摘要：本文介绍了延迟线型无源无线声表面波传感器的结构、传感器系统的组成、工作原理和传输特性。在分析延迟线型无源无线声表面波传感器缺点的基础上，提出了一种全新的谐振延迟型无源无线声表面波传感器的模型，并用延迟线和谐振器构造了这种传感器。它既有谐振型传感器传感距离远的优点，又有延迟线型传感器容易编码的优势。本文还分析了该传感器的信号响应特性和传感器系统的构造。

      关键词：无源无线传感器；传感器阵列；声表面波器件；谐振器；延迟线

      一、前言

      谐振型无源无线声表面波传感器在远距离、单个传感器(或较少传感器)测量时具有显著的优点。然而，在大量的传感器或查询器同时使用时，谐振型传感器就很难实现编码的目的。

      延迟线型无源无线声表面波传感器（PWDSS：passive wireless delay-line SAW sensor）的研究是近年开展起来的新兴研究领域，这种传感器具有普通传感器和编码器没有的优点，特别适用于一些非接触的特定环境下的遥测、传感、目标识别以及阵列传感器和多传感器的应用。然而，有限的传感距离限制了它的应用。

      针对延迟线型传感器的缺陷，本文提出了一种新型的谐振编码型无源无线声表面波传感器模型，该传感器采用低损耗的单端口谐振型SAW器件和延迟线型SAW器件相结合的结构，用间歇的正弦脉冲串信号激励。经分析，其回波信号为一延迟的衰减振荡信号，这一振荡信号的频率直接反映随温度变化的单端口谐振型SAW器件的固有频率，而振荡信号产生延迟的时间可进行编码，接收系统根据传感器的回波延迟和固有频率就能区别出不同传感器及传感量的值。因此，该方法不仅有谐振式无源无线传感器测量距离远的优势，而且，具有延迟型大规模编码的长处，可实现大规模、较远距离的测量。

      二、延迟线型无源无线声表面波传感器的结构和原理

      基于延迟型的声表面波无线识别系统(ID-tags)的示意图如图1，常用的反射栅结构如图2所示。

      在延迟型的声表面波无线识别系统中，仍然采用叉指换能器激励声表面波，而其反射器则与谐振器型声表面波器件的反射器不同，反射栅阵不是等间距的，而是距离不等的单个反射栅，因此，反射的效率将远远小于谐振器型反射栅阵列；其激励（查询）信号为单个脉冲，而不是谐振器型SAW波器件的正弦间歇信号，因此，总的响应信号的效率比谐振型SAW器件小许多。然而，由于容易编码，在近距离物体自动标识时仍可广泛地应用于多传感器和阵列传感器中。

      从查询单元发射的高频电磁波被SAW应答器的天线接收后，经过叉指换能器（IDT），在压电晶体上激发出声表面波，声表面波经过特定位置设定的反射栅指条（像条形码一样）被反射回叉指换能器（IDT），经转化成电磁波后被天线发射给查询单元。射频回波响应信号携带位置信息和传感信息，其响应信号延迟时间序列决定了该应答器的多个反射栅的位置，即决定了编码值；同时，其延迟时间的变化也决定了该传感器的被测量大小。

      发射距离r满足下式：

      式中，P0—发射功率； Gi—查询器天线的增益； Ge—传感器天线增益； λ—工作信号的波长； kT0—在温度T0时接收天线的噪声能量； B—系统带宽； F—系统的噪声指数； S/N—所需的信噪比； D—传感器单元的插入损耗。

      在激励功率为25mW，插入损耗为20dB，声表面波天线增益为6dB，查询器天线增益为12dBi，信噪比为10dB，频率为2.45GHz时，可计算出最大距离仅为36cm。

      延迟型无源无线传声表面波感器利用反射栅的位置实现数字编码，很容易直接与现有的通讯设备兼容。然而，其非常短的传感和传输距离影响了它的应用领域，因此，必须采用更远距离的编码传感器。

      三、谐振延迟线型无源无线声表面波传感器

      1、结构和工作原理

      谐振延迟线型声表面波无源无线传感器从原理上避免了延迟线型传感器工作距离短的缺点，其结构可以是一体化的，也可由分离元件构成。分离的传感器由延迟器、谐振器和耦合匹配器几部分组成，结构如图3所示。

