0 引言

    在许多电力设备中，由于安装工艺及运行老化等原因，其电力线接点的接触电阻变大，进而导致温度升高，严重时会使接点熔断，造成供电故障^[1-2]。为了避免这种安全隐患，需要设计开发一套温度监测装置。

    传统温度传感器无法在高电压、大电流等恶劣环境下进行连续不断的温度监测，而声表面波温度传感器可以结合天线系统实现无线无源检测，在上述恶劣环境下正常工作^[3-4]。Lee Keekeun^[5]和FACHBERGER R^[6]等人设计了延迟线型声表面波温度传感器，一个中心频率为440 MHz，另一个为2.4 GHz，后者可用于高温环境的温度检测，但两者最大有效检测距离都不远。凌明芳和祝运海^[7]对声表面波谐振器型温度传感器的电路进行了设计，测试数据说明：声表面波谐振型温度传感器具有频率稳定性高、线性度好等优点，适合高精度温度场合的测试。根据国内外研究现状，可以总结出谐振型声表面波温度传感器，具有可靠性好、灵敏度高等优点，相比较延迟线型，更适合无线检测。

    平面倒F天线，即PIFA天线，具有不受金属体影响、便于集成、有自己的参考平面等优点^[8-10]，作为系统发射天线，与读写器相连，负责发射激励信号和接收反射信号。法向模螺旋因其尺寸小、辐射为全向辐射等特点而作为系统的接收天线，负责接收来自发射天线的信号，并传递给声表面波温度传器。因此本系统发射天线为PIFA，接收天线为法向模螺旋天线。

1 系统整体设计

    SAW（Surface Acoustic Wave）温度传感器采用声表面波技术，与传统传感器相比，它具有精度高、灵敏度高、易集成、功耗低等优点，最突出的是其可以在高电压、大电流的恶劣环境中连续工作。

    SAW传感器大致可以分为4种类型：有源延迟线型、有源谐振型、无源延迟线型和无源谐振型。本系统中使用的是无源谐振型SAW传感器，相比较其他类型，具有无源、灵敏度高等优点，且更适合无线温度检测。系统的整体设计图如图1所示。

    工作原理：读写器产生一个激励信号，PIFA天线接收并发射此激励信号。法向模螺旋天线利用接收的信号驱动SAW温度传感器，其叉指换能器将接收到的电信号转换为声信号。当SAW传感器的压电基片上的温度发生变化时，声表面波的传播速度就会改变，从而使SAW传感器的谐振频率发生变化。声信号经过反射栅之后回到叉指换能器，叉指换能器将其转换为电信号，通过法向模螺旋天线将带有温度信息的信号反馈给读写器。最后读写器通过比较两个信号频率的变化，结合频率和温度的关系，得到温度值。

2 PIFA天线的设计

2.1 模型设计

    采用典型PIFA天线作为传感器的信号接收及辐射单元，其基本结构如图2所示。PIFA天线主要包括接地平面、辐射单元、短路金属片和同轴馈线，L₁和W₁分别为辐射单元的长度和宽度，SW和H分别为短路金属片的宽度和高度。

    (1)辐射单元的设计

    PIFA天线辐射单元的长度L₁与宽度W₁的和，与中心工作波长λ_c的关系为：

    本系统中天线的中心工作频率为915 MHz，因此，λ_c的值约为327.87 mm。根据式(1)，则可得到L₁与W₁和的值。本设计最初模型中，L₁为55 mm，W₁为32 mm。

    (2)短路金属片的设计

    短路金属片的宽度SW对天线的谐振频率和有效带宽都有影响，本设计中最初模型SW的值为5 mm。

    (3)馈电点的设计

    本设计中，馈电方式采用同轴馈电。同轴线的圆心位置坐标为(X_f，Y_f，0)，内径用r₁表示，外径用r₂表示。其中X_f和Y_f的值分别取16 mm和5 mm，r₁和r₂的值分别为0.25 mm和0.59 mm。

