（仪器科学与技术专业论文）无源无线声表面波传感器硬件系统研究.pdf

中文摘要i摘要在许多传感器应用的特殊场合，如对电机转子，运动汽车轮胎内，以及一些高温高压等应用场合下的参数测量，如测量温度、压力、应变、振动和加速度等，必须采用无源无线传感方式实现。因此，采用无源无线传感方式实现测量有着广泛的应用前景，而声表面波器件良好的电声、声电转换和高效储能特性为其无源无线应用奠定了基础。本文在分析国内外研究成果的基础上，研究了声表面波谐振器的工作原理，建立了应用于温度测量的谐振型无源无线声表面波传感器系统，并就该传感器系统的实用化展开研究。针对国外典型系统中硬件构成复杂的缺点，通过对传感信号的特征分析，提供了一种简单实用的无线收发系统，降低了硬件成本，更适合工业应用需要。由于传感器要适应在不易接触或无法接触的物体内进行参数检测，很多情况下就限制了天线尺寸，因此设计性能良好的电小天线非常重要。本文采用法向模螺旋天线代替以前采用的短偶极子天线以提高效率。为实现远距离测量，提高天线使用效率以及实现天线与声表面波传感器之间的阻抗匹配非常重要。并且，由于在温差变化大的测量条件下，传感器谐振频率变化也比较大；而与传感器相连的电小天线在工作场合中会因环境因素变化（如天线与地面距离或天线与周边金属物体距离变化等）而发生频带特性变化，因此，本文对电小天线和传感器进行宽带匹配，以减小传感器谐振频率变化和电小天线频带变化对电小天线传感器频率特性的影响。实验结果验证了无源无线声表面波传感器温度测量系统的实用性，并表明宽带匹配对提高测量系统环境适应性有非常明显的作用。关键词：无源无线传感，声表面波谐振器，无线收发系统，法向模螺旋天线，宽带匹配英文摘要iiabstractin many special situations it is necessary to use passive wireless sensors tomeasure temperature, pressure, stress variation and acceleration in rotors, movingautomobile tyres, some high temperature and high voltage situations and so on.therefore, passive wireless sensing mode has more extensive applications.this paper analyses the operating principle of saw resonant sensor, builds apassive wireless saw sensing measurement system applied to temperature detection,and studies on the practicability of the system.aiming at the complex hardware and the shortcoming that the signal processingunduly depend on hardware, this paper offers a kind of simple and practicaltransmitter which is cheaper and more adaptive for using in industry. dimension ofthe antenna is always limited in non- contact measurement, so designing a highperformance small antenna is very important. this paper chooses a normal modehelical antenna to replace the short dipole antenna to improve efficiency. improvingthe service efficiency of an antenna and the matching between a small antenna and asaw sensor is very important for remote measurement. the resonant frequency ofthe sensor changes obviously when the temperature of the environment changesgreatly; the frequency band of the small antenna connected with the sensor changeswith the environmental condition, such as the varying distance between the antennaand the ground or between the antenna and the surrounding metal objects. sobroadband matching between the antenna and the sensor is