      当激励频率f等于其固有频率f0时，由于谐振器的品质因素Q值很高，该传感器将发生谐振。固有频率为：

      根据上式，经合理设计可以实现传感量和固有频率成线性的关系。这样，传感量完全由单端口SAW谐振器的固有频率决定。

      该传感器的编码由延迟线的延迟时间决定，这样在大规模编码的前提下，可实现远距离传感的目的，从根本上解决了单个单端口SAW谐振器不易编码和延迟线型传感器传感距离短的缺陷。

      此外，为减少延迟器和谐振器直接相连引起的插入损耗，在两者之间必须加上一无源耦合匹配器。为了提高传感距离，降低环境对测量精度的影响，采用一种测量间歇正弦反射波的瞬时振荡信号频率和延迟时间响应的方法来确定SAW的固有频率并对传感器进行编码。

      2、谐振延迟线型无源无线声表面波传感器信号特征

      由图3可知，谐振延迟线型无源无线声表面波传感器由SAW延迟线和单端口SAW谐振器构成，因此，其冲击响应是两个非色散延迟线（信号进和出的通路）/匹配网络与单端口谐振器级联的响应。这里暂不考虑匹配网络的影响。谐振延迟线型无源无线传感器的传递函数为： 

      式中，K—常数   r—单端口的反射栅的反射系数；下标d—延迟线； 下标s—单端口谐振器；M和M′—输入输出叉指数；L—指条间距； k0=ω/ v0；v0—声速；d—延迟距离;

。

      由于输入信号为间歇正弦脉冲信号，在该信号的激励下，响应特性如图4所示。该响应有以下的特点：

      ①响应产生了一个延迟时间，该时间近似为两倍延迟线的延迟时间；

      ②延迟线和单端口谐振器的叉指数越多，其幅度越高，持续时间也越长；

      ③延迟线和单端口谐振器的参数及固有频率应完全相同，否则，会产生不连续和多个峰的情况。

      在对谐振信号编码时引入了延迟线，不同的延迟线决定了不同的编码。从图中可知，稳态振荡建立以前有一瞬态过程，则输出信号上升边缘与激励信号起始时刻的时延等于延迟线的时延与振荡信号达到斜率最大点的持续时间之和： Ti=T延迟线+T持续时间

      其中，上升沿持续时间由谐振器的IDT和反射栅的指条数决定，因此，根据响应信号边缘的延迟就可求出该延迟线的延迟，进而确定该传感器的延迟编码。

      3、阵列无源无线传感器系统

      阵列无源无线传感系统组成如图5所示。

      系统信号发生器与受计算机控制的500kHz可调信号相混频，保证其和频与每一个传感器单元的频率相同。由于SAW谐振器有极好的选择性，因此，发射端混频器输出无需滤波器。电子开关的作用是保证间歇正弦波的接收周期内无任何激励，避免由于收发开关隔离度不理想产生非线性频谱混叠。在接收部分，天线接收到反射的信号，经宽频带放大后，反射信号和信号源输出信号混频，产生约500KHz的差频，滤波后经A/D变换送入计算机。计算机根据控制信号源自动捕捉到反射波的边沿，计算出时间延迟，进一步选择测量不同传感单元的固有频率，而测出该传感器的传感值。

      四、实验

      采用89.6MHz的SAW谐振器制成多个无源无线温度传感器，4个不同延迟时间的延迟线与相应谐振器构成4个传感器单元，它们的时延分别为：8.9µs、17.8µs、26.7µs、35.6µs。电子开关和收发开关的隔离度均超过-40dB，测量距离为0.5m，温度范围为30℃～90℃。各个传感器的固有频率变化随温度变化的实验数据如图6。

      由图6可知，每一传感器的固有频率的变化和温度关系近似为线性，而且基本相同。因此，该实验具有较好的重复性。

      五、结论

      延迟线型声无源无线表面波传感器由于具有编码的功能，是应用较为广泛的无源无线传感器，然而，其传感距离有限，为了既能编码又能远距离传感及测量，于是构造了谐振延迟型无源无线声表面波传感器的系统。采用间歇正弦脉冲串信号激励延迟型单端口声表面波谐振器，其反射波是一振荡信号，振荡信号的频率是声表面波器件固有频率，并用延迟时间对传感器编码。利用检测振荡波频率来确定随传感量变化的固有频率的方法，提高了传感系统遥感测量的距离和灵敏度，为今后更远距离的无源无线声表面波传感器的研究提供了一种思路。