基于六端口的聲表面波諧振器查詢系統研究

何 紅, 趙 佐

(1．西安航空學院 電子工程學院，陜西 西安 710077；2. 西北工業大學 計算機學院，陜西 西安 710072)

0 引言

聲表面波(SAW)傳感器[1]在當前工業和自動化測量系統中發揮著重要作用。其常被用于在惡劣環境中對各種物理量(如溫度、壓力、張力和扭矩)進行遙感探測[2]。反射延遲線SAW傳感器需寬帶射頻(RF)查詢脈沖，而諧振式SAW傳感器是利用窄帶RF脈沖進行快速查詢[3]，可準確地檢測溫度或壓力等物理量的變化。

迄今為止，研究人員已提出各種不同的諧振式SAW傳感器查詢方法[4-6]。當前系統首先通過發送脈沖窄帶激勵，對諧振器進行“充電”，然后獲取衰減信號，由此直接測量自諧頻率。為確定頻率，一般通過計算快速傅里葉變換(FFT)，在數字域中進行信號處理[6]。這些讀取器的諧振器響應時間短(通常僅持續幾微秒)，且要求千赫級的頻率分辨率。對于433 MHz頻帶中的SAW諧振器，目前先進的高速諧振式SAW讀取器可實現高達16 kHz的測量值更新率[7]。但這些讀取器需要2個并行的數字信號處理器(DSP)來計算FFT，并需要1個額外的微控制器來進行系統管理。

提出的查詢方法是利用SAW諧振器的衰減響應信號來確定其諧振頻率。本文所提方法基于瞬時頻率測量(IFM)的概念[8]，使用了一個低成本的六端口干涉儀和一條已知長度的單延遲線，將引入的相移與非延遲信號相比，從而進行頻率估計。在模擬域中對信號進行處理，因此不需要計算FFT，且系統成本較低，不需要復雜的信號處理。實驗結果驗證了所提設計的優越性。

1 系統設計

1.1 理論概念

瞬時頻率測量的核心理念是將位置信號分割為兩部分，并對其中一部分使用延遲線，從而在兩部分之間產生依賴于頻率的相移。其后，可利用鑒相器對該相移進行評估，通過精確的延遲線長度知識，計算出未知信號的頻率。基于六端口的SAW查詢系統的概念圖如圖1所示。將短連續波(CW)查詢脈沖，通過一個循環器(也可替換為RX/TX轉換器或RF耦合器)發送至SAW諧振器。為激發振蕩，查詢信號的頻率必須接近傳感器的諧振頻率。在快速關閉激發信號后，SAW在其諧振頻率處開始衰減。通過功率分配器對該響應信號進行兩等分。其中一部分信號被直接饋入六端口，另一部分則在進入第2個端口前延遲τd。

圖1 SAW查詢系統的示意圖

由此在2個信號之間會產生依賴于頻率f的相對相移Δφ,即

Δφ=2πfτd

(1)

通過六端口干涉儀對相位差進行評估，其中在0°、90°、180°和270° 4個不同的相對相移下對直接信號(I1)和延遲信號(I2)進行疊加，并通過功率檢測器將RF信號下轉換為4個基帶電壓(V3～V6)。這些DC電壓形成一個復向量z，即

z=(V3-V4)+j(V5-V6)

(2)

最后可通過計算復向量的幅角，得到輸入端口處的相位差：

Δφ=arg(z)

(3)

利用延遲線的精確時延td，通過重寫式(1)推導出原始信號的頻率：

(4)

當延遲線有效長度超過要測量最高頻率的波長時，該計算會出現不確定性。一般系統的非模糊帶寬fB是有限的[9]，即

(5)