adopted to reduce theinfluence of the resonant frequency of the antenna sensor due to the change of boththe resonant frequency of the sensor and the frequency band of the antenna.practicability of the passive wireless saw sensor system is proved by theexperiment. the obvious effect of the broadband matching to improve the adaptabilityto environment of the measurement system is also verified.keywords: passive wireless sensing, saw resonator, normal mode helical antenna,transceiver, broadband matching1绪论11绪论1.1声表面波技术发展历史声表面波器件是一种信号处理器件，包括延迟线、带通滤波器、谐振器等。由于声表面波的传播速度通常只有电磁波传播速度的十万分之一，所以声表面波器件的尺寸比相应电磁波器件的尺寸减小许多，如 1km 长的微波传输线所得到的延迟，只需传输路径为 1cm 的声表面波延迟线即可实现。因此，压电基片上叉指换能器的这一功能非常适合电子模拟信号处理，能实现多种模拟信号处理功能。因此，声表面波器件凭借其高精度、高重复性、高稳定性、体积小等优点1，在雷达、通讯、遥测遥控和传感器等领域得到广泛应用。1885 年，英国物理学家瑞利发表了名为“沿弹性体平滑表面传播的波”的论文，在理论上阐述了一种沿半无限厚弹性体表面传播，且能量集中于表面的波，即声表面波(surface acoustic wave，简称 saw)。1965年，white等人首次在压电基片上制作金属叉指换能器，并在叉指换能器上施加交变电场，使基片上激发出声表面波，声表面波器件问世。出于军事上的需要，声表面波(saw)技术获得了迅速发展，70 年代声表面波技术发展达到高潮，在理论上提出了脉冲响应模型、等效电路模型、各种二次效应分析以及各种器件的结构和设计方法，形成比较完整的体系。到上世纪 90 年代，信息科技的发展推动声表面波的进一步发展，提出了耦合模式模型，发展了单相单向换能器（spudt）等。1.2声表面波传感器分类及特点saw 传感器是 saw 器件的一个应用分支，它出现在上世纪 70 年代，起初，人们发现外界因素如温度、压力、电场、磁场、气体和某些化学物质，对声表面波的传播特性会造成影响，所以研究这些影响与外部因素之间的数学关系。从而出现了各种应用结构，用于测量各种化学、物理的被测参数。随着微电子技术、集成电路技术、计算机技术和材料、微细加工技术的迅速发展，声表面波传感器研究也蓬勃发展起来。按工作模式的不同，saw 传感器可以分为如下两种2，3：延迟线型和谐振器型。延迟型主要采用编码脉冲或扫频信号方式激励，而后者多采用冲激脉冲或间歇脉冲激励。对于延迟型传感器，当外界被测量发生变化时，通过传感器的信号时延或相位将发生变化，检测该时延或相变，就能确定被测量大小。谐振型声表面波传感器仅响应与谐振器固有频率相同或接近的激励信号，而固有频率会根据外界被测量变化而发生变化，所以可以利用谐振器良好的频率选择性直接测量反1绪论2映器件固有频率的谐振频率，确定被测量大小。1.3课题研究意义在许多传感器应用的特殊场合，传感器与被测单元之间无法直接连线1。比如在一些高温高压等场合里测量温度、压力、应变、振动和加速度等3- 6，必须采用无线传感方式实现，而且在许多工作环境中，需要采用无源方式实现测量。而声表面波器件良好的电声、声电转换和高效储能特性为其无源无线应用奠定了基础。因此，利用 saw 传感器作为传感单元，构建仪器系统，在非接触环境下（如汽车轮胎内温度压力检测等）测量温度、压力等环境参数变化，有着非常重要的实用价值。谐振型 saw 传感器相对于延迟型 saw 传感器具有品质因素高、损耗小的优点，更适合远距离测量78，所以本文选择 saw 谐振器作为该无源无线测量系统的传感器。无源无线 saw 传感器系统要实用化，需要解决以下三个问题：硬件成本控制；天线小型化；提高测量距离。本文针对以上三个问题，从简化硬件系统结构降低成本，设计高效率电小天线和实现传感器与电小天线宽带匹配等方面展开研究，这些工作对于测量系统的实用化有重要意义。1.4国内外研究现状无源无线声表面波传感器是一项较新的传感器研究领域，国外于上个世纪 80年代中后期开始在无源无线声表面波传感器这一较新的研究领域开展研究工作9，美、德、日、法、瑞士、意大利和俄罗斯等国在该领域投入了大量人力物力，取得长足发展，在上世纪 90 年代中后期，对 saw 传感器的研究达到高潮。而国内从上世纪 90 年代中后期才开始探索，先后有清华大学、上海交通大学和重庆大学。自 marnes 于 1969年提出延迟线型振荡器结构后10，国外许多 saw 传感测量系统采用该方法11- 13，无源无线声表面波传感器有着十分广泛的应用前景，在国内外有不少的应用实例14- 17。