无线无源延迟线型SAW 传感器查询信号研究

李天利，徐 刚，房立存

深圳大学机电与控制工程学院，深圳518060

声表面波(surface acoustic wave，SAW)传感器具有无线无源、质量轻、体积小、可靠性好和精确度高等优势，近年被广泛用于复杂环境的压力、温度和气体成分等物理量的无线检测［1-7］. 轮胎压力监测系统的无源方案也多采用无源SAW 传感器作为当前有源轮胎压力监测系统的替代［8-10］.

SAW 传感器通过接收射频(radio frequency，RF)脉冲查询信号，利用信号中所携带的能量进行工作，查询信号的特性决定传感器能否正常稳定工作，目前尚无该方面深入研究报道. 本研究结合一种用于轮胎压力监测系统(tire pressure monitoring system，TPMS)测量温度和压力的延迟线型SAW 传感器［10］，通过深入分析其所接收RF 脉冲查询信号脉宽变化，对RF 脉冲回波信号特性的影响，阐述SAW 传感器的基本原理和结构，结合理论分析给出RF 脉冲查询信号的选取方法，运用实测数据验证查询脉冲宽度变化对SAW 传感器RF 脉冲回波信号的影响.

1 SAW 传感器原理及结构

SAW 传感器无线访问系统的工作原理如图1，该系统由RF 信号收发器和SAW 传感器两大部分组成，其间通过天线收发信号. 首先，在特定频率下，RF 信号收发器产生并发送RF 脉冲查询信号;由SAW 传感器接收，通过叉指换能器(inter-digital transducer，IDT)将信号转化为在压电基底上表面传输的SAW，部分SAW 会被放置在传播路径上的反射器反射，反射回的SAW 通过IDT 转化为电信号，并由天线发出;最后，RF 信号收发器对传感器返回的RF 脉冲回波信号进行接收并分析，得出相应测量结果.

图1 SAW 传感器无线访问系统工作原理Fig.1 Principle of a wireless SAW sensor interrogate system

图2 为SAW 温度和压力传感器的封装结构［10］.传感器敏感元件的一端与封装壳体黏结在一起，另一端悬空形成悬臂梁结构. 敏感元件处于具有恒定参考压力的密封腔体内部，外界压力的变化会使传感器内外产生压力差，因此压力感应膜片会产生弹性形变，从而将外界压力变化线性转换为弹性膜片中心位移的变化，并作用在悬臂梁末端，使悬臂梁跟随膜片感受不同压力产生的形变，外部温度变化直接作用在整个敏感元件上.

2 SAW 传感器RF 脉冲信号分析

图2 无源SAW 温度压力传感器封装［10］Fig.2 Photograph of the passive SAW sensor［10］

在延迟线型SAW 传感器中，只要测量RF 脉冲查询信号与RF 脉冲回波信号之间的相位差，即可通过换算得到传感器上不同反射器反射回的SAW延迟时间，延迟时间的改变对应传感器所检测温度和压力参数的变化. 由于SAW 传感器是无源的，且传感器接收的信号经传输过程后会产生几十dB的能量衰减，因此传感器返回的RF 脉冲回波信号强度极为有限. 信号相位差的准确检测，则需要RF 脉冲回波信号具有足够的信号强度及稳定可供测量相位的时间宽度，SAW 传感器的查询脉冲宽度变化对RF 脉冲回波信号的影响十分显著. 查询脉冲宽度过窄会导致RF 脉冲回波信号强度不够，不易被收发器检测;查询脉冲宽度过宽会导致传感器内不同反射器反射回的RF 脉冲回波信号之间发生重叠，产生相互干扰，检测不到需要的相位.

