表面声波传感器设计.doc

1、第一章 序论1-1、本研究计划之背景目的、重要性以及国内外有关本计划之研究情况在传感器技术迅速发展的今天，对于许多应用的特殊场合，传感器和被测单元间的联机通常是无法实现的，例如，用联机传感器进行旋转、电刷、电机转子和许多运动物体的参量测量时，会产生许多的机械问题和电路问题，会出现中断、噪声，甚至根本无法进行测量。再如，直升飞机旋转时螺旋桨尖端速度和角速度的测量，汽车碰撞时车内加速度的测量，汽车轮胎内部压力、温度和摩擦的测量等，也是不能采用联机的方式，因此，必须采用无线传感器来实现测量。无线传感器按供能方式不同可分为两种：主动式和被动式传感器。前者由于有电池等电源供电，传收距离非常远，可采用各种

2、电路，控制和处理方便、灵活，目前已广泛应用。然而，对于许多不能提供电源，需长期监测的场合，或电池不易更换的传收位置和易燃易爆等危险场合的应用，这种主动式的无线传感器显然不实用。被动式传感器没有电源（如电池）直接供电，它是靠电磁波的能量维持传感器的工作。该类传感器根据能量耦合方式又可分为两类：电感线圈耦合型和天线型。利用电感线圈耦合供能的传感器和询答器作为身份监测器，已广泛用于商场、图书馆、机场的物品管理和智能化的交通系统中。然而采用线圈等电磁耦合方式，能量主要集中在线圈中心很近的区域，其传收的距离很近，1m的距离已是耦合极限，1m以上远距离系统更是非常罕见。并且，耦合的电能直接提供给传感器和处

3、理电路，因此，要求发射的能量非常大。天线型传感器采用天线收集空间的电磁能量，然后高效地转化为其它形式的能量，如电源、声波等。天线型传感器能感测各种物理量的大小，调制后的信号通过天线高效地转化成电磁能量发送给远程的接收系统，实现被动式无线的传收和测量。由于能量转换方式的不同，理论上它比电感耦合的传感器有更远的测量距离。目前，表面声波组件是将天线的电磁能直接、高效转换为声能进行传收的最佳组件之一。采用半波长偶极子天线时，传收距离可达10m以上。1965年，white等人首次在压电基片上制作金属指叉式转换器，并在指叉式转换器上施加交变电场，使基片上激发出表面声波。表面声波在基片上传播，其传播路径上的

4、指叉式转换器将表面声波再次转换成电磁波信号1。由于表面声波的传播速度只有电磁波传播速度的十万分之一，可大幅缩减电路组件的尺寸。所以压电基片上指叉式转换器适合于电子模拟信号处理技术，能实现多种模拟信号处理功能。表面声波被动式无线传感器和目标识别器的研究是1980年代中后期开展起来的新兴研究领域。由于压电效应，指叉式转换器能够将电磁波和表面声波相互转换，实现机电能量互换。表面声波组件的电声、声电转换和高效蓄能特性为表面声波组件的被动式无线应用奠定了基础。表面声波的频率至少大于10mhz，与电磁波射频频率范围接近，所以表面声波组件可以直接从空间耦合射频电波，实现被动式无线工作方式。若再结合多元编码功

5、能，即可被用作无线非接触识别器。表面声波传感器按检测原理分为两种类型：延迟型和谐振型。图1-1 延迟型表面声波传感器延迟型表面声波传感器结构上有许多形式，主要有编码延迟线（或扫频延迟线）和带反射栅的延迟线结构。前者的激励信号主要采用编码脉冲或扫频信号方式，而后者则多采用间歇脉冲激励。如图一所示，延迟型主要是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。当传感器周围被检测物理量发生变化时(如温度、压力、力矩、加速度等)，将影响回送信号的时延或相位。检测出该时延，就可感测物理量的大小。编码延迟线利用激励信号到达各个延迟栅的相位是否同相或反相实现编码(match filter)；而图1

6、-1所示常用的带反射栅的延迟线则利用反射栅位置的不同，将延时信号构成不同的编码，便于对多个传感器或标识器进行识别。图1-2为延迟型的另一种形式，利用外接sensor负载阻抗改变reflector声波反射的大小或相位，以indirect sensing方式同样可藉以检测出sensor物理量的变化。图1-2 passive saw device combined with an external sensor谐振型表面声波传感器在一个或多个指叉式转换器（idt）的左右两边对称分布等间距的反射栅阵，形成谐振腔，如图1-3所示。该传感器仅仅反应与谐振器自然谐振频率相同或接近的激励信号，因此，可利用表面

