0 引言

    在許多電力設備中，由于安裝工藝及運行老化等原因，其電力線接點的接觸電阻變大，進而導致溫度升高，嚴重時會使接點熔斷，造成供電故障^[1-2]。為了避免這種安全隱患，需要設計開發一套溫度監測裝置。

    傳統溫度傳感器無法在高電壓、大電流等惡劣環境下進行連續不斷的溫度監測，而聲表面波溫度傳感器可以結合天線系統實現無線無源檢測，在上述惡劣環境下正常工作^[3-4]。Lee Keekeun^[5]和FACHBERGER R^[6]等人設計了延遲線型聲表面波溫度傳感器，一個中心頻率為440 MHz，另一個為2.4 GHz，后者可用于高溫環境的溫度檢測，但兩者最大有效檢測距離都不遠。凌明芳和祝運海^[7]對聲表面波諧振器型溫度傳感器的電路進行了設計，測試數據說明：聲表面波諧振型溫度傳感器具有頻率穩定性高、線性度好等優點，適合高精度溫度場合的測試。根據國內外研究現狀，可以總結出諧振型聲表面波溫度傳感器，具有可靠性好、靈敏度高等優點，相比較延遲線型，更適合無線檢測。

    平面倒F天線，即PIFA天線，具有不受金屬體影響、便于集成、有自己的參考平面等優點^[8-10]，作為系統發射天線，與讀寫器相連，負責發射激勵信號和接收反射信號。法向模螺旋因其尺寸小、輻射為全向輻射等特點而作為系統的接收天線，負責接收來自發射天線的信號，并傳遞給聲表面波溫度傳器。因此本系統發射天線為PIFA，接收天線為法向模螺旋天線。

1 系統整體設計

    SAW（Surface Acoustic Wave）溫度傳感器采用聲表面波技術，與傳統傳感器相比，它具有精度高、靈敏度高、易集成、功耗低等優點，最突出的是其可以在高電壓、大電流的惡劣環境中連續工作。

    SAW傳感器大致可以分為4種類型：有源延遲線型、有源諧振型、無源延遲線型和無源諧振型。本系統中使用的是無源諧振型SAW傳感器，相比較其他類型，具有無源、靈敏度高等優點，且更適合無線溫度檢測。系統的整體設計圖如圖1所示。

    工作原理：讀寫器產生一個激勵信號，PIFA天線接收并發射此激勵信號。法向模螺旋天線利用接收的信號驅動SAW溫度傳感器，其叉指換能器將接收到的電信號轉換為聲信號。當SAW傳感器的壓電基片上的溫度發生變化時，聲表面波的傳播速度就會改變，從而使SAW傳感器的諧振頻率發生變化。聲信號經過反射柵之后回到叉指換能器，叉指換能器將其轉換為電信號，通過法向模螺旋天線將帶有溫度信息的信號反饋給讀寫器。最后讀寫器通過比較兩個信號頻率的變化，結合頻率和溫度的關系，得到溫度值。

2 PIFA天線的設計

2.1 模型設計

    采用典型PIFA天線作為傳感器的信號接收及輻射單元，其基本結構如圖2所示。PIFA天線主要包括接地平面、輻射單元、短路金屬片和同軸饋線，L₁和W₁分別為輻射單元的長度和寬度，SW和H分別為短路金屬片的寬度和高度。

    (1)輻射單元的設計

    PIFA天線輻射單元的長度L₁與寬度W₁的和，與中心工作波長λ_c的關系為：

    本系統中天線的中心工作頻率為915 MHz，因此，λ_c的值約為327.87 mm。根據式(1)，則可得到L₁與W₁和的值。本設計最初模型中，L₁為55 mm，W₁為32 mm。

    (2)短路金屬片的設計

    短路金屬片的寬度SW對天線的諧振頻率和有效帶寬都有影響，本設計中最初模型SW的值為5 mm。

    (3)饋電點的設計

    本設計中，饋電方式采用同軸饋電。同軸線的圓心位置坐標為(X_f，Y_f，0)，內徑用r₁表示，外徑用r₂表示。其中X_f和Y_f的值分別取16 mm和5 mm，r₁和r₂的值分別為0.25 mm和0.59 mm。