如奥地利维也纳技术大学的 a. pohl 和 r. steindl等人研究了对被测物体的振动和加速度的测量18。美国宾夕法尼亚州立大学的v.k.varadan 教授研究了对直升机叶片转动加速度及汽车碰撞时应力应变和温度的测量19。德国西门子研究中心的 l. reindl 等人成功研究了对汽车轮胎内压力、温度等参量的测量20。利用 saw 传感器做目标辨识得到了广泛应用21，由德国西门子公司开发的挪威奥斯陆汽车过桥收费系统以及德国慕尼黑火车站定位系统，均是无源 saw 传感器在目标辨识中最典型的应用，它们利用贴在汽车或火车特定部位的 saw 实现辨识。德国 ilmenau technical 大学的 m. rusko 等人采用1绪论3saw 谐振器做传感器，成功实现对农场牛群体温的监测22。在文献23提到的系统结构中，接收到的信号没有经过下变频处理，就直接用 100mhz 的信号采集单元采集，大大提高了硬件成本，并限制了传感器工作频率的提高，而工作频段过低又将阻碍整个传感系统的小型化。所以在后面的发展中，大多引入了下变频的方法，将信号从高频段搬移下来，减小对后端采集系统带宽要求。如图 1.1所示，是一种无源无线声表面波传感系统结构原理图24。该系统采abababrfif70mhzlog.amp.qirflo70mhzlo100mhz-2.7ghzlorfif70mhznull70mhzburstclocknullrssiantenna图 1.1 典型系统结构图fig1.1 composition of typical system用外差式接收机，中频为 70mhz，输出为经电子开关控制的短脉冲串，频率在100mhz- 2.7ghz。接收到的信号经二次变频，得到中频信号，再通过正交平衡解调得到等幅正交信号和同相信号，解调和数字化后，信号送计算机处理。该结构借鉴了通讯机中的二次变频结构，采用两个中频提高了抗干扰性，并将接收机增益分配到不同频率的放大器上，实现整机的高增益并保证稳定性。但该结构比较复杂，硬件成本高。文献25提到利用 saw 谐振器的高 q 值构建无源无线温度传感系统，并通过门控锁相环回路跟踪测量谐振器谐振频率，该系统载波频率为 433mhz，中频为 30mhz，如图 1.2 所示。但该结构在硬件上比较复杂，而且，输入采集卡的信号频带有 30mhz，整个硬件成本也比较高。1绪论4rf- bpf433mhzif- bpf30mhzlpfpfdlockdetectlo403mhzbpf30mhzvcos/hbpf30mhzrf- amplifiercompressorlimiterpowersplitterpowersplitterfvcomixerburstmixerpoweramplifiert/rswitchantenna图 1.2 典型系统结构图fig1.2 composition of typical system从以上分析可以看到，许多应用中，硬件系统结构比较复杂，在信号处理上倚重硬件手段实现，如采用锁相环等方法，增加了系统成本。所以本文根据传感信号特征，简化硬件结构，降低系统成本。而且许多应用中本振源采用固定振荡频率，但环境变化时声表面波传感器的固有频率将发生变化，而当激励信号频率处于谐振器的响应频带内时，才能引起谐振器的输出。因此，有必要采用可调信源实现测量。所以，在本系统中采用直接数字合成（direct digital synthesis, 简称dds）技术2627，用频率和相位可调的精密时钟源代替固定频率的本振源和锁相环信号源，不仅可以实现高频率分辨率，而且可以降低硬件成本，充分利用计算机资源。从文献中可以看到，国内外许多应用中都是采用脉冲激励的方式，而声表面波传感器的叉指换能器在一定环境因素下，有固定响应频率，所以，由脉冲信号的频谱特征知道，采用脉冲激励方式时，有效激励信号能量所占份额很小。为解决这个问题，在本系统中采用间歇正弦信号激励，以提高回波信号能量，适应远距离遥测需要。国内外文献很少涉及到测量系统中电小天线设计及其与传感器匹配问题，但是为提高测量距离，设计高效率的电小天线非常重要，而且电小天线与传感器的匹配问题也非常重要。所以本文针对这些问题展开研究，提高声表面波传感器系统的实用性。1.5主要研究内容无源无线声表面波传感器测量系统受测量距离限制非常明显，为此，建立合1绪论5理的硬件结构模型提高收发系统整机信噪比，对提高测量系统的有效检测距离有极其重要的影响。从前面分析可以看到，国外许多应用中硬件系统比较复杂，信号处理上多采用硬件方式实现，成本较高。所以，本文通过分析声表面波谐振器传感信号特征，简化测量系统硬件结构，降低硬件成本。另外，提高天线的使用效率也非常重要，除天线本身的效率，增益和方向参数设计外，天线与馈源之间，天线与声表面波传感器之间的阻抗匹配28，也极其重要。并且，由于在温差变化大的测量条件下，传感器谐振频率变化也较大；而且与传感器相连的电小天线在工作场合中会因环境因素变化（如天线与地面距离或天线与周边金属物体距离变化等）而发生频带特性变化，因此有必要拓展匹配网络带宽以减小传感器谐振频率变化和电小天线频带变化对电小天线传感器频率选择特性变化的影响。