7、声波谐振器良好的频率选择性直接测量组件反应的自然谐振频率。当传感器周围被检测物理量发生变化时，将影响回送信号的自然谐振频率，从而感知被测物理量的大小。延迟型能利用延迟时间进行编码，从而构成较大规模的数组传感器，但传收距离非常短；而谐振型传感器的质量因素较延迟型组件高许多，因而损耗极小，较适应于远距离的被动式无线遥测。采用多个被动式的表面声波传感器可构成分布式被动式无线数组传感器，只要数组传感器中各个表面声波组件的指叉式转换器具有不同的频率选择特性，或者不同的编码（译码）功能，就可以通过发射信号的频率或者编码选择激励数组中各个传收组件，从而达到识别（寻址）数组中各个传收组件的目的。图1-3 谐振

8、型表面声波传感器谐振型被动式无线表面声波传感器在远距离、单个传感器(或较少传感器)测量时具有显著的优点。然而，在大量的传感器或查询器同时使用时，谐振型传感器就很难实现编码的目的。延迟线型被动式无线表面声波传感器（pwdss：passive wireless delay-line saw sensor）的研究是近年开展起来的新兴研究领域，这种传收器具有普通传感器和编码器没有的优点，特别适用于一些非接触的特定环境下的遥测、传收、目标识别以及数组传感器和多传感器的应用。然而，有限的传收距离限制了它的应用。被动式无线表面声波传感器是一项较新的传感器研究领域，国外目前该传感器原理及应用的研究主要集中在欧

9、美日等发达国家和地区。多功能被动式无线表面声波传感器，具有十分诱人的工程应用前景，也是目前传感器技术研究发展中较新的研究内容。对于谐振型和延迟型两类现有的被动式无线表面声波传感器，各有不少应用的实例。如2000年 德国ilmenau 技术大学的m. binhack 2研究的谐振型被动式无线表面声波传感器，是利用表面声波谐振器的谐振频率随外界参数变化而改变达到测量目的。而对于延迟编码型则有更多成功的例子，如1997年12月美国pennsylvania州立大学的v.k.varadan 3教授提出一种被动式、无线反射式表面声波加速度测试系统，它用电磁波激励表面声波延迟反射器，根据天线反射回波的延迟来

10、测量加速度，能应用于对直升飞机叶片高速转动时尖端的加速度及汽车碰撞时数据的自动测试和应力应变及温度的测量。奥地利vienna技术大学的r. steindl 4等采用带反射器的延迟线作为无线询答的传感器，该反射器可程序化，以实现对目标的程控编码。a. pohl 5-6等研究成功的汽车轮胎的压力、温度、摩擦的测量和刹车的监测系统，如图1-4所示。此外目前世界各地还有许多各种被动式表面声波询答、识别和传感器系统的研究成果7-13，wireless saw目前技术上的测量分辨率如table 1-1所列。schematic drawingmeasured tire pressure, passing a

11、 two track railway crossing with adjacent water channel图1-4 saw pressure sensor国外专利主要集中在欧美发达国家，研究的范围也比较广泛14-23。如美国专利中有利用反射型表面声波组件的询答器，也有由表面声波组件作为物体和目标识别的无线识别器，还有对结构完整性检测的被动式无线表面声波传感器。欧洲专利中有对基本的被动式无线表面声波组件原理方法的研究，也有应用扫频和相位识别的射频询答器和标识器，还有对轮胎压力和温度测量的传感器。日本专利中有利用扫频信号的目标识别器研究。这些专利几乎涵盖了谐振型和延迟型的各种结构。measur

12、andsphysical effect resolution identification analysis of signal32 bit temperature variation of saw velocity 0.1 k mechanical measurements(pressure, torque, acceleration, tire-road friction) variation of elastic constants 1% of full scale impedance sensors variation of amplitude and phase of reflect

