声表面波的无源无线温度
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
图表目录 V
第1章 绪论 1
1.1 课题背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 主要研究内容 3
1.4 本章小结 3
第2章 天线的基本参数及仿真软件 4
2.1 天线的基本概念与工作原理 4
2.2天线的性能参数 4
2.2.1 方向函数和方向图 4
2.2.2 天线的增益 5
2.2.3 天线的极化 5
2.2.4 天线的输入阻抗 5
2.2.5效率、驻波比、回波损耗及频带宽度 6
2.3仿真软件HFSS概述 7
2.3.1 HFSS简介 7
2.3.2 HFSS天线设计流程 7
2.4 本章小结 8
第3章 声表面波温度
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传感器及系统设计 9
3.1 SAW传感器基本原理 9
3.1.1压电基片 9
3.1.2叉指换能器(IDT) 9
3.1.3反射栅 10
3.1.4工作原理 10
3.2 SAW传感器的分类 10
3.3 系统整体设计 12
3.4 本章小结 13
第4章 平面倒F天线的设计 14
4.1 平面倒F天线的基本原理 14
4.1.1 平面倒F天线的基本结构 14
4.1.2 平面倒F天线的由来 14
4.2 PIFA天线的设计与优化 15
4.2.1 PIFA的模型设计 15
4.2.2天线高度对工作频率和带宽的影响 18
4.2.3短路金属片宽度对工作频率和带宽的影响 19
4.2.4接地平面的面积对工作频率和带宽的影响 20
4.3 PIFA天线的阻抗匹配 21
4.4 本章小结 22
第5章 法向模螺旋天线的设计 23
5.1 法向模螺旋天线的建模 23
5.1.1 法向模螺旋天线的工作原理 23
5.1.2 法向模螺旋天线的模型设计 24
5.2 法向模螺旋天线的优化设计 26
5.2.1螺距对工作频率影响 26
5.2.2圈数对工作频率和带宽的影响 27
5.3法向螺旋天线的匹配 28
5.4 本章小结 29
第6章 总结与展望 30
6.1 总结 30
6.2 展望 30
致 谢 32
参考文献 33
附 录 38
附录一 本科期间个人成果 38
附录二 英文原文 41
附录三 英文翻译 47
图表目录
图3.1 IDT的典型结构 9
图3.2 反射栅的结构 9
图3.3 有源延迟线型SAW的基本结构 11
图3.4 单端口有源谐振型SAW传感器 11
图3.5 双端口有源谐振型SAW传感器 11
图3.6 无源延迟线型SAW传感器结构 11
图3.7 无源谐振型SAW传感器结构 11
图3.8 无源无线SAW温度传感器系统 12
图4.1 PIFA天线结构 14
图4.2 由单极子天线演变倒F天线的过程 15
图4.3 由微带天线演变平面倒F天线的过程 15
图4.4 PIFA天线基本模型 16
图4.5 回波损耗S11的扫频结果报告 17
图4.6 输入阻抗结果报告 17
图4.7 增益方向图 18
图4.8 PIFA的驻波比(VSWR)分析结果 18
图4.9 不同H值对应的S11曲线 19
图4.10 不同SW值对应的S11曲线 20
图4.11 不同Wg值对应的S11曲线 21
图4.12 匹配后的输入阻抗结果 22
图5.1 螺旋天线的三种辐射状态 23
图5.2 法向模螺旋天线HFSS模型 25
图5.3 回波损耗S11的扫频结果报告 25
图5.4 输入阻抗结果报告 25
图5.5 增益方向图 26
图5.6 3D增益方向图 26
图5.7 不同S值对应的S11曲线 27
图5.8 不同N值对应的S11曲线 28
图5.9 法向螺旋天线的匹配设计图 28
图5.10 法向螺旋天线的匹配设计 29
第1章 绪论
1.1 课题背景及意义
声表面波(surface acoustic wave，SAW)是一种沿物体表面传播的弹性波，上世纪60年代开始发展，目前已广泛应用到无线通信、雷达、电子标签和各类传感器中，可实现对气体、温度、湿度和压力等的测量[1]。
在许多电力设备中，由于安装工艺及运行老化等，其电力线接点的接触电阻变大，从而导致温度升高，严重时会使接点熔断，造成供电故障[2]。为了避免这种安全隐患，需要设计开发一套温度监测装置。传统温度传感器无法在高电压、大电流等恶劣环境下进行连续不断的温度监测，而声表面波温度传感器可以结合天线系统实现无线无源检测，并可以在上述恶劣环境下正常工作[35]。天线是进行无线通信的关键器件，其设计将会使声表面波温度传感器测温系统应用场合更广，性能更好[6]。同时，声表面波温度传感器的性能的不断提高，也促进了与之相匹配的天线性能的提高 [78]。
本课题拟设计一套用于实时监测电力线接头处温度的装置，采用无源无线的工作方式，能有效避免“有线”与高压不绝缘的危险和“有源”电池工作在高温下爆炸等安全隐患。温度传感器的能量集中在物体表面，因此外界温度的细小变化，它都可以检测到。系统的特点是发射天线和接收天线分开设计，且类型不同。虽然根据天线的互易原理[9]，发射天线和接收天线都可以用来接收和发射信号，但是在实际工作中，由于在收发状态时受到一系列干扰等原因，发射天线和接收天线最好分开设计。并且天线的互易原理也受到了许多学者的质疑，如束咸荣和何炳发[10]指出天线收发方向图相等是在忽略了电磁波的空间极化失配等条件下成立的。
本设计所选天线有很好的环境耐受力，能应用到高电压、大电流的电力设备。通过比较选择平面倒天线为本课题的发射天线。平面倒天线有自己的接地板作为参考地面，其性能参数不会因与导体发生接触而发生很大变化[11]。接收天线和声表面波温度传感器相连，根据本系统的声表面波温度传感器的尺寸，符合条件的有法向模螺旋天线、小环天线和加载微带天线等。相对小环天线，法向模螺旋天线增益较大，也易极化；相对加载微带天线，法向模螺旋天线更易实现全辐射[1213]。因此最终本系统选择平面倒天线作为读写器天线(发射天线)，法向模螺旋天线作为传感器天线(接收天线)。
原文链接：http://www.jxszl.com/dzxx/dzkxyjs/48188.html
