基于極化和復用的SAW傳感器陣列*

張 領，劉 文，2，王 磊

（1.武漢郵電科學研究院，湖北武漢 430074;2.華中科技大學武漢光電國家實驗室，湖北武漢 430074）

0 引言

聲表面波（surface acoustic wave，SAW）技術［1］起始于20世紀60年代末期，逐漸發展成為集聲學、電子學、光學、壓電材料和半導體工藝相結合的一門交叉學科。SAW器件可以被開發成測量溫度、壓力、微位移、濕度、剪應力、化學氣體等類型的傳感器，這些不同類型的傳感器已經被相繼開發出來。

近年來，為了優化資源配置，建設更加穩定可靠的電網，電網設備狀態在線監測技術受到重視。監測技術的應用可以避免意外停機、減少電氣事故、延長貴重電氣設備的使用壽命，可以帶來了明顯的經濟效益。SAW技術引入電網設備狀態監測后，由于SAW傳感器具有無線遙測、無需供電、抗干擾能力強、精度高、成本低、易分布等優點［2］，它在狀態監測應用中展現出巨大的潛力。目前在狀態監測和傳感器領域里，國內外已有許多成功應用的實例。然而，大多數SAW無源無線傳感系統的研究應用集中在單點或是少數點分布的SAW傳感系統上。針對面向智能電網設備狀態監測，由于電氣安全距離的要求，要求SAW傳感器傳感距離遠;針對不同類型的電氣設備，要求SAW傳感器可形成不同規模的陣列;但是現有的技術方法還不夠成熟，無法滿足要求。所以，面向電網設備狀態監測的SAW傳感器研究應用主要是解決諧振型SAW傳感器陣列元數目與傳感距離之間的矛盾。

1 SAW技術原理

SAW傳播于壓電基片表面，當基片本身或基片上覆蓋的敏感材料薄膜受到物理或是化學參量作用時，SAW的傳播特性發生改變，這些改變會導致傳播時延的變化或者諧振頻率的偏移，通過對這些變化和偏移量的提取實現以對待測參量的檢測。依據檢測原理SAW傳感器主要分為2種類型［3］:延遲型和諧振型，延遲型SAW傳感器利用激勵信號與接收信號在時間上的時延或相位上的變化進行測量，這種結構特點方便將延時信號構成不同的編碼，從而構成較大規模的傳感器陣列。但是傳感距離非常近，限制了它在電力設備狀態監控中的應用。諧振型SAW傳感器由一個或多個叉指換能器（IDT）和反射柵陣形成諧振腔，由于諧振的特性，品質因素較延遲型器件高許多，損耗極小，適合于遠距離的無源無線遙測。然而在實際應用中，諧振型SAW傳感器構建陣列不夠靈活，限制了它的大范圍推廣應用。

對于SAW傳感器件，單只傳感器元一般由諧振器單元、匹配網絡、天線組成，結構圖見圖1。其中諧振器單元中的IDT結構具有電聲和聲電轉換功能，天線實現無線傳感信號的發射和接收。對于諧振型SAW傳感器，為了能夠識別大規模陣列傳感器中的各個傳感單元，已有和公開的技術主要是采用編碼器型SAW器件。例如:重慶大學發表的專利中采用了諧振器加延遲線的結構。美國專利采用SAW線性調頻編碼器。本文針對實際應用，研究新的技術方法解決傳感器陣列元數目與傳感距離之間的問題。

圖1 SAW傳感器元基本組成結構圖Fig 1 Basic constitution structure diagram of SAW sensor

2 陣列實現

2.1 IDT設計與頻分復用

本文以諧振型SAW溫度傳感器作為研究對象。對于諧振型SAW傳感器，其中心頻率可以通過對IDT的設計來決定，簡單的IDT見圖2。圖中a為指條間隔，b為指條寬度，M為IDT周期長度。對于均勻分布的叉指換能器，a=b=M/4，只有當IDT周期等于SAW的波長即M=λ，諧振信號最強。由λ和頻率f關系λ·f=v可知，通過傳感器理論工作的頻率f1～fn，求得對應的λ1～λn。

圖2 IDT結構圖Fig 2 IDT structure diagram

這樣設計工作于不同頻率的IDT可以構成小規模的頻分傳感器陣列［4］。實際中每只傳感器將工作于中心頻率為f0的一段帶寬里。但在通信領域里，頻譜作為一種緊缺的資源，為每種應用分配的頻段帶寬很窄。傳感器與網絡大多工作于ISM免費頻段，傳感器可使用的頻譜有限。而為保證被測參數的測量范圍和測量精度，單頻點帶寬相對較大，導致諧振型SAW傳感器通過諧振頻率區分的傳感器陣列規模都不可能太大。使得頻分復用的諧振型SAW傳感器陣列較小，需要進一步提高陣列規模。

2.2 極化和復用技術

依據無源無線傳感原理可知，遠端的讀寫器系統通過天線輻射傳感能量和接收回波，SAW器件通過天線收集讀寫器輻射的電磁能量并返回傳感信號，在這收發的過程中，天線起著至關重要的作用，所以，對天線的優化設計是提高傳感性能的有效方法;另一方面，天線作為一種有效發射和接受電磁波的裝置也可以看做一種傳感器，不同參數的天線對不同幅度、相位、頻率、不同極化的電磁波的響應是不同的。基于此，從優化設計天線性能的角度來改善無源無線傳感器系統性能，利用極化和復用擴大SAW傳感器陣列。