综合以上分析，本文对无源无线声表面波传感器系统进行了研究，主要内容包括：1、根据各类声表面波传感器特点，确定选用单端口声表面波谐振器作为系统的传感器单元；并根据单端口声表面波谐振器的信号响应特征，确定采用间歇正弦信号作为激励信号。2、通过对作为传感器的声表面波谐振器信号特征分析，建立无源无线声表面波传感器温度测量系统，并简化其硬件构成和提高该测量系统的有效测量距离。3、设计法向模螺旋天线代替以前采用的短偶极子天线以提高效率。4、建立传感器和与之相连的电小天线的等效电路模型，得出它们电参量的频率函数，实现传感器和电小天线之间的宽带匹配，减小因为测量环境对天线各项参数的影响，而导致的电小天线 传感器谐振频率变化，并适应测量环境温度变化范围大的情况下的测量。2声表面波传感器72声表面波传感器2.1概述因为声表面波谐振器具有高效储能特性，比延迟器更适合远距离无源无线传感，故选用声表面波谐振器作为系统的传感器。通过对声表面波谐振器结构和温度传感原理分析，确定用调整激励信号频率追踪谐振器固有频率的方法，实现对被测量的测量。最后分析单端口谐振器的响应特性，确定采用间歇正弦信号作为激励信号，并为系统的硬件构成和信号处理方法提供理论依据。2.2声表面波温度传感器选择声表面波传感器按检测原理可以分为两类29：延迟型和谐振型。延迟型主要是利用激励信号通过传感器时，产生时间上的延迟或相变进行测量的，当外界被测量发生变化时，时延或相位将发生变化，通过检测该时延或相变，确定被测量大小。谐振型声表面波传感器仅响应与谐振器固有频率相同或接近的激励信号，而固有频率会根据外界被测量变化而发生变化，所以可以利用谐振器良好的频率选择性直接测量反映器件固有频率的谐振频率，确定被测量大小。延迟型能利用延迟时间编码，可以构成传感器阵列，但传感距离非常短；谐振型传感器品质因素高，故损耗小，更适合远距离遥测。232530因此，为提高无源无线传感器系统检测距离，更符合工业实际应用的需要，在该系统中选用谐振器作为传感器。2.3声表面波谐振器结构2.3.1 叉指换能器图 2.1中的叉指换能器(inter- digital transducers, idt)广泛应用于 saw的激励和检测31，它由周期性排列的多根指条构成，方向相反的两根指条称为一对叉指。图 2.1(a)中，idt 每一个周期 t 包含两根指条，称为单指叉指换能器或单电极叉指换能器32。图 2.1(b)中，idt 每一个周期 t 包含四根指条，称为分裂指叉指换能器或双电极叉指换能器33。单电极叉指换能器结构简单，指条较宽(约4/)，对光刻精度的要求比较低，因此得到广泛应用。当时发生布拉格反射，与 saw 的激励谐振条件相同。所以，当 idt的指对数很多时，特性变得很复杂34。双电极叉指换能器的指条较窄(约8/)，这种结构可以有效抑制 saw 谐振频2声表面波传感器8率时的布拉格反射35。所以，在要求精确控制频率响应时常采用这种结构。pipi(a)(b)图 2.1 叉指换能器(idt)(a)单电极叉指换能器(b)双电极叉指换能fig2.1 inter- digital transducers (idt)(a)single electrode idt(b)double electrode idt当 idt 的两端加上射频电压时，在电场的作用下，根据逆压电效应，基片产生周期性应变，从而在叉指上激励出 saw，虽然单对叉指上激励的 saw 很弱，但 idt 的周期 t 是 saw 波长的整数倍时，它们可以相互叠加增强。idt 的指条结构是几何对称的，每对叉指激励的 saw 场也是中心对称的。因此 saw 的激励可以看作发生在换能器的中心，也称作激励中心。idt 的特性主要是由以下因素决定的：(1)指条周期；(2)指对数；(3)基片材料。基片材料对 idt特性的影响是电场分布和基片方向的复杂函数。2.3.2 saw谐振器结构图 2.2(a)是典型的单端 saw 谐振器结构，idt 两端是两个反射栅。idt 与两端的反射栅都有各自谐振频率，当两者谐振频率一致并且满足相位条件时，由idt 激发，通过两个反射栅反射回 idt 的声表面波信号最大，从而实现对谐振频率的检测。假设 l 是 idt 周期指条间距，vs是声波在基片上的传播速度，则谐振器的谐振频率为lvfs02.1图 2.1(b)是它的谐振等效电路，cm和 lm分别表示基片弹性和惯性引起的动态电容和动态电感，c0是 idt的静电容，rm是阻尼引起的动态电阻。在谐振频率r上电导 g 取得最大值，在反谐振频率a上电阻 g- 1取最大值。根据等效电路有36mmrcl12.2001cccclmmma2.32声表面波传感器9使用相关的检测设备，可以得到 c0、r、a的参数，从而计算出谐振等效电路的动态电容 cm和动态电感 lm，动态电阻可由rgrm|1计算出来。由图 2.1(b)可知，谐振器的品质因素为37mmrmmrrrcrlq12.4谐振质量因子 q可以表征半个周期内存储能量和损耗能量之比。c0cmlmrm反射栅反射栅吸收材料idt压电基片间隙(a)(b)图 2.2 单端 saw 谐振器(a)谐振器结构(b)谐振等效电路fig2.2 one- port saw resonator(a)structure of resonator (b)equivalent circuit of resonator2.4声表面波谐振器温度传感原理当谐振器周围环境参量发生变化时（如温度、压力等参数变化），谐振器固有频率将发生变化。