3.4)

  式中,fr为传感器的谐振频率,单位是GHz。

  辐射贴片的直径d的计算公式为

  (3.5)

  传感器的谐振频率计算公式为

  (3.6)

  本文中设计的温度传感器模型谐振频率为2.4GHz,介质基板的介电常数值为εr=4.4,介质基板的厚度值h=1.56mm,经过上述公式计算得出温度传感器实物模型器件参数理论值如表1所示。

  表1传感器实物参数表

  符号 变量 数值

  εr 基板介电常数 4.4

  εe 有效介电常数 4.081

  h 介质基板厚度 1.56mm

  ΔL 延伸长度 0.745mm

  d 辐射贴片直径 34.8mm

  第四章通过HFSS软件进行仿真优化

  4.1传感器的仿真和参数优化

  为了验证传感器理论分析的正确性,使用高频结构仿真器软件对基板材料的介电常数与谐振频率之间的变化关系进行仿真,仿真曲线如图10所示。图中S11表示贴片天线的回波损耗,εr表示的是传感器基板的介电常数,用fr来表示传感器的谐振频率。我们把介电常数的取值范围设置为4.4~4.9。在图11(a)中可以看出,当坐标向上移动介电常数增大时,曲线的峰值点就会向左移动,这里的峰值点表示的时谐振频率,我们可以发现它在不断降低。将图11(a)中的谐振频率点提取出来绘成曲线如图11(b)所示,通过观察可以得出,传感器的谐振频率随着介电常数的增大而减小。

  图11εr和fr的变化关系

  在分析玩谐振频率和介电常数的关系后,应该使用软件对传感器进行仿真。我们需要创建一个传感器模型如图12所示。一般情况下传感器采用同轴线馈电(图13),这样可以对传感器提供激励。通过扫频分析和设计优化功能,对温度传感器的各种参数进行优化,以达到提高传感器性能的目的。

  图12温度传感器仿真模型

  图13同轴线馈电示意图

  还需要对贴片进行扫描优化,以a=17.4mm为基础上,图14(a)所示为扫描的结果。从中可以得出传感器的谐振频率随着a的增大而减小,当a=17.2mm时,fr=2.4GHz,可以得出S11为-49.36dB。之后我们需要进行参数扫描找出最佳馈电点。如图14(b)所示为扫描参数曲线,通过分析得出当馈电点在x轴上距离坐标原点6mm处。通过一系列参数的优化处理以后,我们可以得出传感器在室温条件下的谐振频率曲线如图15所示,最终我们得出需要设计的传感器的最佳尺寸为:a=17.2mm;h=1.56mm;基板半径2a=34.4mm。

  图14传感器的参数优化曲线

  图15仿真曲线:传感器谐振频率

  第五章论文总结

  5.1研究内容总结

  本文设计了一种反射式无线无源温度传感器,这种传感器有很多优点,包括结构简单、使用方便、稳定性强等。设计出传感器物理模型以后需要通过高频仿真对传感器的物理模型参数进行优化,从而得出最佳参数;在优化的过程中通过测试系统对温度传感器进行测温和重复性实验,测试结果表明在25~115℃内,传感器的谐振频率会如前文所提到的,从2.395GHz减小到2.344GHz,灵敏度是566.7kHz/°C这个实验结果证明了使用PCB材料去设计温度传感器是合理可行的,也是实用的。以后的工作将继续深入地对该传感器的其他物理参量进行研究。

  本文主要的研究工作包括:

  1.根据贴片反射式传感器的基本原理和无线测量原理,选用恰当的温度参数提取模型。全面考虑传感器的材料性能和物理参数,经过推导得出传感器工作频率-温度函数关系,优化这个关系,提高计算的准确性,最大化的减小误差。

  2.根据无线温度的测量原理和温度传感器基本原理,认真分析可行性,设计出合适的温度传感器的结构。

  3.运用高频结构仿真软件对设计的传感器进行仿真测试,通过仿真来优化传感器的结构参数,最终得出最合适的传感器尺寸参数。

  5.2研究内容展望

  (1)由于受到询问天线的制约,本文中实际的测温范围是25~115℃在未来的工作中,将通过提高询问天线的高温性能,实现传感器更高的温度测试。

  (2)在选择介质基板材料时,有些材料的性能无法全部满足测试需要,使得传感器的性能受到制约,在未来的工作中如果采用超材料为介质基板则可以解决上述问题,因为超材料能够根据测试需求有针对性的进行人工合成,从而达到提高传感器性能的目的。