1.2 六端口和功率探測器

目前，六端口接收器得到廣泛應用的主要原因是其具有較好的相位分辨力，支持寬帶操作及簡單的電路復雜度，因此，系統成本較低[10]。相關研究表明[10]，利用相對較大的系統帶寬(一般至少為其操作頻率的10%)易實現六端口系統。對于SAW感測應用，這些設備通常僅用于帶寬很窄的工業、科研和醫療(ISM)頻段。但由于需測量的信號具有快速時變的特點，必須考慮探測器帶寬和動態范圍：加載SAW諧振器的振幅會呈指數下降。時間常量τSAW取決于品質因數(QSAW)和SAW的頻率，即

(6)

在2.4 GHz ISM頻段中，本文測得加載SAW諧振器的QSAW≈2 300。因此，對于這些設備，τSAW略大于300 ns。當激發信號在t= 0處被關閉時，SAW幅值A(t)為

A(t)=Amax·exp(-t/τSAW)

(7)

當功率檢測器使用全動態范圍PDdr時，功率探測器可跟蹤SAW的指數衰減的最大測量時長tm,max為

(8)

(9)

功率探測器最大動態值為45 dB時，SAW的測量時間上限tm≈1.5 μs。為捕捉這種短時無畸變信號，檢測器和基帶帶寬必須保持較高水平。

1.3 延遲線

延遲線的延時是整個系統的重要設計參數，一方面，延遲線應盡可能長，因為系統的整個測量動態范圍映射到一個非模糊頻帶中。在對諧振式SAW傳感器進行頻率測定時，僅需很窄的非模糊帶寬，而傳感器的頻偏很小，通常小于1 MHz。必須接近傳感器自身諧振頻率對其進行激發，粗頻為已知，可應用于式(4)中模糊計算偏移量。假定SAW傳感器的最大頻偏為1.5 MHz，則延遲線最大延時τd=670 ns，有效長度de=200 m(以真空中的光速計)。雖然該數值看起來較高，但由于基片中聲波速度較慢，這樣的延時可作為SAW的有效延時[11]。

另一方面，應該將延遲線長度維持在盡可能短的水平。其原因是：隨著延遲線長度增加，傳輸損失也會變大，這會降低測量精度。從空間和成本因素考慮，也應選取較短的延遲線。此外，延遲線的長度越長，最大測量時間會越短，因為參考信號和延遲信號必須同時存在于六端口處，以提取兩者間的相位差。同時，由于傳感器振幅的指數衰減，較長的延遲線會導致在延遲信號到達六端口的第二個輸入前，參考端口處的信號振幅已減小。

2 實驗與分析

2.1 參數與實驗裝置

本文搭建了基于集總元件的2.4 GHz六端口以進行測量，其中包含4個商用的溫度補償有功功率探測器，最大動態值(±1 dB線性區域)為45 dB。系統的技術參數如表1所示。

表1 六端口設計的參數說明

利用低成本的RG58U SMA線纜(幾何長度dg=10 m)來實現延遲線。其有效磁導率為r=2.26，因此，de=15 m，延遲約為50 ns。該數值可實現較好的權衡。

圖2為測量裝置。將2個SAW諧振器(SAW1，SAW2)安裝在彎梁上，以測量其在微差配置下的機械應力。在通過一個測微螺旋施力時，一個SAW被拖曳，同時另一個SAW被壓縮。這樣能提高系統的準確度和敏感度，因為影響到2個SAW的異常干擾在某種程度上被抵消了。使用一個信號發生器來生成激發信號，連續波脈沖持續時間為1.5 μs，射頻功率為0。為了對某個SAW進行查詢，需要使用1個額外的RF單刀雙擲(SPDT)開關，因為2個SAW的諧振頻率過于接近以致于無法單獨激發某個SAW。利用功率分配器對被激發的SAW傳感器的響應信號進行分割。將信號的一部分直接饋入六端口干涉儀的第1個輸入端口，另一部分則在饋入第2個輸入端口前，被10 m的SMA線纜所延遲。采用1個四通道數字存儲示波器(DSO)采集基帶信號。

