用于金属狭缝中作用力监测的SAW信号传输天线研究

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在许多作用力传感器应用的特殊场合比如高温、高压或非常狭窄的极端环境中,传感器与信号处理单元之间无法直接通过有线连接进行信号传输,必须通过无线的方式实现通信。SAW无源传感器有着良好的声电相互转换和高效储能特性并且体积较小,可以满足金属狭缝间作用力的测量需求。天线作为SAW信号传输的入口和出口直接决定了传输性能的好坏,在金属环境背景下实现SAW信号的无源无线传输,对狭缝中的作用力进行测量,有着重要实际应用意义。本文围绕课题应用的金属环境背景,针对SAW信号的无线传输展开研究。具体工作内容如下:首先对SAW信号传输系统的工作链路进行了分析,得到了天线在传输系统中能够实现正常工作的最小增益为0.72dBi;接着分析了各类电小天线的适用特点,结合应用系统中抗金属、低剖面的要求,选择微带天线作为天线小型化的形式。针对SAW传感器信号的传输,分别研究了高介电常数、短路加载技术、曲流开槽技术对微带天线小型化性能的影响,确定了加载一根短路探针且在辐射贴片表面开S型槽的微带天线小型化方案,选择微带线馈电的方式并设计了馈线,提出了工作在990MHz下的倒F形微带天线结构模型,在理论分析的基础上对短路加载、曲流开槽的结构参数分别进行了仿真研究,验证了结论并通过仿真分析优化了天线尺寸。研究了接地板尺寸的变化对天线辐射性能影响,将天线的接地板与金属狭缝外的金属部分集成,通过改变辐射贴片的开槽长度,以适应不同应用环境金属尺寸,解决因天线接地板尺寸减小使天线性能恶化的问题。设计的微带天线小型化后的尺寸为45mm*45mm*7mm,比常规尺寸缩减了70%且增益可以达到1.4dBi。本文最后搭建了模拟SAW传感器应用环境的无线测试系统,将设计制作的倒F形小型化微带天线应用在系统中进行测试,天线能够实现实时传输信号;并对SAW传感器进行作用力加、卸载实验,编写MATLAB程序对传输信号的结果进行分析。
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