查询脉冲宽度Tg是SAW 传感器设计中的一个重要参数，受到传感器多个设计参数的综合影响.由于SAW 传感器中每个反射器反射回的RF 脉冲回波信号是反射器中多对反射指条的反射回波差拍叠加，所以RF 脉冲回波信号的回波脉冲宽度一定大于Tg. 由文献［11］可知，传感器接收的RF 脉冲查询信号经IDT 和反射器两次转换，得到如图3 的反射器返回SAW 信号，信号由5 部分组成，有3 个区间，即上升过渡区TH和TRi、饱和区T'S以及下降过渡区TRi和TH. 信号幅值在两端的过渡区是变化的，在饱和区内是恒定的. 过渡区TH是由IDT造成的信号宽度增加，过渡区TRi是由第i 个反射器造成的信号宽度增加. 回波脉冲宽度与IDT 的指对数、反射器的电极对数及查询脉冲宽度的关系为

其中，n 为IDT 的指对数;a 为IDT 指宽和指间隔;mi为第i 个反射器的指对数;b 为反射器的指宽和指间隔;λ 为SAW 的波长;TB为SAW 的周期.

图3 反射器返回的SAW 信号幅值Fig.3 SAW signal amplitude reflected by the reflector

式(3)中信号需经IDT 的1 次转换才能转化成RF 脉冲回波信号，并被RF 信号收发器接收，因此，总回波脉冲宽度Tgi为

文献［11］只讨论不同反射器反射回的RF 脉冲回波信号之间绝对不重叠的情况，即在理想状态下查询脉冲宽度应如何选择，而未考虑实际测量需求及RF 脉冲查询信号和回波信号之间的限定条件，下面将探讨出现这些可能情况所造成的影响.

理论上，回波脉冲宽度下限应大于过渡区宽度，否则，无法获得稳定的信号饱和区域，即Tgi应大于上升过渡区和下降过渡区之和，

由式(4)和(5)可得查询脉冲宽度Tg应满足

第i 个反射器反射回的RF 脉冲回波信号的延迟时间ti为

其中，l 为空间天线的距离;Ve为电磁信号在空气中的传播速度;di为第i 个反射器与IDT 的距离，定义i 越小反射器距离IDT 越近;VSAW为SAW 在压电基底上表面的传输速度.

回波脉冲宽度上限应小于相邻两个反射器反射回的两个RF 脉冲回波信号的时间差，否则，相互间会出现信号重叠，因此

由式(4)和式(8)可得查询脉冲宽度Tg满足

在RF 脉冲回波信号的实际测量中，需要对下变频到中频的信号进行正交相位变换，然后对变换后的数据进行实时高速数字采样. 若A/D 采样频率为fAD，同时为保证数据的准确度需要，设每次需连续采集p 个点的有效数据，因此需要RF 脉冲回波信号的数据饱和区最小时间宽度

若满足式(10)条件，即可保证能采集到足够多的有效数据进行分析处理. 由式(6)和式(10)可得查询脉冲宽度Tg下限满足

RF 脉冲回波信号的数据饱和区越长，越有利于选取需采集的有效数据区间，因此应尽可能扩大数据饱和区的长度. 在式(9)中，计算查询脉冲宽度最大值时仅考虑了两个不同反射器反射回的RF脉冲回波信号严格不能重叠的情况，在实际数据分析中只关心在饱和区内的有用信号，仅需保证在饱和区内不同反射器反射回的信号不存在相互干扰，对RF 脉冲回波信号的上升过渡区和下降过渡区，信号重叠并不影响有效数据的采集，因此在计算最大查询脉冲宽度时，允许两个相邻反射器反射信号的下降过渡区和上升过渡区重合，这样在不影响信号准确采集的同时，还能提升RF 脉冲查询信号的最大允许宽度，信号重合限度为

由式(9)和式(12)可得，在相同SAW 传感器结构设计尺寸下，可允许的更大查询脉冲宽度为

在确定查询脉冲宽度时，还应考虑IDT 与反射器之间距离的影响，距离IDT 最近的反射器反射回的RF 脉冲回波信号在时序上不能和RF 脉冲查询信号重合，若重合将导致RF 信号收发器不能正确接收并分析信号，因此给出判别公式

上述RF 脉冲查询信号的查询脉冲宽度，同时受限于IDT 和反射器尺寸、相邻反射器之间距离、IDT 和最近反射器之间距离以及信号采集需求，要同时满足式(11)、式(13)和式(14)才可满足延迟线型SAW 传感器实际测量要求.