所以通过检测传感器的固有频率，可以确定环境参量变化大小。saw 谐振器固有频率和温度有如下关系383920)2(0)1(000)()(1)()(tttttftfff2.5式中，) 1(f是温度 t0下 i 阶温度系数。因为当激励的间歇正弦波频率与传感器固有频率接近时，回波信号幅度最大，所以可以采用微调激励正弦波频率，逼近传感器固有频率的方法，实现对被测量的检测。idt 具有声- 电（电- 声）转换功能，能将电磁能耦合进谐振器腔体,又从腔体耦合出电磁能。通过匹配网络将天线连接到 idt 上，则可以通过天线将激励信号从空间耦合到谐振器，又可以通过天线将谐振器响应的信号发射出去，从而实现2声表面波传感器10无源无线传感。2.5声表面波谐振器信号特征对于冲击脉冲，saw 谐振器 idt的响应幅度可表示为40 mmtsxxjkcevx0exp2.6其中，e为常数，vt为激励电压，cm为1。对于任意单根指条激励的输出电流为40 mnnnmimscxjkcwei100exp2.7因此 m 个激励源的总输出电流为41 abtschhwvi2.8其中，ha()和 hb()分别是输入 idt经反射栅反射后的传递函数和输出 idt的传递函数41 mnnnnnmmmmalnkjtmcdkjrmelnkjtxjkcdjkreh101200101210012expsin2exp412expexpexp22.9 010sin2expmcmexjkcehmnnnb2.10施加在输入叉指换能器上的电场，激励出声表面波，频率由叉指换能器的间距决定，当采用均匀叉指，如果 f0为谐振器的设定谐振频率，当输入为施加在叉指电极上的电压，输出为沿波传播方向离开换能器第一点位置处的波振幅，输入换能器的冲击响应为42 00,)exp(lllmtwtjcth2.11其中，ml是换能器中叉指的交互对数，cl是换能系数，0021f， 00,llmtutumtw， tu是阶跃函数。声表面波在输出换能器的叉指电极上引起交变的电荷密度，实现声电转换。如果换能器的正电极和负电极形成一个闭合回路时，声表面波最终在输出换能器中产生电流输出。设输入是进入输出换能器第一条电极处的波振幅，输出是正电极和负电极短接在一起流过的电流，描述声电转换关系的输出换能器冲击响应为2声表面波传感器11 101000012mimirrititcth2.12其中，m1m2分别是输出换能器的正、负电极数，输出换能器中的叉指对数121mmmr。cr和 cl都是换能系数，取决于基片的材料特性和波束孔径。反射栅阵的输入输出都是声表面波，谐振腔的输出定义为从谐振腔反射到换能器的声波。谐振腔本身包含反馈环路，入射的声波一部分经偶次反射又和输入声波同向并叠加在一起，所以每个反射栅的输入是来自发射换能器和被偶次反射的声波之和。反射栅的反射系数 r 和传输系数 t 满足122 tr，并且1r43。只有经过奇数次反射的声波才能从入射波的方向脱离反射栅阵反射到接收换能器，所以谐振器的冲击响应为 102, 5 , 3 , 1102212nllnnllnrltrtnlttrth2.13对于 saw 器件，定义作用输入端口的输入量为电压，输出端口的输出量为电流，则 saw 谐振器的冲击响应为44 rmilnllrrlmiltwrttjthththth0000020,2)exp(2.14由于任意信号通过系统的输出为该信号与冲击响应的卷积45)()()(thtvtyi2.15间歇正弦脉冲信号为ttttttetvii110, 00 ,cos)(2.16从而可以得到间歇正弦脉冲信号激励单端口电流响应波形，如图 2.3 所示。采用通常的冲击脉冲激励时,由于冲击脉冲激励信号频谱从零到无穷均匀分布46，而单端口谐振型声表面波器件具有良好的频率选择性，因此，仅仅有非常小的能量信号能够在传感器内部引起谐振，使能量利用效率非常低。但采用间歇正弦信号激励时,由于传感器的回波信号是间歇正弦信号长时间作用结果,当发射频率与固有频率非常接近时,多次回波信号叠加的能量远远大于任意时刻输入的能量，输出信号能量远远强于脉冲输入时的输出信号能量,因此,在同样的发射和接收条件下,可以实现更远距离的遥测。因此本系统采用间歇正弦信号作为传感激励信号。2声表面波传感器1202254500225450vi(t)y(t)时间t/675675图 2.3 间歇正弦脉冲信号激励单端口电流响应波形fig2.3 current response of one- port resonator receiving break sine signal3无源无线声表面波传感器无线收发系统设计133无源无线声表面波传感器无线收发系统设计3.1概述国外的许多应用中，硬件系统结构比较复杂，信号处理倚重硬件手段实现，如采用锁相环等方法，增加了系统成本；后端采集由于前端中频设置较高，导致信号带宽较大，增加了采集端成本；而且一些应用中信源采用固定振荡频率，但环境变化时声表面波传感器的固有频率将发生变化，因此，有必要采用可调信源实现测量。本文根据对国外各种典型系统特征的分析，并结合谐振型传感器信号特征，提出了简单实用的无线收发系统，简化了硬件结构，输入采集端的信号频率在1mhz 以下；采用直接数字合成技术，充分利用计算机资源，用 dds 信号源代替硬件的压控振荡源；并采用间歇正弦信号激励声表面波谐振器，提高系统有效发射功率。