    (4)接地平面的设计

    接地平面作为PIFA天线的参考平面，影响着谐振频率、带宽、增益等特性，其长度L_g和宽度W_g的和可以取0.5 λ_c。本设计中，λ_c为327.87 mm，所以L_g可取120 mm，W_g可取58 mm。

2.2 仿真结果分析

    通过仿真，得到回波损耗S₁₁的扫频结果，可以得到PIFA天线的中心工作频率(谐振频率)为915 MHz，10 dB带宽约为101 MHz(872.1 MHz~973.5 MHz)，大于80 MHz，满足本设计的要求。

    图3为PIFA天线在xz和yz截面上的增益方向图。辐射表面是基于球坐标下定义的，因此=0°的平面为xz平面，图中实线是xz截面上的增益方向图；=90°的平面为yz平面，图中虚线是yz截面上的增益方向图。m1是增益最大点，位于辐射单元的正上方，增益为3.34 dB，m2的增益约为0.55 dB。

    PIFA天线的驻波比曲线如图4，图中m1点表示当PIFA天线工作在中心频率915 MHz时，驻波比约为1.24，小于1.5，说明PIFA此时的工作状态接近行波，传输特性比较理想，符合设计目标。

2.3 优化设计

    为了得到最优的天线结构尺寸，对天线的主要参数进行了仿真和优化。

    (1)天线高度对工作频率和带宽的影响

    天线高度用变量H表示，由图5中的m1、m2、m3点可以看出H值为8 mm、10 mm、12 mm时，谐振频率分别为940 MHz、915 MHz、883 MHz，同时对应的10 dB带宽分别为44 MHz、101.4 MHz和105.4 MHz。则可得出结论：随着H的增加，PIFA天线的工作频率逐渐减小，带宽逐渐变大。实际应用中，H的高度一般禁止低于6 mm，不高于12 mm，本设计中H选择10 mm。

    (2)短路金属片宽度对工作频率和带宽的影响

    用变量SW表示PIFA天线的短路金属片的宽度。由图6中的m1、m2、m3可以看出，当SW为7.2 mm、5.2 mm、3.2 mm时，对应的谐振频率为901 MHz、915 MHz、928 MHz，且对应的10 dB带宽分别为111.8 MHz、101.4 MHz和53.3 MHz。因此，在保持其他参数不变时，短路金属片的宽度越小，PIFA天线的中心工作频率越低，带宽越窄。

    (3)接地平面的宽度对工作频率和带宽的影响

    用变量W_g表示PIFA天线接地平面的宽度，图7为参数扫描分析结果，可以看出，随着接地平面的宽度W_g的增大，PIFA天线的谐振频率几乎不变化，但是带宽变化较显著。即保持其他不变时，当W_g从48 mm变化到58 mm时，PIFA天线的带宽逐渐减小。

    (4)PIFA天线的阻抗匹配

    阻抗匹配的方法有很多，可以调节天线结构或者尺寸，也可以增加匹配网络。由于PIFA天线的馈电点的位置对输入阻抗影响很大，所以通过改变馈电点的位置进行阻抗匹配。主要改变W₁的值，使同轴馈线的x轴圆心坐标X_f(X_f=W₁/2)发生改变，根据仿真结果，还需要微调同轴馈线的y轴圆心坐标Y_f和其他尺寸，才能达到预期目标。匹配后PIFA天线在中心工作频率915 MHz时，输入阻抗为(50-j 10)Ω，达到了设计要求。

3 法向模螺旋天线的设计

3.1 模型设计

    (1)参数计算：本系统的中心工作频率f_c为915 MHz，中心工作波长λ_c的计算公式为：

    螺旋天线的特性由πD<λ决定，本设计中，πD<0.5 λ，因此为法向模螺旋天线。

    (2)边界条件的设置：HFSS分析天线时，首先需要对辐射边界进行设置，而且辐射表面和辐射体的距离必须大于四分之一工作波长。根据法向模螺旋天线的结构，创建一个长方体模型，其顶点坐标为(-90，-90，-90)，每个轴长均为180 mm，材质为air，命名为AirBox。长方体模型建好之后，需要将其表面设置为辐射边界条件。