3 SAW 传感器查询信号实测结果分析

无源SAW 温度压力传感器的压电基底材料为Y-Z 切铌酸锂，SAW 在Y-Z 切铌酸锂上表面的传输速度为3 488 m/s，传感器上的IDT 由50 对电极组成，每个反射器由100 个栅条组成，所有IDT 和反射器的指条等间距分布，IDT 和反射器的指条宽度与间隔均为2 μm，IDT 和3 个反射器的中心距分别为2 400、4 800 和7 200 μm. 传感器工作的中心频率为429.2 MHz，实时高速数字A/D 采样频率为100 MHz，每次需连续采集5 个点的有效数据. 根据式(11)、式(13)和式(14)给出的查询脉冲宽度选取算法，可得查询脉冲宽度在0.40 ～1.38 μs，才能保证传感器信号可以正确检测. 当频率为429.2 MHz，SAW 传感器在不同查询脉冲宽度作用下，RF 脉冲回波信号实测结果如图4. 其中，查询脉冲宽度分别为0.2、0.6、0.8、1.2 和1.6 μs.在不同查询脉冲宽度的作用下，SAW 传感器3 个反射器反射回的RF 脉冲回波信号的包络有明显变化.

由图4 (a)可知，当查询脉冲宽度小于最小需求宽度时，从信号幅值可见，信号尚未达到稳定状态，未形成饱和区，数据采集无法在数据饱和区完成;而当查询脉冲宽度大于最大允许宽度时，由于每个反射器反射回来的RF 脉冲回波信号过宽，导致信号间发生严重重叠，相互之间造成干扰，不能在数据饱和区正常采集到准确数据，如图4 (e);当查询脉冲宽度适中时，RF 脉冲回波信号基本完整，由两端过渡区和中间饱和区组成，如图4 (b)～图4 (d). 尽管图4 (d)中RF 脉冲回波信号在过渡区有一定重合，但重合区域只在信号上升区或下降区，不影响在饱和区数据采集的准确度，同时可以提高饱和区的宽度，有利于获取更多有用数据.

图4 RF 脉冲查询信号脉冲宽度变化对RF 脉冲回波信号包络的影响Fig.4 Echo signal affected by the change of Tg

综上讨论可知，在进行SAW 传感器结构设计时，IDT 和反射器的尺寸、相邻反射器之间距离、IDT 和最近反射器之间距离以及信号采集的需求直接影响查询脉冲宽度选取，因此设计时要综合考虑各方因素，才能获得满意的测量结果.

要获取RF 脉冲回波信号相位的变化，首先需对返回信号下变频，然后对中频信号采样进行正交相位变换，对得到I/Q 数据进行采样换算后得到.图5 给出在相同测试条件下，无源SAW 温度压力传感器在查询脉冲宽度为0.2 和1.2 μs 时，传感器RF 脉冲回波信号的I/Q 值采样数据. 通过所得I/Q值可计算出反射器所返回信号的相位信息. 可见，在查询脉冲宽度为0.2 μs 时，不能测得稳定I/Q 采样数据. 而在查询脉冲宽度为1.2 μs 时，可测得稳定I/Q 采样数据，所得实测结果和图4 分析吻合，即只有满足式(11)、式(13)和式(14)约束下的RF脉冲回波信号脉冲宽度，才可实现相位的准确测量. 关于相位的测量结果及分析详见文献［10］.

图5 具有3 个反射器的SAW 传感器回波信号I/Q 值Fig.5 I/Q echo signal for SAW sensor having three reflectors

结 语

本研究通过对SAW 器件传输特性的理论和实测数据分析，讨论了延迟线型SAW 温度压力传感器RF 脉冲查询信号的查询脉冲宽度选取方法. 结合前期理论分析［9-10］对查询脉冲宽度选取原则作进一步深入研究，给出选取方法，并通过实验验证该理论分析方法的合理性. 该研究有助SAW 结构设计及理论分析借鉴.

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