    (4)接地平面的設計

    接地平面作為PIFA天線的參考平面，影響著諧振頻率、帶寬、增益等特性，其長度L_g和寬度W_g的和可以取0.5 λ_c。本設計中，λ_c為327.87 mm，所以L_g可取120 mm，W_g可取58 mm。

2.2 仿真結果分析

    通過仿真，得到回波損耗S₁₁的掃頻結果，可以得到PIFA天線的中心工作頻率(諧振頻率)為915 MHz，10 dB帶寬約為101 MHz(872.1 MHz~973.5 MHz)，大于80 MHz，滿足本設計的要求。

    圖3為PIFA天線在xz和yz截面上的增益方向圖。輻射表面是基于球坐標下定義的，因此=0°的平面為xz平面，圖中實線是xz截面上的增益方向圖；=90°的平面為yz平面，圖中虛線是yz截面上的增益方向圖。m1是增益最大點，位于輻射單元的正上方，增益為3.34 dB，m2的增益約為0.55 dB。

    PIFA天線的駐波比曲線如圖4，圖中m1點表示當PIFA天線工作在中心頻率915 MHz時，駐波比約為1.24，小于1.5，說明PIFA此時的工作狀態接近行波，傳輸特性比較理想，符合設計目標。

2.3 優化設計

    為了得到最優的天線結構尺寸，對天線的主要參數進行了仿真和優化。

    (1)天線高度對工作頻率和帶寬的影響

    天線高度用變量H表示，由圖5中的m1、m2、m3點可以看出H值為8 mm、10 mm、12 mm時，諧振頻率分別為940 MHz、915 MHz、883 MHz，同時對應的10 dB帶寬分別為44 MHz、101.4 MHz和105.4 MHz。則可得出結論：隨著H的增加，PIFA天線的工作頻率逐漸減小，帶寬逐漸變大。實際應用中，H的高度一般禁止低于6 mm，不高于12 mm，本設計中H選擇10 mm。

    (2)短路金屬片寬度對工作頻率和帶寬的影響

    用變量SW表示PIFA天線的短路金屬片的寬度。由圖6中的m1、m2、m3可以看出，當SW為7.2 mm、5.2 mm、3.2 mm時，對應的諧振頻率為901 MHz、915 MHz、928 MHz，且對應的10 dB帶寬分別為111.8 MHz、101.4 MHz和53.3 MHz。因此，在保持其他參數不變時，短路金屬片的寬度越小，PIFA天線的中心工作頻率越低，帶寬越窄。

    (3)接地平面的寬度對工作頻率和帶寬的影響

    用變量W_g表示PIFA天線接地平面的寬度，圖7為參數掃描分析結果，可以看出，隨著接地平面的寬度W_g的增大，PIFA天線的諧振頻率幾乎不變化，但是帶寬變化較顯著。即保持其他不變時，當W_g從48 mm變化到58 mm時，PIFA天線的帶寬逐漸減小。

    (4)PIFA天線的阻抗匹配

    阻抗匹配的方法有很多，可以調節天線結構或者尺寸，也可以增加匹配網絡。由于PIFA天線的饋電點的位置對輸入阻抗影響很大，所以通過改變饋電點的位置進行阻抗匹配。主要改變W₁的值，使同軸饋線的x軸圓心坐標X_f(X_f=W₁/2)發生改變，根據仿真結果，還需要微調同軸饋線的y軸圓心坐標Y_f和其他尺寸，才能達到預期目標。匹配后PIFA天線在中心工作頻率915 MHz時，輸入阻抗為(50-j 10)Ω，達到了設計要求。