13、ed signal 5% of full scale distance signal delay 20cm relative position continuous measurement of doppler phase 2cm angular positioning measurement of doppler phase 3 grad table 1-1 typical resolution of wireless saw sensors由于表面声波被动式无线传收器具有非接触、快速、无电源、抗干扰、易编码、保密性好、成本低等优点，目前已广泛应用于许多领域。由它构成的传感器数组，传收组件之

14、间无信号线连接，数组输出也无需引线连接，分布更容易，应用不受限制。特别适合一些应用环境复杂，不宜接触的工程结构和环境的遥测、传收和目标识别。将被动式的表面声波传收元分布在大型机械结构的运动部位，能不妨碍其运动而得到各种动态参数。也可以将被动式的表面声波组件置于地下及海洋的金属管道及线路中，还可以将它放置于许多不能有电源、高电压、1000度高温、强电磁场、强紫外线及强加速度运动的场合等。此外，适当加入其它敏感的材料于表面声波结构中(如奈米碳管等)，可传收各种其它的物理、化学参数，构造出更多种类的被动式无线传感器。因此，对被动式无线表面声波传感器的研究，尤其是对更远距离被动式无线传感器研究，有广泛

15、的应用前景。在产业界实际的应用面来看，未来最为全世界瞩目的应用将是tread act legislation in north america订立的条款(nov. 2000)，将明订未来出厂汽车须加装tire pressure measurement systems (tpms)，随时监控汽车轮胎状况，减少因爆胎高速失控的车祸发生率。市面上的许多产品设计常采用direct active systems，感测系统内部包含mixed-mode silicon chip, mems-based sensor，一起放置于轮胎内部由电池供给sensor传收所需电能。随时将胎温及胎压讯息传送给中央处理系统

16、显示于驾驶座。俨然wireless saw sensor system与传统的silicon chip sensor system将正面交锋，相互抢夺未来wireless sensor于生活中大量应用的市场商机。图1-5为英商transense所设计的wireless saw tpms系统(patent:gb2355801/gb2381074) 24-30，左图为三个saw resonator分别反应压力变化、温度变化及参考值，将接收到的rf激励脉冲信号转换成自由振荡的三个谐振频率，经由天线送回主控端，借着频率差值的变化判读胎压及胎温的数值。 图1-5 transense saw tpms s

17、ystemwireless saw sensor技术在成本考虑上较silicon chip + mems sensor系统便宜，体积及重量也比较小，最重要的是不需电池也可长距离操作，同时避免了电池废弃污染的严重问题，在sensor应用市场上极占优势。同样的技术未来也将大量应用于rfid电子卷标系统上，saw将代表chipless tag在low cost (below 10 cent)、high data bits、long range、lower radiation等规格上与主流的 silicon chip tag相互竞争，市场商机将可预期。本计划将与台达电子mems实验室共同切入wirel

18、ess saw sensor的技术领域，以transense公司的tpms设计技术为蓝本，研究及突破wireless saw sensor system必要的相关关键技术，进而能达到技术创新及产品化的目标。1-2、 研究方法及进行步骤：根据国外对wireless saw sensor的研究，延迟型saw device兼具sensor及id编码的功能，但市面上不易采购此款sensor，必须依靠其它部门进行延迟型saw device的研发。然而本计划将重点摆在关键rf技术的开发与建置，因此谐振型saw sensor架构将成为电路设计的依据。图1-6为谐振型wireless saw sensor系统

19、架构分类图，系统可分为saw sensor及interrogator (reader)两大部分。如粗框方块所示，sensor将采用direct sensing原理，以两个(或多个)不同谐振频率及物理特性的saw resonators并联输出至单一天线，构成passive saw sensor。reader则传送出两个rf频带之间歇激励信号，其个别频带中心频率与个别saw resonator自由谐振频率相同，以顺利激发两个saw resonators。当reader停止传送激励信号后，两个saw resonators将自由谐振出不同的频率信号，藉由天线回传至reader接收端，其中一个saw r

20、esonator之自由谐振频率会随欲感测的物理量而变。如图下方粗框方块所示，接收机将输出两个自由谐振频率的差频信号，再送至频率解析电路将频率差对应至物理量的变化。如图1-7所示，根据市面上较易取得的saw resonator样品，感测的物理量将先选定为侦测温度的变化，作为wireless sensor系统雏型机展示的目标。未来再扩充至压力、应力、应变、湿度等物理量变化的无线遥测。counterfftsingle bandpllmulti bandwide banddirectsensing principledifferential/multimeasurementsingle measure