圖2 測量裝置圖

實驗首先給出不同激發頻率下的單個SAW的實驗結果，然后展示微差配置下，彎梁上的機械應力的測量結果。使用非線性系統進行測量。由于延遲線具有溫度敏感性，且群時延為每千條線纜80×10-6。所以線性化會隨著時間推移而漂移。若需要進行溫度穩定的長期測量，需要利用合適的現場線性化技術解決該問題。

2.2 單個SAW傳感器的信號查詢

在SAW的估計諧振頻率附近，進行了±1 MHz的精細步進頻率掃描。圖3為測得的傳感器響應及激發脈沖的參考測量結果。與預期相符，傳感器響應的頻率不受激發頻率的影響。如果將標準偏差納入考量，則應該在傳感器諧振頻率附近對其進行激發，因為這樣會使諧振器采集到大部分能量，系統能表現出最優測量精度。最低標準偏差σSAW≈17 kHz，該數值與約7 ×10-6的RF頻率相關。

圖3 不同查詢頻率下測得頻率響應和標準偏差

2.3 彎梁上應力的微差測量

根據文獻[12]的研究可知，微差測量能顯著提升系統的準確度和敏感度。對于彎梁測量案例，2個SAW間的頻差Δfm與施加的機械應力成正比，因為一個傳感器被壓縮，而另一個傳感器則被拉伸。利用2個測微螺旋，對彎梁施加了共計181次偏轉。使用一個精密刻度量規得到偏轉的機械參考測量值。每10 μm測量1次，由此在參考測量點處得到整體最大偏轉Δx= ± 900 μm。為了提高示波器采集基帶電壓時模數轉換器(ADC)的分辨率，在采集過程中直接在示波器中進行內部過采樣,并取256次的均值。

圖4 彎梁上機械應力的微差測量結果

圖4(a)、(b)分別為2個SAW的諧振頻率隨著彎梁位移變化的測量結果。由圖可知，由于采用了微差測量，隨著力的施加，一個SAW測得的頻率增加，另一個SAW測得的頻率則相應降低。第1、2個SAW表現出的最大頻率偏移分別為0.97 MHz和1.22 MHz。此外，2個曲線表現出了非線性。這表明2個SAW間的安裝和匹配并不完美，且六端口系統不是理想的線性。但這已能完成概念證明。圖4(c)為計算出的2個傳感器間的頻差，全刻度頻差Δfmax=2.18 MHz。在未施加任何應力的情況下，Δf≈940 kHz，單次測量的標準偏差σf=21.9 kHz，由此全刻度隨機誤差約為1%。

2.4 時域測量

圖5為對于以SAW的諧振頻率附近約100 kHz為中心的單個詢問脈沖，六端口的4個基帶電壓的測量結果。由圖可看出從約1.5 μs開始諧振器的延遲“響應”。由于采用了對數功率檢測器，基帶信號的振幅呈線性下降。測量結果證明了第1.1節的理論計算的有效性，可在約3 μs內執行對單個SAW的詢問。

圖5 4個基帶電壓的測量結果

2.5 延遲線信號強度的損失情況

利用低成本的RG58U SMA線纜(dg=10 m)來實現延遲線。其r=2.26，因此，de=15 m，延遲約為50 ns。該數值可實現較好的權衡。通過向量網絡分析器對線纜進行表征，圖6為延遲線信號強度的損失情況測量結果。

圖6 不同頻率下的延遲線信號強度損失情況

由圖6可知，2.4 GHz ISM頻段中的輸入返回損失小于-15 dB，其他頻段也均小于-15 dB；對于不同頻率，傳輸損失區間為[-8.9 dB,-8.7 dB]。因此，延遲線的信號強度所受影響很小，從而對本文方法影響較弱。

3 結束語

本文提出了利用低成本六端口干涉儀基于瞬時頻率測量的高速諧振式SAW讀取器的設計方法。分析了六端口和延遲線的設計考量，執行了微差測量裝置中確定彎梁上機械應力的實驗。實驗結果表明，基于六端口的IFM可作為傳統的基于FFT SAW讀取器的有效替代方案，且能提高更新率。