[發明專利]一種聲表面波諧振器型無線傳感器傳感回波頻率的測試電路

在審

• 申請號: 201410580124.1
• 申請日: 2014-10-24
• 公開（公告）號: CN104316761A
• 公開（公告）日: 2015-01-28
• 發明（設計）人: 夏前亮;陳培杕;劉眾;胡建學;孫建萍
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第五十五研究所
• 主分類號: G01R23/02
• 分類號: G01R23/02
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 張蘇沛

技術領域

本發明涉及聲表面波諧振器領域，具體而言，涉及一種聲表面波諧振器型無線傳感器傳感回波頻率的測試電路。

背景技術

聲表面波諧振器是利用在壓電基片上制作的叉指換能器和周期反射柵陣等金屬電極結構形成聲表面波諧振腔，基于(逆)壓電效應實現電學諧振的無源電子元件，已在現代電子技術得到廣泛應用。

由于聲表面波諧振器的固有諧振頻率會被所處環境溫度影響而產生微弱變化(圖1)，其變化幅度主要取決于壓電基片溫度特性。檢測此頻率變化就可推知環境溫度的改變，即聲表面波諧振器具有輸出準數字信號的溫度傳感功能。

由于聲表面波器件的叉指換能器，能直接連接天線，收發無線電波，具有無線通信功能，所以聲表面波諧振器是最簡單的無線無源傳感器件。

同樣，采用特殊設計的壓電基片結構，聲表面波諧振器的固有諧振頻率會被所處環境中某一種應力影響而產生微弱變化，就構成對該應力敏感的傳感器。由于聲表面波諧振器溫度傳感器已有商品，故本發明以溫度傳感器作為代表，說明本發明的具體實現。

聲表面波無線溫度傳感器系統，基于超高頻電磁波反向散射探測機理，采用聲表面波諧振器作為溫度敏感元件，具有小型無源和全天候應用特點，能應用于智能電網、食品安全等民用領域，實現聯網實時監測相關環境溫度，將在未來物聯網發展中發揮其獨特作用。

基于聲表面波諧振器的無線傳感系統由應答器和閱讀器組成(圖2)。

應答器僅由聲表面波諧振器和天線封裝而成(圖3)，其中電感作用是阻抗匹配和防干擾。它被同頻脈沖激勵時，會被動發射回波(圖4，下稱為傳感回波)。

閱讀器是一個簡化雷達，功能有二：一是主動發射激勵載波(頻率為f0)脈沖，二是接收傳感器回波并測量其頻率fc。當激勵載波頻率f0與傳感諧振器諧振頻率fc十分相近時，會產生較強傳感回波，極限時(f0＝fc)，回波幅度最大，且延續時間最長。

系統工作原理如下：閱讀器主動發射一個激勵載波(頻率f0)脈沖，應答器天線接收后饋電到聲表面波諧振器，使其產生受迫振蕩，并發回激勵脈沖響應回波(圖4左部波形)，同時儲存電磁波能量在聲表面波諧振器內。激勵脈沖發射完后，應答器的聲表面波諧振器將以其固有諧振頻率fc向外發射其儲存的電磁波能量，形成諧振器傳感響應回波(圖4右部波形)。應答器傳感響應回波為一幅度衰減的調幅高頻信號，由于此回波高頻頻率是受環境溫度影響的聲表面波諧振器的固有特征，已攜帶環境溫度參量的影響，所以閱讀器接收回波后經過處理即可得到環境溫度參量實時值，完成待測環境溫度無線傳感功能。

傳感回波頻率測試方法雖是成熟的電路技術，但由于傳感回波是短時脈沖信號，要得到實用化的頻率測試精度，需要對測試電路優化和改進，主要有如下幾類考慮。

采用雷達原理的無線傳感系統，工作頻率至少數MHz，甚至采用(2.4～5)GHz的ISM頻段，下變頻變換可以減低測試電路難度，所以下變頻是必要的。下變頻變換時，待測頻率被下移一固定頻率值(fc，由穩定頻率源提供，穩頻精度大于測頻系統要求，即不影響頻率測量精度)后成為一中頻信號，此信號頻率絕對變化值與溫度的關系維持不變。也就是說，傳感回波頻率溫度特性依然相同于應答器溫度靈敏度特性。

數字技術是現代信息化的基礎，數字信號處理已成為標準技術廣泛應用于各類測試系統。信號取樣方法和離散傅里葉變換(DFT)是信號時域與頻域特性的紐帶，在數字信號處理中起著關鍵作用。

由此，通用閱讀器由天線、發射單元、接收單元和控制部分構成(圖4)，其中接收單元由前置放大、高速取樣和數字信號處理等亞單元組成。

數字信號處理亞單元用于取樣信號序列的數字化處理，最常用的是離散傅里葉變換，取樣頻率一般為待測最高頻率的數倍，可以獲得取樣序列信號頻譜，實現短時脈沖回波頻率測試。

由DFT理論得知，頻率分辨率(即傅里葉頻率標度間隔)是離散時間序列長度的倒數，如采樣10us信號，頻率分辨率即為100kHz。說明如下：

設回波頻率f，取樣速率fs，取樣時長Ts，總取樣點數為：

N＝Ts*fs

頻率測試分辨率df為

df＝fs/N＝1/Ts

對于短時信號，Ts很短，例如聲表面波諧振器無線傳感器的有效傳感回波長度一般10us左右，故頻率測試分辨率僅100kHz，對常用溫度遙測的傳感器(應答器溫度靈敏度約10kHz/K)，造成的溫度測試誤差為+/-5℃，實用困難。