21、mentcommon antennaseparate antennadifferential/multimeasurementsingle measurementindirect(saw+impedance sensor)interrogatorsensorsensor system frequency extractortransceiver图1-6 谐振型wireless saw sensor系统架构分类图directindirect(saw+impedance sensor)sensing principle:temperatureintrinsic propertiesquartzli

22、nearnon-linearlinbo3 (ln)pressureotherspecial packagepressure directon substrateotherpressure on lid,transferring force to substratesaw electrically connected to impedance sensor=>measurands depend on types of impedance sensor图1-7 wireless saw sensing principle分类图在谐振型saw sensor的研究及市场开发中，英商transen

23、se投入时间较久，产品技术已趋于成熟。因此本计划在搜集资料的阶段时，transense所公布的技术信息、专利案件不失为极佳的参考数据来源。如table 1-2所列即为该公司十余年来所申请之专利，从saw组件的设计原理、应用电路、到wireless saw sensor系统规划等内容，极具参考价值。description country reference expiry date method and apparatus for measuring strain/dynamic torque europe de/fr/gb/it japan us 0518900 b13108881 558557

24、1 4/3/2011 integrated electronic structure europe gb/de us 0938778 6304020 13/7/2017 rotary signal coupler gb 232808618/7/2017 apparatus for measuring impedance of a resonant structure europe de/fr/it/ch/li/gb/es/ptus 0938682 6237417 13/11/2017 apparatus for tracking resonant frequency europe gb/fr/

25、de/it/ch/li/es/pt us0940004 6467351 13/11/2017 electrical signal coupling device gbus2350487 6478584 25/5/2019 pressure monitor system gbus2352814 6715355 28/7/2019 remote interrogation of the frequency difference between two saw devices gb235580120/10/2019 used for pressure measurement packaged dev

26、ice gb2346493 3/2/2020 improved rotary signal coupler gb236847010/5/2020 apparatus and method for detecting the condition of an item/tyre wear europe gb/deus1189771 6651495 28/6/2020 rotary signal coupler gb23714141/9/2020 apparatus and method for interrogating a passive sensor gb23560554/9/2020 met

27、hod of and device for acquiring data of dynamic physical processes via a radio link de 10057059 17/11/2020 tyre condition monitoring system gb 236154620/12/2020 acoustically excited solid state gyro/vibratory gyroscope gb 237950611/9/2021 package saw device using pressure sensor gb237232810/10/2021

28、wheel condition monitoring system gb237386313/12/2021 improved method for tracking a resonant frequency gb238772418/4/2022 interrogation method for passive tyre pressure and temperature monitoring system gb238107423/8/2022 table 1-2 transense granted patentsrf transceiverfrequency extractor图1-8 tran

29、sense: remote interrogation of the frequency difference between two saw devices图1-8为transensene所提出的专利，系统架构中发射机产生200/201mhz两组rfsignal，经由tr switch(8) 控制输出脉冲时间。rf输出信号由天线传送至两组saw sensor进行激励。当tr switch将天线切至接收端时，saw resonators不再接收激励信号而产生自由谐振，其中一个saw resonator谐振频率会随环境温度改变，另一个则不随环境温度改变。接收机将接收到的两组自由谐振频率降频至11

30、/10mhz左右，经由带通中频滤波后送入mixer进行自混频，进而将自由谐振频率的差频信号取出。右侧电路方块即为频率检测电路，将频率差对应至温度的变化量并加以显示。此专利的特色在于检测两组saw sensor的谐振频率差，而非检测单一saw resonator的谐振频率变化，且频率差的精准度完全由saw resonator决定，不受rf系统频率误差的干扰。因此rf电路系统不需使用极为精准且高成本的锁相回路频率合成电路检测精准的rf频率微小变化量。delay423.22mhz图1-9 本计划wireless saw sensor system的雏型设计75第二章 规格介绍与制定参考国外之研究发展