最后对收发系统的噪声和能耗进行分析。3.2收发系统设计方案在设计无源无线声表面波传感器无线收发系统时，因为在很多地方与通讯机有相似之处，所以可以借鉴通讯机的设计思想和注意事项；但传感器系统本身也有特殊的地方，所以可以根据传感信号特征简化硬件系统结构，降低整机成本，提高工业应用能力。3.2.1 通讯机方案比较通讯机中，发射机的主要指标是频谱、功率和效率，接收机的主要指标是灵敏度和选择性47。发射机的设计相对简单，如图 3.1所示。匹配网络天线收发开关功放信号源图 3.1 发射机结构示意图fig3.1 schematic of transmitter structure常用的接收机方案有外差式方案和直接下变频方案。1、外差式方案图 3.2是外差式接收机射频部分的结构方框图，下变频器将信号频率rf和本振信号频率lo混频后降为中频信号lorfif。3无源无线声表面波传感器无线收发系统设计14频带选择滤波器小信号放大器信道选择滤波器中频放大器信道选择滤波器解调vrfcosrftvlocoslot混频器图 3.2 外差式接收机射频部分结构框图fig3.2 block diagram for radio- frequency unit of beat receiver采用该方案主要有以下三个优点：中频比信号载频低很多，降低对滤波器q值要求；将接收机总增益分散到高频、中频和基带三个频段上；在较低固定中频上解调也相对容易。但该方案的最大缺点是组合干扰频率点多48。因为混频器通常并不是一个理想乘法器，而是能完成相乘功能的非线性器件，进入混频器的信号rf和本振信号lo，以及混入的干扰信号通过混频器的非线性特征产生组合频率，如rfloqp或21nmplo(1和2是干扰信号频率)，如果它们落在中频频带内，就会对有用信号造成干扰。这种干扰也称为寄生通道干扰。在寄生通道干扰中，“镜像干扰”最为严重。镜像信号频率ifloim，它位于本振信号lo另一侧，与本振信号频率之差也为中频。如果它没有被混频器前端电路滤除而进入混频器，则会和有用信号混合降低中频输出信噪比，形成对有用信号的干扰。2、直接下变频方案让本振频率等于载频，使中频if=0，就不存在镜像频率，也就不会有镜像频率干扰。把载频直接下变频为基带的方案也称零中频方案。图 3.3 为直接下变频方案的原理框图。本振/4低通滤波器低通滤波器射频输入调谐到射频零中频qiqi基带信号限幅检测限幅检测图 3.3 直接下变频方案原理框图fig3.3 schematic diagram for direct down- conversion直接下变频方案主要有以下优点：没有镜像频率干扰；接收机的射频部3无源无线声表面波传感器无线收发系统设计15分只包含高频低噪声放大器和混频器，增益不高，易满足线性动态范围要求，且没有抑制镜像频率滤波器，不必考虑滤波器和放大器的匹配问题；由于下变频后是基带信号，不必采用专用的中频滤波器，而只需用低通滤波器选择信道。但直接下变频方案存在下述难以解决的问题：本振泄露；低噪声放大器的偶次谐波失真干扰；直流偏差；有源器件的f1噪声。3.2.2 收发系统方案选择采用外差式接收方案，虽然可以通过中频选择降低滤波器 q值，分散增益，但由于组合频率点多，系统相对复杂，而且为抑制其镜像干扰，对混频器前端的带通滤波器 q值有较高要求，例如要求回路镜像频率抑制为 40db，则滤波器 q值满足482221lg2040rfrffffqdb3.1其中 f 为镜像频率，frf为信号频率。高中频可以使镜像频率远离信号频率，有利于抑制镜像频率并降低对混频器前端带通滤波器 q值要求，但高中频使同样q值的滤波器带宽变宽而降低接收机选择性，也就是说，为提高接收机灵敏度需要选择高中频，而为提高选择性又需要降低中频频率，从而形成矛盾，设计中只能根据实际情况计算分析选择合适的中频。零中频方案虽然不会有镜像干扰问题的困扰，但该方案要求两条正交支路完全一致，包括本振信号幅度、混频器增益和低通滤波器特性等，而且正交要精确，即两路本振信号要精确相差 900。另外，该方案的本振泄漏，直流偏置等问题也难于解决。高频信源低频信源转换开关功率放大器低噪声放大器低通滤波器混频器混频器带通滤波器中频放大器图 3.4 无源无线传感器收发系统示意图fig3.4 schematic diagram for transmit- receive system of passive wireless sensor综合以上考虑，在系统中采用如图 3.4 所示的无源无线传感器收发系统示意3无源无线声表面波传感器无线收发系统设计16图中所示的结构。该结构相对于外差式方案和零中频方案解决了如下几个方面的问题：镜像干扰因为接收系统接收的传感器回波信号是在非常窄的频带内变化的单一频率信号，不需要像一般通讯接收机一样考虑邻近信道干扰问题，所以接收端混频器的本振可以选用非常接近回波信号频率的高频载波，因此，镜像频率信号落在负频率区，可以有效抑制镜像频率干扰的影响。组合干扰频率因为变频器通常并不是一个理想乘法器，而是一个能完成相乘功能的非线性器件，它将进入的有用信号rf和本振信号lo，以及混入的干扰信号（如频率为1与2的干扰信号）通过变频器非线性特性中的某一高次方项组合产生组合频率49，如|ploqrf|或|plo(m1n2)|,如果它们混杂在有用信号中，就会形成对有用信号的干扰。