SAW微压力传感器及其双频微带天线设计

许浩源, 李媛媛, 马连杰

(上海工程技术大学 电子电气工程学院,上海 201620)

0 引 言

传感器的广泛应用已经深入到生活和工作中。在某些特殊情况下无源无线传感器的使用就成为最佳的选择[1]。Zhai J X等人已经研究了两种类型的声表面波(surface acoustic wave,SAW)器件的叉指式换能器(interdigital transducer,IDT)结构[2]。主要对SAW的IDT做了优化设计,使其能够产生更大的激励和更好的性能。LAMSALLI M等人提出了一种基于分形几何的天线小型化设计方法[3,4]，在天线的小型化方面做了深入的探索,但在对SAW微压力传感器的低频工作频率的匹配方面未做深入的考虑。

本文首先对SAW微压力传感器的IDT进行了设计,然后采用加载容性负载和加载短路探针的方法对微带天线进行小型化。天线设计为双频微带天线,且保证有一个频段工作在低频段，另一个频段工作在中频带。经过小型化天线的尺寸为30 mm×30 mm,小型化率达到77 %。一个频段在810 MHz,另一个频段在2.16 GHz,满足了设计要求。同时对所设计天线的回波损耗,增益进行了仿真分析。

1 SAW压力传感器

如图1所示,SAW微压力传感器主要由基片和IDT组成。其工作原理为:电信号通过叉指转换成声波信号,在基片上传播后又转换为电信号。其中,在SAW研究的过程中,IDT设计的优劣,是SAW传感器性能好坏的关键[5]。

图1 SAW压力传感器原理

1.1 IDT模型

IDT是激发和接收SAW的一种声—电转换器件。通过建立δ函数模型对IDT进行独立分析,然后使用COMSOL软件对IDT进行有限元分析。

叉指在中xi处的声源分布为

(1)

式中ai为叉指宽度；Ii为第i根叉指声源强度。

因此,IDT所对应的声源分布为

(2)

设IDT的指条的个数为n,则IDT的频响表达式为

(3)

在上式中,Ii(i=1,2,…,n-1)与叉指电极的极性相对应,交替取正负相同的值。以上公式可以看出,δ函数建模的可行性[6]。

如图1所示,a，p分别为叉指电极的指宽、指间距；h为叉指厚度。根据声波频率与指间距关系公式

f0=vs/2p

(4)

式中vs为SAW波速；f0为IDT的中心频率[7]。

1.2 IDT仿真

使用COMSOL软件对SAW的IDT进行有限元仿真。本文选用LiNbO3作为SAW介质基片,叉指电极选用铝电极。为保证叉指激励的声波最大,将金属极化率(η=a/p)设定为0.5。由于叉指的总激励是多对叉指激励的叠加,因此,本文只对一对叉指进行仿真。

如图2所示,在COMSOL中建立该模型,并进行仿真。

图2 单对叉指仿真模型

由式(4)可以计算出810 MHz时叉指的指间距,将叉指的金属极化率固定为0.5,可计算出指宽的尺寸,计算后的具体尺寸如表1 所示。IDT表面总位移如图3所示。

表1 特征频率为810 MHz叉指参数 μm

图3 IDT表面总位移

2 SAW微带天线

2.1 总体结构

如图4所示,微带天线主要由导体接地板、介质基片、导体薄片叠加而成。微带线和同轴线馈电是最常见的馈电方式,使得导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场,并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射[8]。

图4 微带贴片天线俯视图

2.2 贴片天线的传输线模型

微带天线可看作是一段微带传输线,因此,对微带贴片得分析可以建立传输线模型。微带天线剖面低,这就保证了微带贴片天线易于共形的特点。

先分析x=0处缝隙的辐射。缝隙上等效面磁流密度

(5)

(6)

其中,Fθ=Fxcosθsinφ+Fysinφcosθ-Fzsinθ,

Fφ=Fxsinφ+Fycosφ

下面求x=0与x=b处缝隙共同产生的总辐射场E。由于等效面磁流等幅同向,其合成场就是由上式乘一个二元阵因子,即得归一化方向函数

(7)

以上公式推导证明了在x-z平面,x-y平面的电场与磁场的辐射特性,为天线的设计完成后的辐射特性的验证提供了有效的参考价值。

根据天线设计需要,天线基片厚度h≪λ。将天线等效为一段a×b的一段微带传输线。这种分析方法可以大大简化运算量,本文方法主要用于微带贴片天线的分析。不能用于圆柱等共形天线的分析[9]。

