聲表面波扭矩檢測系統的分段環狀天線設計

熊志強, 陳智軍, 孫 聰, 朱衛俊, 郭佳佳

(1.南京航空航天大學 自動化學院，江蘇 南京 211106；2.中電科技德清華瑩電子有限公司，浙江 德清 313200)

0 引言

扭矩檢測是對各種非旋轉或旋轉的機械部件上扭轉力矩的檢測。目前扭矩檢測常采用導電滑環、電磁耦合或有源無線等方式供給能量和傳輸信號，存在測量精度低、使用壽命短、高溫高壓條件下易燃易爆等問題[1-3]。聲表面波(SAW)傳感技術以其無源本質和無線功能進行扭矩檢測，在閱讀器和天線的配合下可以實現能量的可靠供給和信號的有效傳輸[4]。閱讀器天線是SAW扭矩檢測系統的關鍵組成部分。

本文針對轉軸結構展開閱讀器天線的仿真設計，設計了一種適用于圓柱轉軸結構的水平全向性環狀天線。環狀天線按輻射體尺寸大小可分為電大環和電小環[5]，根據SAW扭矩檢測系統的工作頻段和轉軸大小選擇電大環天線進行設計，但電大環在環內各處導體的電流幅值和相位差異較大，天線的全向性將受到影響[6]。文獻[7]設計了一種用于SAW扭矩檢測的電大環天線，調諧電容將兩段輻射體連接構成圓環，全向性較差。本文將天線導體分割成若干段，各段重疊一定角度以代替電容，這樣可以通過調整重疊角度的方式減小電流相位變動[8]，從而增強天線的全向性。仿真與測試結果均表明，分段環狀天線具有較好的全向性，滿足無線無源SAW扭矩檢測系統的需求。

1 聲表面波扭矩檢測原理

SAW扭矩傳感以SAW諧振器作為傳感器感應扭矩產生的彈性應變。SAW諧振器主要由壓電基底、叉指換能器(IDT)和反射柵組成，SAW扭矩檢測系統的工作原理如圖1所示。閱讀器產生高頻激勵信號經閱讀器天線、傳感器天線傳輸到IDT上，再通過逆壓電效應激發出SAW沿壓電基底表面向兩側傳播；SAW經過多次相干反射疊加，在反射柵和壓電基底共同構成的聲學諧振腔內形成駐波反射回IDT，再經壓電效應后通過傳感器天線將回波信號以電磁波形式發射出去；閱讀器收到后進行信號處理，得到與應變相關的諧振頻率，進而得到相應扭矩值。

圖1 SAW扭矩檢測系統

當轉軸受到扭矩M作用時，傳感器與轉軸的軸向呈±45°粘貼，可以將轉軸橫截面受到的剪應力轉換成傳感器受到的正應力[9]。扭矩測量采用差分方案，在轉軸的相對位置粘貼兩組差分型共4個SAW傳感器，以提高靈敏度并消除彎矩影響[10]，1#、2#、3#、4#傳感器粘貼位置示意圖如圖2所示。由于SAW扭矩傳感器和傳感器天線固定在轉軸兩側，為使閱讀器能在轉軸靜態或動態工作條件下有效地接收傳感器回波信號，本文擬設計水平全向性分段環狀天線作為閱讀器天線。

圖2 傳感器粘貼方案示意圖

2 分段環狀天線仿真

根據SAW扭矩檢測系統需求，4個傳感器中心頻率分別為431 MHz、433 MHz、435 MHz和437 MHz，且各占2 MHz帶寬。本文擬設計中心頻率約為434 MHz的分段環狀天線，帶寬能夠覆蓋430～438 MHz頻段，輸入阻抗約為50 Ω，天線所在平面應具有良好的全向性。

使用三維電磁仿真軟件HFSS對分段環狀天線進行仿真優化設計，天線結構及相關參數如圖3所示。為便于采用PCB工藝制作天線，基底材料選用環氧樹脂FR4。系統的轉軸直徑為?25 mm，為與該尺寸相匹配，設置分段環狀天線的基底內徑(d1)為?100 mm、外徑(d2)為?160 mm，厚度(H)為0.8 mm。天線的輻射體材料選用金屬銅，輻射體厚度(h)為0.035 mm。由于距輻射體饋電點1/4波長處電流相位會產生突變[11]，因此每段輻射體長度應小于波長的1/4。本文選擇把天線輻射體分為6段，相鄰的輻射體段重疊一定角度，即θ1、θ2、θ3、θ4、θ5。為使天線工作在特定頻率，輻射體周長需要與天線的波長對應。所需設計的天線中心頻率為434 MHz，分別只在自由空間和基底介質中傳播，對應的波長約為691 mm和346 mm。因此，天線輻射體的周長應為346～691 mm，輻射體半徑(r)為55～110 mm，仿真優化前初步設置r=62.5 mm，輻射體寬度w=4 mm。

圖3 分段環狀天線結構

首先對各段輻射體重疊角度進行仿真以優化天線的全向性能。因為扭矩檢測系統中轉軸采用金屬導體，且處于天線感應場區，天線和轉軸將發生相互耦合而產生互阻抗，所以仿真時需加入轉軸模型，如圖4所示。