因为有用信号和本振信号相差在 144mhz 附近，则对于|ploqrf|而言，只有当时 p=q=2,3,4,时，才可能使|ploqrf|为 1.4mhz,2.1mhz,2.8mhz,比较接近接近中频 0.7mhz，这些都可以用 1mhz 的低通滤波器滤除。本振泄漏因为在零中频方案中，本振频率和信号频率相同，所以如果变频器的本振口与射频口之间的隔离性能不好，本振信号就容易从变频器的射频口输出，再通过高频放大器泄漏到天线或反射回来再进入变频器。这种现象在零中频方案中经常可以遇见，对外差式接收机而言，本振频率和信号频率相差很大，一般本振频率都落在前级滤波器的频带以外，所以可以忽略对接收机信号信噪比造成的影响，但对零中频方案而言，影响是比较大的。在该方案中，本振频率和信号频率非常接近，相差在 0.7mhz 附近，造成的影响可以通过中频放大器前端的低通滤波器解决。直流偏差在零中频方案中，如果本振泄漏的本振信号又从天线回到高频放大器，进入下变频器的射频口，它和本振口进入的本振信号经混频，差拍为零频率即直流。同样，进入高频放大器的强干扰信号也会由于变频器的各口隔离性能不好而泄入本振口，反过来它又和射频口的强干扰经混频，差拍为直流。而零中频方案中，将 rf信号转变为中频为零的基带信号，这些直流偏差就叠加在基带信号上，而且这些直流偏差往往比射频前端的噪声还要大，一方面会使信噪比变差，另一方面这些大的直流偏差还可能使混频后的各级放大器饱和，无法放大有用信号。该方案则通过 0.7mhz 的中频避免了直流偏差的影响。3无源无线声表面波传感器无线收发系统设计173.2.3 收发系统整机指标分配由前面的分析可知，该接收机的主要指标包括：频率稳定度，它与信号源的相位噪声有关；输出功率；接收机的灵敏度，与增益和噪声有关；动态范围和对各种干扰的抑制，与滤波器及器件的非线性有关。因此，从射频的角度出发，系统对射频单元的主要要求是：天线切换开关的插入损耗必须很小。低噪声放大器必须有很低的噪声，合适的增益、高的三阶互调截点和低的功耗。混频器有高的三阶互调截点及低的噪声。频率合成器有低的相位噪声、切换速率快。滤波器的中心频率的热漂移小，频率响应误差小。在进行具体射频电路设计前，首先根据该无源无线 saw 传感器系统工作时所处工作环境，测量距离，工作信号频段和信号调制方式来确定接收和发射机整机指标。首先不考虑放大器、混频器和滤波器等射频电路之间的阻抗匹配，假设接收机的射频前端各级的输入输出阻抗均为 50且都达到匹配。现根据接收机整机指标中最重要的三项：增益、噪声和三阶互调截点来分配指标49。中频放大器中频滤波器混频器低噪声放大器收发开关bacde图 3.5 收发系统各模块单元示意图fig3.5 schematic diagram for modules of transmit- receive system如图 3.5所示的接收机，有表 3.1所示的系统各功能模块的增益 g、噪声 nf和三阶互调截点 iip3参数。表 3.1 接收机各模块参数table3.1 parameter of modules of receiver收发开关低噪声放大器无源混频器中频滤波器中频放大器gl1=1dbap2=18dbl3=7dbl4=5dbap5=23dbnfnf2=2dbnf3=12dbnf5=10dbiip3+100db- 12db+5db+100db噪声系数计算计算总的噪声系数时从后向前推算，在 e点的噪声系数就是中频放大器的噪3无源无线声表面波传感器无线收发系统设计18声系数，即 nfe=10db。将各级用分贝表示的功率增益和噪声系数转换成自然数，再根据求解多级线性网络级联噪声系数的方法求出各点噪声系数。因为滤波器是无源有耗网络，它的噪声系数即是它的损耗，则dbdbdbnfnfneed1510543.2由32. 05,62.3115, 8 .151233dbgdbnfdbnfpd3.3则有dbgnfnfnfpdc47.2049.11132. 0162.318 .151333.4由10.6318,49.11147.20,58. 1232dbgdbnfdbnfpc3.5则有dbgnfnfnfpcb22. 533. 31 .63149.11158. 11223.6收发开关也是无源有耗网络，则dbdbdbnfnfneba22. 622. 5123.7三阶互调截点输入功率计算计算 iip3时也从后向前，iip3表征有源器件的线性范围，无源器件一般不存在线性范围这个指标，因此认为滤波器的 iip3都很大，达 100db，它们对系统线性范围的影响可以忽略。所以 c 点忽略中频滤波器的 iip3的影响，其 iip3与混频器的 iip3相同，即有mwdbmiipc16. 35, 33.8由1 .6318,063. 012,16. 3522, 3, 3dbgmwdbmiipmwdbmiippc3.9则有84.3516. 31 .63063. 0111, 322, 3, 3cpbiipgiipiip3.10即dbmwiipb5 .15028. 0, 33.11收发开关也可忽略其影响，所以dbmmwliipiipba56.14035. 079. 0028. 011, 3, 33.12增益计算3无源无线声表面波传感器无线收发系统设计19计算增益时则由前向后，将各级的增益分贝数相加。