2.3 优化设计过程

本文将针对工作频率为810 MHz的SAW传感器进行设计,设计目标为小型双频微带天线,使其中一个通带的工作频率在810 MHz,尺寸不大于30 mm×30 mm,厚度不大于1 mm。且在每个通带内的带宽大于5 MHz。由于SAW传感器尺寸较小,为适应SAW微压力传感器的尺寸,要在保证天线增益、回波损耗、方向性的同时,实现天线的小型化

(8)

(9)

(10)

其中

式中c为光速,f为中心频率,εe为有效介电常数。

该天线设计采用厚度h=1 mm的Rogers Ro3010的介质基片。介电常数εr=10.2。由式(8)、式(9)可以计算天线辐射贴片的宽度和长度,以及有效介电常数和等效缝隙宽度。在低频范围内,天线的尺寸已经远远大于预期效果,这里将继续进行优化。

本文首先采用加载短路探针的方法实现天线的小型化。根据微波理论,在零电位加载短路结构,可以形成加载结构处到辐射边之间的驻波结构。本设计采用微带线馈电,短路探针穿过基片连接辐射贴片与接地板形成短路,探针位置与数量如图5所示。本设计使用三个半径r=0.5 mm的短路探针来减小天线的尺寸,各探针间的距离d=1 mm,如图5所示。加载探针后的天线尺寸达到54 mm×38 mm,仍然不满足设计要求,需要进一步优化。

图5 微带天线尺寸示意

其次,本文导体面上的感应电流的流淌途径的方法深入研究,使用在贴片开槽的方法来达到降低谐振频率以及实现双频的目的。在贴片表面开槽的方法切断了原电流的传播路径,使得电流沿着所开槽的边缘流动[10]。这就大大增加了天线贴片上的电流的流通路径,提高了天线的等效长度,进而降低了谐振频率。本设计的开缝结果如图5所示,缝隙宽度W3=1 mm,长度L3=14 mm,L4=8.5 mm。通过所加载短路探针和开槽的方法,最终天线的尺寸缩减到30 mm×30 mm。

依照以上所述,本文设计借助加载短路探针和开槽的方法,设计出了双频天线,其通带分别为810 MHz和2.16 GHz。在天线在保证双频通带,低频的条件下,最小尺寸在30 mm×30 mm,天线尺寸降低了80 %以上,满足设计尺寸的要求。

2.4 有限元仿真

本文采用HFSS软件进行有限元仿真。依照以上给出的尺寸进行有限元分析,在810 MHz与2.16 GHz形成了两个通带,满足设计要求。仿真结果如图6所示。

图6 双频带S11仿真结果

由图6可知,在810 MHz时,其回波损耗达到18 dB,带宽为102 MHz。该天线在此频段内的增益为-11.44 dB。在2.16 GHz时,其回波损耗达到19 dB,带宽为180 MHz。该天线在此频段内的增益为-6.32 dB。

通过S11仿真结果可以看出,在810 MHz与2.16 GHz这两个频段内,该天线的中心频率、回波损耗和带宽都达到了设计的要求。然而,由于天线尺寸的小型化和偏置侧馈,使得天线的增益、方向性有一定的损失。因此,必须增加一种方法来增加天线的增益、调整天线的方向性。

近年来,对于零折射率超材料的研究,以材料的有效介电常数和磁导率的零值为分界线。该材料对于入射到其表面的电磁波束具有良好的汇聚作用[11]。下面将使用该方法来提高天线的增益,调整天线的方向性,使该天线在各参数之间达到良好的平衡。在微带天线上方加零折射率超材,多加一层介质板,利用引向作用提高增益,并且调整该天线的方向性。

经过增加零折射率超材的方法后,与未增加零折射率材料相比,其增益得到提高,方向性得以改善。天线的增益达到-1.98 dB,方向性调整较为良好,仿真结果如图7所示。

图7 仿真结果

3 结束语

本文针对SAW无源无线传感器在复杂情况下的测量,对SAW压力传感器的IDT的尺寸进行设计,使之能够与微带天线进行匹配,并且使用COMSOL软件进行仿真。同时,设计了一种小型双频微带天线,其中有一个频率工作在810 MHz,这就满足了SAW微压力传感器的工作在低频段的要求,另一个频率工作在2.16 GHz,使得天线的应用范围更广。天线实现小型化后,本文又采用增加零折射率超材的方法来增加天线的增益以及调整其方向性,最终天线的增益为-1.98 dB,最小尺寸为30 mm×30 mm,厚度仅为1 mm,设计在小型化、双频特性以及方向性等方面取得了良好的权衡,满足了信号在SAW传感器无线传输系统中传输的要求。基于微带天线易于共形,可印刷生产的特点,本文天线在与SAW器件的集成等方面具有良好的应用前景。