對于天線的極化特性來講，利用極化方向的不同可實現極化隔離。為了增大傳感器陣列中陣元的數目，選用或設計單極化的發射和接收天線，在保證極化隔離度的條件下，把單極化的天線置于不同的角度形成 0°，45°，90°，135°四種極化模式，參見表1。

表1 極化隔離Tab 1 Polarization isolation

由極化方向的不同構成的極化集合，實際應用中，某種極化方式的發射天線以時分的方式發送查詢信號。信號將會被其他3種非匹配極化方式的天線接收，但信號的極化損耗不同，接收到的信號強度也就不同，本文正是利用極化失配產生的極化損耗實現極化隔離。當為極化角度相差45°時，發送和接收之間產生3 dB的極化損失，而本系統中依靠回波信號實現檢測，故有2次收發過程，共產生6 dB的極化損失，當極化角度相差90°時，極化完全失配，極化損失最大，理論失配損耗對比數據見表格2。

由此極化分集組成的集合通過合適的信號處理算法可成功區分同頻而極化不同的兩種信號，從而達到極化隔離的要求，使得傳感元陣列的規模變為原來的4倍。為了驗證極化損耗的大小，通過實驗的方法測試。實驗中發射天線和接受天線均為單極化天線，測試軟件設置的信號檢測門限為15 dB，具有單極化特性天線的SAW傳感器工作在不同的極化模式下，傳感距離2m。測試數據經統計平均后得回波信號強度見表3。

表2 極化失配損耗Tab 2 Loss of polarization mismatch

表3 不同極化角的回波信號強度圖Tab 3 Echo signal intensity of different polarization angle

從表3中可知，實驗測得的數據與理論基本相符，差別可能來自于天線的單極化特性受環境影響變差的緣故。實際應用中檢測端通過設置不同的檢測門限可區分不同極化的傳感元。

在極化隔離的基礎上，選擇或設計良好定向性天線，通過定向性實現空間角度分集，可實現更大陣列規模。定向天線輻射圖見圖3。圖3中天線的波束范圍［5］由2個主平面內主瓣波束寬度Δθ1和Δθ2之積表示，即波束范圍

圖3 定向天線輻射圖Fig 3 Radiation diagram of directional antenna

其波束范圍愈小，定向性越好。對于一待測區域，由發射天線位置為起點在待測區域面形成的立體角為Ω。則定向性天線可形成個分辨區域。使得傳感元在的頻分復用和極化隔離的基礎上，陣列規模提高N倍。另一方面，傳感天線定向性越好能量越集中，指向傳感器的輻射能量越強，傳感器元的諧振幅度增大，回波相應增強，傳感距離就越遠。可見發射區和傳感區綜合采用極化和復用的技術后，能很好解決傳感距離與陣列規模的問題，利用天線定向性結合頻分、空間角度分集和極化技術后可形成更大的大規模陣列見如圖4所示。

3 實驗測試

圖4 大規模陣列模式圖Fig 4 Patterning of mass array

實驗中搭建了圖4樣式的傳感陣列。傳感系統在室外空曠地方展開，實驗環境接近室外變電站應用場景，傳感陣列分為上下兩組，間距為1.5m。發射端采用單極化八木天線，增益為12dBi，波瓣寬度為水平方向42°，垂直方向38°。傳感器小天線為單極化鞭狀天線。發射天線距離傳感器陣列2m，天線的極化分布按照圖4進行。陣列區相同極化方向的傳感器分別工作在6個不同的頻點429，430.4，431.8，433.2，434.6，436 MHz。傳感系統工作時不同極化的發射天線時分工作，每個發射天線又以時分的方式發送掃頻查詢信號，每只傳感單元返回帶有監測點信息的數據，數據由采集器處理，匯總后通過RS—485總線或Modbus總線等有線傳輸方式傳輸到后端數據庫中記錄。其中選取了頻點均為433.2 MHz的4個極化方向不同的傳感器，記錄的回波信號強度測試數據見圖5。由圖5可知信號波動很小，無掉點現象，穩定性好，證實了上下兩組之間的干擾可以容忍，說明同頻點不同極化的傳感器可以被有效區分。圖6記錄6個不同頻率傳感器檢測的溫度變化曲線，從圖中可以看到，記錄溫度隨室外溫度緩慢變化，6只傳感器的溫度一致性很好。實驗結果證明了本文構建傳感器陣列的方法是可行的。

圖5 回波信號強度曲線Fig 5 Intensity curve of echo signal

圖6 傳感器溫度曲線Fig 6 Temperature curve of sensor

4 結束語

針對諧振型SAW傳感器，為了在避開其他機構專利保護的基礎上解決構建陣列的問題，本文結合天線技術基于極化和復用的思想，對傳感天線和SAW諧振器的組合優化設計，通過時分、頻分、空間角度分集和極化技術的組合，實現不同規模的聲表面波傳感器陣列，為構建智能電網狀態監測的傳感器網絡提供基礎。

［1］武以立，鄧盛剛，土永德.聲表面波原理及其在電子技術中的應用［M］.北京:國防工業出版社，1983:4－5.

［2］胡愛民.微聲電子器件［M］.北京:國防工業出版社，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，黃尚廉.無源無線聲表面波多傳感器系統及采用的頻分識別方法:中國，021133581［P］.2002 －08－14.

［5］Kraus J D，Marhefka R J.天線［M］.章文勛，譯.3 版.北京:電子工業出版社，2005.