31、成果与衡量市场之演变趋势后，本计划的研究方向及步骤分为系统架构设计与系统规格订定两大主轴分述如下：2-1 系统架构设计考虑电路复杂度、未来产品成本、制程良率等因素，本计划将依循transense所提出之多个saw resonators频率差检测机制规划wireless saw sensor system的雏型设计。图九为整体电路架构的初步规划方向，电路的特殊功能及配置考虑列述如下：(1) saw sensors所用之resonator采用市面上较易购得434.42/433.42mhz谐振频率之saw resonator。saw temperature sensor的设计制作包含了与天线的匹配电

32、路设计、接收/发射insertion loss的计算与量测、温度与自由谐振频率变化范围设计与量测、天线辐射场型/增益/效率的设计与量测。(2) 发射机之振荡器采用相同之saw resonator(434.42/433.42mhz)直接设计成saw resonator oscillator，输出功率-3dbm，达到rf输出频率的高精确度及稳定度，确保saw sensor接受到最佳化的激励。(3) 发射机之振荡器分别接上nga-286 driving amplifier，增益15db，op1db=15dbm。nga-286形成oscillator的buffer，以降低振荡器输出频率偏移的pulli

33、ng effect，再者可以阻挡因power combining造成振荡信号相互回灌的状况，降低振荡器内部inter-modulation distortion所产生的spurious signals。当oscillator/driving amplifier的dc power关闭时，driving amplifier还能产生-10db的isolation，阻隔oscillator的残余输出谐振信号。(4) nga-286 driving amplifier输出阻抗需匹配至100 ohm再将两组输出直接并联，如此简易的power combining circuit可达到最低的insertion

34、 loss (-3db)，最低的reflection loss (-6db)，及适度之isolation(-6db)。(5) 发射端oscillator/driving amplifier的dc power on/off switch负责在系统进行接收saw sensor回传信号前先行关闭发射端oscillator及driving amplifier，减低泄漏至接收端的rf信号，维持接收机的灵敏度。(6) 发射端combining circuit之后的rf output switch采用双刀双掷(dpdt)开关，负责在系统进行发射激励信号时将输出信号连接至tr switch，再交由tr swi

35、tch将信号切换至天线端径行发射。设计重点在于系统进行接收saw sensor回传信号前先行将oscillator及driving amplifier关闭dc power后的残余输出谐振信号切换连接至一低电阻(<50 ohm)，加速残余输出谐振信号的衰减。再者，dpdt switch具有良好的隔离度，上述残余输出信号仅有-30db泄漏至tr switch端。此时dpdt switch的tr switch端将切换连接至另一低电阻(<50 ohm)，加速天线与rf滤波器残余输出谐振信号的衰减。dpdt switch的切换时间将设计与第(5)项的dc power on/off switc

36、h同步。(7) 发射端的tr switch负责在系统进行发射激励信号时将dpdt switch的输出信号连接至滤波器及天线径行发射， 433.42/434.42mhz各10dbm左右的输出功率。设计重点在于系统进行接收前tr switch与dpdt switch合力将天线及rf滤波器切换连接至另一低电阻后，让天线与滤波器残余输出谐振信号在400nsec之内衰减至够低。此时tr switch具有良好的隔离度，上述残余输出信号仅有-35db泄漏至接收端。在dpdt switch切换至电阻衰减模式之400nsec后，tr switch才将天线及rf滤波器端切换连接至接收端，进行saw sensor自

37、由谐振频率差的判读。(8) 接收端的rf front-end由两级433-435 mhz low noise amplifier (lna)将微弱的saw sensor回送rf信号放大30db，再送入mixer降至中频。lna的dc power on/off switch负责在系统进行发射激励信号前先行关闭lna，减低天线端泄漏至mixer输入端的rf激励信号。tr switch提供-35db的isolation，lna提供约-20db的衰减，10dbm的天线输出时约有-45dbm的rf激励信号进入mixer。dc power switch 开启的时间与tr switch将天线及rf滤波器端切

38、换连接至接收端的时间同步，进行saw sensor自由谐振频率差的判读。(9) 天线端的rf saw filter除了提供433-435 mhz的passband之外，对411.5-413.5 mhz image frequency band必须提供50db的rejection rate，若单一滤波器无法达成，则可在两级lna中间再加入一级rf saw filter，如图九所示。(10) 接收端的mixer负则将434.42/433.42mhz降至中频15.42/16.42mhz。因此mixer的lo端需接上418mhz的本地振荡器(local oscillator, lo)，输入功率0dbm