圖4 分段環狀天線和轉軸模型

分別設置圖3中重疊角度θ1、θ2、θ3、θ4、θ5，在0～20°時每隔1°仿真得到xy平面的輻射方向圖。為提高對稱性，設置θ1和θ5、θ2和θ4處的角度相同。仿真過程中幾種不同重疊角度對應的xy平面(對應HFSS中球坐標系下俯仰面θ=90°、0°≤φ≤360°的平面)輻射方向圖如圖5所示。由圖可知，重疊角度不同時，天線的整體增益大小及增益最大值與最小值之差均不相同。當θ1、θ2、θ3、θ4、θ5分別為10°、5°、5°、5°、10°時，增益最大值約為-3.14 dB，最小值約為-3.79 dB，相差約0.65 dB，整體增益較高且增益變化最小。因此，最終將分段環狀天線的θ1、θ2、θ3、θ4、θ5設置為10°、5°、5°、5°、10°，可實現天線在具有高輻射效率的同時具有良好的全向性。

圖5 輻射體段不同重疊角度對應的xy平面輻射方向圖

天線的中心頻率主要由輻射體長度決定，因此需對r進行參數化掃描以仿真優化。粗調后將r的掃描范圍設置為60.0～64.5 mm，步長為0.5 mm，回波損耗仿真結果如圖6所示。由圖可知，天線的中心頻率隨r的增大而減小，當r=60.5 mm時，天線中心頻率為432 MHz，接近設計指標。

圖6 輻射體半徑參數化掃描回波損耗變化

然后對w進行參數化掃描，以調節天線的輸入阻抗使其實現接近50 Ω的阻抗匹配要求。設置r為60.5 mm，w的掃描范圍為3.0～3.9 mm，步長為0.1 mm，輸入阻抗和回波損耗仿真結果分別如表1和圖7所示。由表1可知，天線的輸入阻抗隨w增大而增大。從圖7可看出，天線中心頻率也受到一定程度的影響，隨著w的增大而減小。當w=3.6 mm時，天線的輸入阻抗為(49.51+j1.03) Ω，接近50 Ω，中心頻率為434 MHz，基本滿足設計要求。

表1 輻射體寬度參數化掃描輸入阻抗變化

圖7 輻射體寬度參數化掃描回波損耗變化

最終通過仿真優化得到的分段環狀天線結構參數如表2所示。根據表2的天線結構參數仿真得到的優化結果如圖8所示。由圖8(a)可知，天線的中心頻率為434 MHz，以-10 dB為上限可以確定天線帶寬為424～444 MHz，覆蓋了SAW扭矩檢測系統430～438 MHz的工作頻帶范圍；由圖8(b)、(c)可知，天線的輸入阻抗為(49.51+j1.03) Ω，對應的歸一化阻抗為0.99+j0.02，基本滿足天線輸入阻抗的設計要求；由圖8(d)可知，天線在xy平面各方向的增益較一致，最大處與最小處相差0.67 dB，基本符合全向性的設計要求。

表2 天線結構參數仿真優化結果

圖8 根據優化的天線結構參數得到的仿真結果

3 分段環狀天線測試

根據表1的天線結構參數仿真優化結果，使用Altium Designer軟件繪制分段環狀天線并制作實物如圖9所示。

圖9 實際制作的分段環狀天線

將分段環狀天線的饋電端焊上射頻頭，使用矢量網絡分析儀(VNA)測試天線的回波損耗和輸入阻抗，測試時將轉軸放置到天線內部，結果如圖10所示。由圖10(a)可知，天線的中心頻率為431.6 MHz，帶寬為424～440 MHz，雖然與仿真結果相比有差異，但可以覆蓋SAW扭矩檢測系統430～438 MHz的工作頻帶，滿足帶寬要求；由圖10(b)可知，天線的輸入阻抗為(54.31-j2.42) Ω，接近50 Ω，基本滿足輸入阻抗要求，不需要額外設計包括電容、電感的阻抗匹配電路。

圖10 天線測試結果

使用VNA的端口1、2分別連接分段環狀天線和SAW傳感器所采用的小型棒狀天線，將小型棒狀天線置于環狀天線中心處并保持靜止，旋轉環狀天線改變其饋電端口與初始位置的相對角度，通過測量不同角度下的傳輸系數來驗證天線的全向性。全向性測試結果如圖11所示，分段環狀天線所在平面傳輸系數最大為-24.1 dB，最小為-26.0 dB，兩者相差1.9 dB，具有較好的全向性。

圖11 天線全向性測試結果

4 扭矩檢測系統測試

SAW扭矩檢測實驗平臺如圖12所示。本系統使用表盤式雙向扭矩扳手施加扭矩，其量程為-100～100 N·m，精度±1%。將表盤示值作為轉軸扭矩的真值，用于分析扭矩檢測的誤差。閱讀器天線使用本文設計的分段環狀天線。無線測試時，閱讀器測量每個傳感器在加載扭矩下的諧振頻率，并換算成相應的扭矩值傳輸到上位機中顯示。扭矩測量結果如表3所示。由表可知，在-80～80 N·m時，實測扭矩與施加扭矩的滿量程誤差為2.5%。結果表明，包括該閱讀器分段環狀天線的SAW扭矩檢測系統可較準確地測量扭矩。

圖12 扭矩檢測實驗平臺

表3 扭矩測量結果

5 結束語

本文針對SAW扭矩檢測系統設計了一種用于轉軸結構的分段環狀天線，通過HFSS仿真優化了天線的結構參數，并實際制作與測試了天線實物和SAW扭矩檢測系統。測試結果表明，天線中心頻率為431.6 MHz，帶寬424～440 MHz，可以覆蓋SAW扭矩檢測系統430～438 MHz的工作頻帶范圍；輸入阻抗為(54.31-j2.42) Ω，接近50 Ω，基本滿足輸入阻抗要求，無需額外設計阻抗匹配電路；天線所在平面的全向性較好，不同角度下傳輸系數最大值與最小值相差1.9 dB。包括該分段環狀天線的SAW扭矩檢測系統可實現較好的扭矩測量效果，在-80～80 N·m時的滿量程誤差為2.5%。