任 婷，蘇淑靖，許福佳，張麗麗

(中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051)

0 引言

航空、航天測試領(lǐng)域關(guān)鍵部位通常都伴隨著超高溫、高旋和多金屬等惡劣環(huán)境，這些關(guān)鍵部位溫度的實(shí)時(shí)獲取對于裝備安全穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)至關(guān)重要[1-2]。在超高溫的工作環(huán)境下，有線、有源的傳感器件存在傳感器材料受限導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、匹配電路不耐高溫等問題，這些問題限制了其工作范圍。相比較下，無線無源陶瓷基傳感器在惡劣環(huán)境下具有無可比擬的優(yōu)勢[3-9]。

本文提出一種面向惡劣環(huán)境的基于SIW的微波散射測試原理的高溫傳感器?；谀透邷靥沾?SiBCN陶瓷)解決超高溫環(huán)境下傳感器基底性能退化的問題[10-11]，利用基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的諧振器解決多金屬環(huán)境應(yīng)用限制的問題，采用微波散射技術(shù)可實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離傳感器信號的無源監(jiān)測，解決引線連接失效導(dǎo)致的溫度性能限制問題。

1 傳感器系統(tǒng)

1.1 傳感器的結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的傳感器是基于基片集成波導(dǎo)(SIW)結(jié)構(gòu)的諧振器。該結(jié)構(gòu)主要由上、下金屬表面、基底材料和側(cè)壁金屬圓柱組成。傳感器的介質(zhì)材料為耐高溫SiBCN陶瓷，介質(zhì)基板上下表面覆有金屬鉑漿涂料，側(cè)壁金屬圓柱通孔與上下金屬表面相連接，形成一個(gè)與傳統(tǒng)波導(dǎo)幾近相同的電磁場分布。上金屬表面刻蝕互補(bǔ)開口諧振環(huán)(CSRR)結(jié)構(gòu)，主要作用是產(chǎn)生集中分布的電磁場，能提高傳感器的靈敏度和實(shí)現(xiàn)信號的無線傳輸。傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

圖1中，D為側(cè)壁金屬圓柱的直徑，b為相鄰兩側(cè)壁金屬圓柱之間的間距，R0為傳感器的半徑，Reff為側(cè)壁金屬圓柱距離傳感器中心的距離，H為傳感器的厚度，即金屬上下金屬表面之間的距離。R1為CSRR結(jié)構(gòu)外諧振環(huán)的外半徑，s1為外諧振環(huán)的縫隙寬度，R2為CSRR結(jié)構(gòu)內(nèi)諧振環(huán)的外半徑，s2為內(nèi)諧振環(huán)的縫隙寬度，t為CSRR結(jié)構(gòu)諧振環(huán)的開口寬度。

1.2 問詢天線的結(jié)構(gòu)

在實(shí)際應(yīng)用中，標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)天線不耐高溫，因此需要設(shè)計(jì)一款在實(shí)際測試中的問詢天線。

由于共面波導(dǎo)天線具有寬頻帶、易與其他微波器件串聯(lián)或并聯(lián)連接等優(yōu)點(diǎn)，本文采用共面波導(dǎo)天線作為問詢天線對傳感器進(jìn)行激勵(lì)。問詢天線結(jié)構(gòu)的示意圖如圖2所示。

圖2 問詢天線的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2中，W和L分別為問詢天線的寬和長，W1和L1分別為輻射貼片的寬和長，W2和L2分別為1/4λ阻抗轉(zhuǎn)換器的寬和長，目的是使共面波導(dǎo)天線的邊緣阻抗與微波器件通用的50 Ω阻抗達(dá)成匹配，W3和L3為50 Ω微帶傳輸線的寬和長，m和n分別為接地板與輻射貼片和傳輸線的間距寬度。

1.3 測量原理

傳感器的測量原理如圖3所示。共面波導(dǎo)天線發(fā)出包含傳感器諧振頻率f0在內(nèi)的帶寬掃頻信號，最大程度被傳感器接收，傳感器通過CSRR結(jié)構(gòu)將接收到的信號耦合到傳感器內(nèi)部，其中耦合到傳感器的信號中，只有頻率為f0的信號能在封閉的傳感器內(nèi)部震蕩逐漸被消耗，而其余部分頻率的掃頻信號則被反射回共面波導(dǎo)天線。利用耐高溫陶瓷(SiBCN陶瓷)作為傳感器的敏感材料，該材料的介電常數(shù)會(huì)隨著環(huán)境溫度的變化而發(fā)生相應(yīng)的變化，從而影響諧振頻率的變化。通過分析問詢天線的S(1,1)信息，與被測環(huán)境之間建立對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而通過回波信息推測環(huán)境被測量的大小。

圖3 傳感器的測試原理示意圖

2 傳感器的設(shè)計(jì)

本文設(shè)定的傳感器的諧振頻率f0=11.5 GHz。在常溫下，SiBCN陶瓷的介電常數(shù)為3.512，相對磁導(dǎo)率為1[11]。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：

(1)

(2)

式中：f0為諧振頻率；R為基片集成波導(dǎo)的半徑；ε為介質(zhì)材料的介電常數(shù)；μ為介質(zhì)材料的磁導(dǎo)率；c為光速。

當(dāng)側(cè)壁金屬圓柱的尺寸滿足D<0.1λg，b<4D，D<0.2Reff時(shí)，側(cè)壁金屬圓柱可以視為理想電磁壁，其泄漏的電磁波可忽略不計(jì)。當(dāng)傳感器的尺寸一定時(shí)，溫度升高，傳感器介質(zhì)材料的介電常數(shù)增大，從而導(dǎo)致傳感器的諧振頻率降低。