    (3)激励端口的设置：HFSS中有许多激励方式，由于本设计法向模天线的输入端口在模型的内部，所以使用集总端口激励 (Lumped Port)，端口阻抗设置为50 Ω。

    (4)求解设置：设置求解频率为915 MHz，网格剖分的最大迭代次数取15，收敛误差一般为0.02。扫频范围定为0.5 GHz~1.5 GHz，步长为0.01 GHz，方式为Linear Step。

3.2 仿真结果与分析

    根据以上参数计算和设置，建立HFSS模型，法向模螺旋天线主要由螺旋线圈、接地板和PCB板组成。在本设计中，螺旋线圈的圈数设置为9.5圈，螺距设置为2 mm；接地板的大小为27 mm×30 mm；激励方式为集总端口激励；PCB板体积为30 mm×30 mm×1 mm。

    仿真结果表明，法向模螺旋天线在中心工作频率915 MHz时，电压驻波比约为1.48，小于1.5，说明匹配较好，传输特性良好，达到了本设计的目标。

    法向模螺旋天线的xz面增益方向图如图9所示，此时，天线的最大辐射方向在与螺旋轴线垂直的平面内，在包含其轴线的任意一个平面内的方向图为8字形。图中m1点为最大增益点，可以看出本设计的最大增益约为1.39 dB，大于0，达到了螺旋天线的设计目标。

3.3 优化设计

    (1)螺距对工作频率影响

    法向模螺旋天线的螺距用变量S表示，由图10可以得出结论：保持其他尺寸不变，改变螺距S，法向螺旋天线的中心工作频率会随S的增加而改变，先增加后减小。因此在设计中，首先要找到拐点，在拐点之前，中心工作频率要随S的增加而增加，在拐点之后，中心工作频率要随S的增加而减小，然后再根据设计目标缩小范围。

    (2)圈数对工作频率的影响

    法向模螺旋天线的圈数用变量N表示，从图11中可以看出，N值分别为7.5 mm、8.5 mm、9.5 mm、10.5 mm、11.5 mm时，对应的谐振频率分别为1 054 MHz、978 MHz、915 MHz、858 MHz、796 MHz。由仿真结果可以看出：在保持其他尺寸不变的前提下，圈数N的增加会导致法向模螺旋天线的中心工作频率逐渐减小。

    (3)法向模螺旋天线的匹配

    对于法向模螺旋天线，本设计中采用Smith v2.0软件进行阻抗匹配，其本质是利用史密斯圆图原理进行阻抗匹配。图12为本设计采用Smith v2.0软件对法向螺旋天线进行的匹配，设置频率为915 MHz，输入最初的阻抗为（11.628+j0.119） Ω，得到其在Smith圆图的位置为点1，经过串联一个电感，并联一个电容，阻抗可达到50 Ω。在Smith圆图中表现为：点1先顺时针旋转到点2，再顺时针旋转到点3，完成匹配。在实物制作时，电感和电容的值还需要根据实际情况进行调整。

4 结论

    本文主要设计了无源无线SAW温度传感器测温系统中的发射和接收两款天线。根据发射天线和接收天线分工的不同，结合应用场景，选择读写器天线设计为PIFA天线，传感器天线设计为法向模螺旋天线。通过建立模型及优化设计和匹配设计，最终达到了设计目标。仿真结果表明，两款天线的谐振频率均为915 MHz，驻波比均小于1.5，输入阻抗均达到50 Ω左右，实现了匹配，PIFA天线的最大增益为3.34 dB，法向模螺旋天线的增益为1.39 dB，符合设计中的参数要求。

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