39、，此时mixer的conversion loss约-6db。lo的dc power on/off switch负责在系统进行发射激励信号前先行关闭lo，避免天线端泄漏至mixer输入端的rf激励信号被转换至15.42/16.42mhz的中频信号，此时mixer提供约-50db以上的conversion loss，彻底阻挡激励信号进入频率差判读电路，避免接收系统受到干扰。(11) 15.42/16.42mhz的中频信号需通过17mhz的lpf。若是利用测量单一saw sensor的绝对频率偏移量以计算温度、压力等物理量的传统sensor系统，lo的频率精准度需要到1khz (2 ppm)，只有使

40、用成本较高的phase lock loop (pll)电路才能办到。(12) 由于wireless transmission的信号衰减相当大，中频信号有可能低至-50dbm以下，需要一high gain agc (auto gain controlled) if amplifier，提供约0dbm的稳定中频输出位准，以利下一级的频率差检测电路正常工作。(13) 经由agc放大的15.42/16.42mhz中频信号将同时送入mixer的rf及lo端进行自混频的动作，以检测出两者约1mhz的差频信号。再经由低通滤波器(fc=1.5mhz)滤除1mhz差频信号的所有倍频spurious signal

41、s。(14) 1mhz差频信号的频率判别程序可采用adc/dsp数字元信号处理模式、8051微处理机计数模式、pll相锁频率转电压的模拟模式。此部份将配合台达电工程师共同评估、开发及测试，并同时完成wireless temperature sensor测量值的计算、校正及显示系统。2-2 系统规格订定wireless sensor系统规格必须从rf link budget analysis中加以计算，以完成系统连结的可行性评估。(1) 利用friis transmission formula and radar equation评估最大传输距离wireless system的规格中最基本的即是

42、要评估无线传送/接收的最大距离，以符合市场应用的产品需求，进而从相关电磁理论及物理法则中推演出内部各级电路所需的技术规格。首先使用到的基本物理法则即为描述发射/接收功率与传输距离关系的friis transmission formula:pr/t: received (or transmitted) rf signal powergr/t:receiver (or transmitter) effective antenna gainr: distance between the transmitter and receiverl: wavelength:one-way transmissio

43、n path losssaw sensor接收到的功率与传输距离、频率呈现平方衰减，此项因传输路径及频率因素所造成的功率衰减量称之为path loss，可用来大致预估wireless one-way transmission的功率衰减值。但friis formula只考虑到free space的理想传输路径，uhf wireless sensor在实际环境下测量时，周遭的环境还会再多产生010db左右的衰减，系统规划时必须加以考虑。friis transmission formula可帮助计算出one-way wireless transmission range:c: speed of li

44、ghtf: frequency然而wireless saw sensor是属于利用接收到reader发送的rf能量后再转发回reader进行数据辨识，与radar system同属于two-way radio transmission system。考虑回程功率传输效益，即可推演出two-way transmission formula, radar equation:pr/t: received (or transmitted) rf signal powergr/t:receiver (or transmitter) effective antenna gainr: distance be

45、tween the transmitter and receiverl: wavelength:one-way transmission path lossil:saw resonator insertion loss若接收机端的detection circuit所要求的signal to noise ration, s/n为已知，pr设定为接收机的最低接收功率(sensitivity)，则f:接收机系统noise factort:antenna noise temperaturekt:standard input noise power density, t= 290k, kt= -174d

46、bm/hzb:noise bandwidth (约为中频滤波器频宽)s/n:required signal to noise ration for detection circuit最后radar equation可辅助计算出wireless sensor maximum transmission range:若系统规格限订了rmax, s/n, noise bandwidth b, wavelength，组件特性限制了antenna gain gr/t, saw resonator il，要满足radar equation的物理极限只剩调高发射功率pt以及尽力降低接收系统的noise fac

47、tor, f。然而noise factor顶多降至46db就算是非常严格的设计标准，电路成本也将大幅上扬。适度调高发射功率pt将成为不可避免的唯一选择。(2) gain budget analysis1. 当发射功率pt被适当选定后，发射端电路中的oscillator output power, driving amplifier gain and p1db, switch insertion loss, filter insertion loss将构成trade-off的参数组，进行transmitter gain budget的分析及评估。2. 系统规格限订了rmax and rmin,