圖4 傳感器的等效電路圖

3 仿真與優(yōu)化

為了提高傳感器的傳輸效率、減少損耗，使用HFSS軟件分別對傳感器和問詢天線進(jìn)行建模仿真，通過響應(yīng)曲線中回波損耗的大小來判斷其性能得出最優(yōu)的尺寸參數(shù)。

3.1 傳感器的仿真

采用標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)作為基片集成波導(dǎo)傳感器的激勵(lì)源，矩形波導(dǎo)的尺寸為20.78 mm×9.24 mm×46 mm，仿真模型如圖5所示。在滿足側(cè)壁金屬圓柱的防泄漏尺寸的條件下，結(jié)合式(1)和式(2)，初步計(jì)算出傳感器的尺寸參數(shù)為：Reff=5.5 mm，R0=7 mm，D=0.5 mm，H=1.1 mm，側(cè)壁金屬圓柱個(gè)數(shù)為36。為了使基片集成波導(dǎo)傳感器具有更高的性能，分別對CSRR結(jié)構(gòu)的外圓半徑R1、外圓縫隙寬度s1、內(nèi)圓半徑R2、內(nèi)圓縫隙寬度s2進(jìn)行仿真分析，參數(shù)的優(yōu)化仿真結(jié)果如圖6所示。

圖5 傳感器的仿真模型

根據(jù)仿真結(jié)果可知：CSRR外圓半徑R1的大小，外圓縫隙的寬度s1，內(nèi)圓半徑R2的大小都會(huì)明顯的引起傳感器的諧振頻率的偏移。R1越大，傳感器的諧振頻率越小；R2越大，傳感器的諧振頻率越小。這和等效電路的理論結(jié)果一致，Ls越大，傳感器的諧振頻率越小。參數(shù)優(yōu)化后的傳感器在室溫下的諧振頻率如圖7所示，傳感器結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

(a)CSRR外圓半徑R1

圖7 優(yōu)化后的傳感器諧振頻率仿真曲線

表1 優(yōu)化后的傳感器的尺寸參數(shù) mm

3.2 問詢天線的仿真

本文設(shè)計(jì)的共面波導(dǎo)天線采用氧化鋁陶瓷作為基底材料，鉑槳料作為表面金屬材料，以保證問詢天線在高溫條件下仍可正常工作。所設(shè)計(jì)的問詢天線仿真模型采用波端口進(jìn)行饋電，優(yōu)化后的共面波導(dǎo)天線結(jié)構(gòu)尺寸如表2所示，最終優(yōu)化結(jié)果如圖8所示。

表2 共面波導(dǎo)天線結(jié)構(gòu)尺寸 mm

圖8 共面波導(dǎo)天線的仿真結(jié)果

當(dāng)溫度從25 ℃升高到1 200 ℃時(shí)，氧化鋁陶瓷的介電常數(shù)由9.8增加到11.8。將其介質(zhì)材料的介電常數(shù)設(shè)為變量，從9.8增加到11.8來模擬高溫環(huán)境下的工作頻率變化范圍，結(jié)果如圖9所示，結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的問詢天線可以覆蓋傳感器的頻率變化范圍，可以用來對傳感器的信號進(jìn)行發(fā)送與接收。

圖9 共面波導(dǎo)天線隨溫度變化曲線

3.3 無線無源傳感器仿真

為了更精準(zhǔn)的模擬傳感器的工作環(huán)境，將之前仿真好的基片集成波導(dǎo)溫度傳感器置于共面波導(dǎo)天線下進(jìn)行信號的接收和發(fā)送。傳感器在常溫下的諧振頻率在11.5 GHz,如圖10所示。當(dāng)溫度從25 ℃升高到1 100 ℃時(shí)，SiBCN陶瓷的介電常數(shù)由3.512增加到3.657[11]。將其介質(zhì)材料的介電常數(shù)設(shè)為變量，從3.512增加到3.657來模擬高溫環(huán)境下的工作頻率變化范圍，結(jié)果如圖11所示。傳感器的諧振頻率從11.5 GHz到11.326 GHz，諧振頻率偏移174 MHz，繪制的諧振頻率與介電常數(shù)的關(guān)系曲線如圖12所示，該曲線成現(xiàn)近似的線性變化，表明所設(shè)計(jì)的傳感器適用于超高溫度的檢測。

圖10 常溫下傳感器的諧振頻率

圖11 傳感器隨溫度變化曲線

圖12 傳感器諧振頻率-介電常數(shù)曲線

仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的共面波導(dǎo)天線可以作為傳感器的問詢天線使用，且可以有效的將傳感器的諧振頻率讀取出來。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)一種基于SiBCN陶瓷的基片集成波導(dǎo)式無線無源高溫傳感器，該傳感器具有品質(zhì)因子高，受干擾影響小，體積小易集成，且可工作在背景金屬環(huán)境下等優(yōu)點(diǎn)。通過理論計(jì)算和HFSS軟件仿真確定傳感器的最優(yōu)尺寸，在25～1 100 ℃內(nèi)，傳感器的諧振頻率由11.5 GHz減小到11.326 GHz。仿真結(jié)果驗(yàn)證基于SiBCN陶瓷的基片集成波導(dǎo)式無線無源高溫傳感器的設(shè)計(jì)合理性、測溫可行性。未來的工作將傳感器進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)測試，進(jìn)一步驗(yàn)證其實(shí)用性。