滤波器的插入损耗是增益的倒数，即 l=1/a，所以(db)=- a(db)。如图 3.6所示，在系统的两级连接点处标上 a、b、c、d、e字母，由前面的计算可求知系统的增益 g、噪声 nf和三阶互调截点 iip3参数，如表 3.2 所示。表 3.2 接收机各级指标table3.2 data of receiverabcdeg(db)- 117105nf(db)6.225.2220.471510iip3(db)- 14.56- 15.5+5+1003.3系统工作原理对于谐振型声表面波传感器，周围环境参量变化会导致传感器固有频率变化（如温度变化时，基片上声传播速度也会随之发生变化，从而导致传感器固有频率变化）。所以，该系统通过检测传感器固有频率变化，实现对环境参量变化的检测。无源无线温度传感器系统组成如图 3.6 所示。该无源无线传感系统采用常温下谐振频率为 144.2540mhz 的石英声表面波谐振器作为传感器，其品质因素 q约为 4000。天线则采用小尺寸的法向模螺旋天线。谐振型无源无线温度传感器系统通过由计算机控制的开关在时序上分为信号激励和信号接收两个阶段。在信号激励周期，利用占空比可调的间歇正弦波激励，比通常采用的脉冲信号激励，可以得到更强的回波信号，从而提高检测距离。在信号接收周期，收发开关将谐振器的回波信号，经过放大,下变频到 1mhz 以下的解调信号，再通过滤波放大调理后，经计算机数据采集，做实时分析处理。在实际应用中，作为传感器的 saw 谐振器所处的环境温度变化范围可能较大，从而对应的谐振器频率变化也较大；而且与传感器相连的小天线因为周围环境变化，如与地之间距离的变化，周边金属物体位置变化等因素影响，其频带特征也会发生明显变化。在这种情况下，谐振器或小天线的响应频率可能处于匹配网络的频带之外，从而影响回波信号强度，降低测量系统的有效测量距离。因此，采用宽带匹配技术对于提高无源无线 saw 温度传感系统的实用性有着非常重要的意义。3无源无线声表面波传感器无线收发系统设计20高频信源低频信源转换开关功率放大器低噪声放大器低通滤波器混频器混频器带通滤波器中频放大器a/d计算机匹配网络匹配网络saw传感器图 3.6 无源无线 saw 温度传感系统结构示意图fig3.6 schematic diagram for passive wireless saw sensor system of temperature3.4系统电路设计3.4.1 混频器在收发系统中，混频器是非常重要的部件。许多低成本的接收机中，使用的是一个简单的单二极管混频器。但对于一个简单的单二极管混频器，转换损耗通常要大于或等于 6db；而且射频和本振端口之间没有隔离，在中频端口和射频以及本振端口间的隔离也很弱。所以，在本系统中采用双平衡混频器，能够获得射频和本振端口间的良好隔离，而且因为它可以抑制射频和本振谐波，所以具有低的互调失真。50图 3.7是常见的二极管双平衡混频器，也称环行混频器。它由四只性能一致的二极管组成环路，有三个端口：lo,rf,if。本振电压和射频电压分别从 lo端口和 rf端口输入，通过变压器将单端输入变为平衡输入并进行阻抗变换。中频if端口是不平衡输出。vrfrsvsvrfid3id2id1id41:1vrfvlovlovlo+-+-1:1rli1:1aabb图 3.7 二极管双平衡混频器fig3.7 diode double balanced mixer3无源无线声表面波传感器无线收发系统设计21(1)输出中频电流在本振信号整个周期内，流过中频口负载上的电流为两个半周的电流的合成，即)(2)(2)()(2)(2)()(2111243tsrrtvtstsrrtviiiiilodlrflolodlrfdddd3.13式中 s2(lot)为重复频率为lo的双向开关。取差频lorfif为中频，则中频电流为trrvtiifldrfifcos24)(3.14由于中频负载电阻是 rl，则输出中频电压是trrvrtvifldrflifcos24)(3.15当dlrr 时，上式简化为tvtvifrfifcos2)(3.16(2)射频输入电流和输入阻抗在本振周期的两个不同半周内，流过射频线圈两部分的二极管电流方向相同，所以感应到射频变压器初级的电流 is为lrfdlrfddddsrtvrrtviiiii)(2)(2)()(43123.17可见，is中只有射频，没有本振和中频分量。混频器在射频口的输入阻抗定义为射频电压与射频电流之比，即lsrfrfirivr3.18二极管双平衡器的输入阻抗等于中频负载阻抗。(3)变频损耗51如果射频端信号源与混频器输入阻抗匹配，即 rs=rrf，如图 3.7所示，则必有 vs=2vrf，vs为射频信号源幅度。因此，射频信号源输入功率为lrfsssrvrvp22214213.19由式 3.4.4知中频功率为3无源无线声表面波传感器无线收发系统设计22lrfllrfifrvrrvp22222213.20则混频损耗为dbpplifs44lg10lg1023.213.4.2 射频功率放大器1、射频功率放大器选择功率放大器最重要指标是输出功率和效率，所以可将功率放大器分为 a、b、c、d、e、f类52。a、b类功率放大器均属于线性放大器，c 类功率放大器是一种非线性放大器。在 a、b、c 类放大器中，晶体管工作在有源状态，等