48、detector snr and detection signal level, noise bandwidth b时，即可计算出接收机输入端的最小接收功率(sensitivity)及最大承受功率(ip1db)，同时估算出maximum and minimum receiver cascading gain，其比例值即为 receiver dynamic range，也是agc amplifier的gain tuning range。依据上述资料，lna power gain, mixer conversion loss, filter/switch insertion loss, agc a

49、mplifier gain将构成trade-off的参数组，进行receiver gain budget的分析及评估。(3) inter-modulation distortion analysis1. 当发射功率pt被适当选定后，发射端电路中的oscillator output power加上driving amplifier gain后，driving级的输出功率不得超过driving amplifier的op1db，避免两个输出载波产生inter-modulation distortion。2. 若接收机输入端最大承受功率(ip1db)决定之后，每一级的增益将决定每一级的输出功率大小。然

50、而每一级单独测出的op1db在串接后，必须进行inter-modulation distortion analysis，以评估出每一级输出端实际能够允许的op1db，且每一级的输出功率大小不得超过每一级输出端实际能够允许的op1db，避免两个输入载波产生inter-modulation distortion，破坏检测信号的准确度。(4) rf link budget估算结果图十为wireless saw sensor system的系统rf link budge规划图，各个rf组件的gain budget已列于图示中。藉此可计算出各级累计的gain, output power, output/

51、input p1db, noise figure。并订出receiver sensitivity、最大接收距离、最短接收距离等系统规格。transmitter的rf输出功率pt= -3dbm+15db-3db-4.5db = 4.5dbmreceiver noise bandwidth b= 2mhzreceiver noise figure limitation nf < 6dbdetector signal-to-noise ration requirement so/no = 10dbdetector signal level requirement so = 20dbm (3v,

52、 peak voltage, 50 ohm load)saw sensor insertion loss il=3dbpath loss20cm=-36dbm3m=-74dbm3v(20dbm)图2-1 rf link budge of wireless saw sensor system1. 最大接收距离及接收机灵敏度估测结果receiver sensitivity pr(min)= ktbf(s/n)=-174dbm/hz+63dbhz+6db+10db=-95dbmmaximum receiving range rmax= 23m (for ideal path loss, antenn

53、a gain =0db)maximum receiver gain gmax=so-pr =115db2. path loss measurement (antenna gain = 2db)距离 (m)计算pl (db)实际测量衰减量pl测量值 (db)环境变因(db)0.050.9383630.1-5.082240.2-12.3168-17-21-8.70.5-19.0616-20-24-51-25.0822-29-33-81.5-28.60412-31.1028-31-35-3.93-34.6247-36-40-5.4table 2-1 计算path loss和测量测试及使用环境会让uh

54、f频率信号的path loss增加近10db左右。3. 20cm最短接收距离估测结果 (antenna gain= 2db, pl=-21db)系统的最短接收距离定在20cm，并决定接收机所要承受之最大输入功率。pr(max)= pt+4*antenna gain+2*pl-il = -32.5dbmmaximum receiver gain gmin=so-pr =52.5dbdynamic range (dr)= gmax-gmin =62.5db 需dr>62.5db的agc (auto gain controlled) amplifier，电路成本颇高。4. 3m接收距离系统估测

55、结果 (antenna gain= 2db, pl= -40db)降低系统的sensor接收距离至3m，适度降低系统的dynamic range。pr(min)= pt+4*antenna gain+2*pl-il = -70.5dbmmaximum receiver gain gmax=so-pr =90.5dbdynamic range (dr)= gmax-gmin =37.5db系统将采用0-40db variable gain amplifier设计dr=40db的agc amplifier。5. receiver budget analysis (r= rmin =20cm, pi

56、n=-36.5dbm, gagc=0db)lna1lna2mixer1bpfdriveragcmixer2lpfopagain (db)1515-6-3150-26-150op1db (dbm)5710050nf (db)1.52.563332613gain (db)acc15302421363610959op1db (dbm)acc-15-3.01-9.98-12.980.250.09-25.93-26.9323.06pout (dbm)acc-21.5-6.5-12.5-15.5-0.5-0.5-26.5-27.522.5nf (db)accumulate1.51.581.581.61.621.621.911.982.31table 2-2 receiver budget analysis (r= rmin =20cm, pin=-36.5dbm