3 法向模螺旋天線的設計

3.1 模型設計

    (1)參數計算：本系統的中心工作頻率f_c為915 MHz，中心工作波長λ_c的計算公式為：

    螺旋天線的特性由πD<λ決定，本設計中，πD<0.5 λ，因此為法向模螺旋天線。

    (2)邊界條件的設置：HFSS分析天線時，首先需要對輻射邊界進行設置，而且輻射表面和輻射體的距離必須大于四分之一工作波長。根據法向模螺旋天線的結構，創建一個長方體模型，其頂點坐標為(-90，-90，-90)，每個軸長均為180 mm，材質為air，命名為AirBox。長方體模型建好之后，需要將其表面設置為輻射邊界條件。

    (3)激勵端口的設置：HFSS中有許多激勵方式，由于本設計法向模天線的輸入端口在模型的內部，所以使用集總端口激勵 (Lumped Port)，端口阻抗設置為50 Ω。

    (4)求解設置：設置求解頻率為915 MHz，網格剖分的最大迭代次數取15，收斂誤差一般為0.02。掃頻范圍定為0.5 GHz~1.5 GHz，步長為0.01 GHz，方式為Linear Step。

3.2 仿真結果與分析

    根據以上參數計算和設置，建立HFSS模型，法向模螺旋天線主要由螺旋線圈、接地板和PCB板組成。在本設計中，螺旋線圈的圈數設置為9.5圈，螺距設置為2 mm；接地板的大小為27 mm×30 mm；激勵方式為集總端口激勵；PCB板體積為30 mm×30 mm×1 mm。

    仿真結果表明，法向模螺旋天線在中心工作頻率915 MHz時，電壓駐波比約為1.48，小于1.5，說明匹配較好，傳輸特性良好，達到了本設計的目標。

    法向模螺旋天線的xz面增益方向圖如圖9所示，此時，天線的最大輻射方向在與螺旋軸線垂直的平面內，在包含其軸線的任意一個平面內的方向圖為8字形。圖中m1點為最大增益點，可以看出本設計的最大增益約為1.39 dB，大于0，達到了螺旋天線的設計目標。

3.3 優化設計

    (1)螺距對工作頻率影響

    法向模螺旋天線的螺距用變量S表示，由圖10可以得出結論：保持其他尺寸不變，改變螺距S，法向螺旋天線的中心工作頻率會隨S的增加而改變，先增加后減小。因此在設計中，首先要找到拐點，在拐點之前，中心工作頻率要隨S的增加而增加，在拐點之后，中心工作頻率要隨S的增加而減小，然后再根據設計目標縮小范圍。

    (2)圈數對工作頻率的影響

    法向模螺旋天線的圈數用變量N表示，從圖11中可以看出，N值分別為7.5 mm、8.5 mm、9.5 mm、10.5 mm、11.5 mm時，對應的諧振頻率分別為1 054 MHz、978 MHz、915 MHz、858 MHz、796 MHz。由仿真結果可以看出：在保持其他尺寸不變的前提下，圈數N的增加會導致法向模螺旋天線的中心工作頻率逐漸減小。

    (3)法向模螺旋天線的匹配

    對于法向模螺旋天線，本設計中采用Smith v2.0軟件進行阻抗匹配，其本質是利用史密斯圓圖原理進行阻抗匹配。圖12為本設計采用Smith v2.0軟件對法向螺旋天線進行的匹配，設置頻率為915 MHz，輸入最初的阻抗為（11.628+j0.119） Ω，得到其在Smith圓圖的位置為點1，經過串聯一個電感，并聯一個電容，阻抗可達到50 Ω。在Smith圓圖中表現為：點1先順時針旋轉到點2，再順時針旋轉到點3，完成匹配。在實物制作時，電感和電容的值還需要根據實際情況進行調整。

4 結論

    本文主要設計了無源無線SAW溫度傳感器測溫系統中的發射和接收兩款天線。根據發射天線和接收天線分工的不同，結合應用場景，選擇讀寫器天線設計為PIFA天線，傳感器天線設計為法向模螺旋天線。通過建立模型及優化設計和匹配設計，最終達到了設計目標。仿真結果表明，兩款天線的諧振頻率均為915 MHz，駐波比均小于1.5，輸入阻抗均達到50 Ω左右，實現了匹配，PIFA天線的最大增益為3.34 dB，法向模螺旋天線的增益為1.39 dB，符合設計中的參數要求。

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