声表面波相关叉指换能器的半物理仿真

陈智军 钟悦芸 陈 涛 彭福强 陈赵兴

南京航空航天大学自动化学院,南京，211106

声表面波相关叉指换能器的半物理仿真

陈智军 钟悦芸 陈 涛 彭福强 陈赵兴

南京航空航天大学自动化学院,南京，211106

为方便、灵活地研究相关叉指换能器实物的相关性能，提出了一种基于ADS软件的可对声表面波相关叉指换能器性能进行验证的半物理仿真方法。该方法利用实际器件实测的S参数，在ADS中构建其物理抽象模型，并通过虚拟构建激励信号产生电路，利用ADS瞬态仿真功能，研究实际器件在不同激励信号下的响应，由此分析相关叉指换能器的相关性能。将半物理仿真结果分别与MATLAB理论仿真及阅读器实验结果进行对比，验证了该方法的可行性。

声表面波；相关叉指换能器；半物理仿真；自相关

0 引言

声表面波(surface acoustic wave,SAW)射频识别(radio frequency identification,RFID)系统具有广阔的应用前景，但其防碰撞及大容量问题在一定程度上限制了其大规模应用和发展[1-2]。利用具有大自相关性、小互相关性的相位编码，对普通叉指换能器(inter-digital transducer,IDT)的叉指进行相位调制[3]，可以得到相关叉指换能器(correlation inter-digital transducer,CIDT)。由此，CIDT具有了相关性，从而对激励信号产生了选择性(即仅对与之匹配的激励信号产生自相关响应)，进而可为解决SAW RFID系统的防碰撞及大容量问题提供新的思路[4-6]。因此，对CIDT的相关特性进行研究具有重要意义。

为研究CIDT实物的自相关和互相关响应以了解其相关性能，需要解决激励信号源的问题。为产生与器件匹配的经过相位调制(phase-shift keying,PSK)的激励信号，可以选择购买矢量信号发生器直接产生PSK激励信号，但成本较高；也可选择自行制作阅读器，但阅读器的设计和制作较为复杂。ADS(advanced design system)软件由美国安捷伦公司开发，是当前射频和微波电路设计的首选工程软件，可用其模拟构建阅读器激励信号源，并进一步分析响应信号。因此，本文提出了一种基于ADS的可对SAW CIDT相关性能进行验证的半物理仿真方法。该方法利用ADS的瞬态仿真功能，通过构建PSK激励信号产生电路和基于CIDT的SAW器件物理抽象模型，仿真实际器件在不同激励信号下的回波响应，由此分析CIDT的相关性能。其中，SAW器件物理抽象模型是一个二端口网络，其S参数由实际器件通过矢量网络分析仪测试得到，而激励信号为虚拟信号，因此称该方法为半物理仿真。为进一步验证基于ADS的半物理仿真结果的可信度，将仿真结果分别与基于δ函数模型[7]的MATLAB理论仿真结果和自制阅读器实验测试结果进行对比，证明了该半物理仿真方法能够可靠地仿真CIDT的相关性能，且更为灵活、方便。

1 相关叉指换能器原理

CIDT由普通叉指换能器经相位编码调制后得到，其结构如图1所示。图1中的CIDT采用了8位的相位编码序列{1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1}，其中每一个‘1’或‘-1’称为码元，‘1’代表相应叉指对的极性为‘+’，‘-1’代表相应叉指对的极性为‘-’。不同极性的叉指对相位相差180°。

图1 相关叉指换能器Fig.1 Correlation inter-digital transducer(CIDT)

(a)自相关特性

(b)互相关特性图2 相位编码的相关特性Fig.2 Correlation properties of phase coding

CIDT的相位编码从本质上决定了该器件的相关特性，因此首先需要了解相位编码的相关性能。8位相位编码{1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1}的相关特性如图2所示，图2a为其自相关特性，图2b为其与编码{1 1 -1 -1 1 -1 1 1}的互相关特性。其中，自相关信号含有一个大幅值的主峰以及若干个小的副峰，其主旁瓣比(主峰幅值绝对值与最大副峰绝对值之比)为4；互相关信号为杂乱的低幅值的小峰，其最大幅值与自相关信号主峰幅值之比为0.375。

如果将上述相位编码用于CIDT，则可使CIDT具有与相位编码类似的相关特性(即可使CIDT对不同的激励信号产生不同的响应)，其相关特性如图3所示。当CIDT被自相关信号激励时，得到的回波信号如图3a所示，产生了主旁瓣比为4的自相关信号，此时可认为CIDT对激励信号产生了响应；而当CIDT被非自相关信号(互相关信号)激励时，得到的回波信号如图3b所示，产生的互相关信号小峰最大幅值为自相关回波信号主峰幅值的0.375倍，则此时可认为CIDT没有响应激励信号。正是CIDT的相关特性及其对不同激励信号的不同响应状态，使得其独具价值。

(a)自相关特性

(b)互相关特性图3 CIDT的相关特性Fig.3 Correlation properties of CIDT

(a)器件结构示意图

(b)器件实物图图4 基于CIDT的SAW实际器件Fig.4 SAW device based on CIDT

2 相关叉指换能器的半物理仿真模型

为了采用ADS软件半物理仿真CIDT的相关性能，一是需要构建基于CIDT的SAW实际器件物理模型，二是需要构建PSK激励信号源。基于CIDT的SAW实际器件如图4所示。该SAW器件具有两个端口，一端为CIDT，另一端为IDT。IDT可实现对激励信号的电声转换，激发出的SAW沿压电基底表面传播，经CIDT进行相关调制及声电转换后，将回波信号输出。为了观测CIDT对不同激励信号的输出以分析其相关性能，激励信号和回波信号之间需要存在一定的时间差，因此设计SAW器件时需要保证CIDT与IDT两个端口之间具有一定的间距。此外需要注意的是，实际器件CIDT采用的相位编码序列为{1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1}，其编码序列长度较短，为保证声电转换能力，实际器件每个码元对应了28对叉指(与前文仿真时1个码元对应1对叉指有所不同)，将1个码元对应至CIDT的叉指对数目称作码元长度。

为在ADS中构建SAW器件的物理模型，首先通过矢量网络分析仪测得实物器件的S参数文件[8-9]。为保证模型的准确性，所测S参数包含S11、S12、S22和S21参数，且所有参数由复数形式表示，各取10001个数据点。然后利用ADS中的S2P模块调用SAW器件的S参数文件，即可构建出该二端口网络，如图5所示。

图5 ADS中SAW器件的物理模型Fig.5 Physical model of SAW device in ADS

然后，利用ADS中的VtRF_Pulse及VSum模块构建PSK激励信号产生电路，如图6所示。针对SAW器件的CIDT相位编码序列{1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1}，将PSK自相关激励信号分为4个码块，码块以变相处为分界线，分为{1 1}、{-1 -1 -1}、{1}和{-1 -1}。每个码块通过设置一个VtRF_Pulse模块的载波频率Freq、脉冲宽度Width、初始相位Phase、起始时间Delay来模拟。4个码块对应4个VtRF_Pulse模块，各模块参数设置情况如表1所示。其中，载波频率由SAW实际器件的特征频率决定，脉冲宽度由该码块码元个数、码元长度和特征频率倒数的乘积共同决定，设置初始相位使相邻码块之间的相位差为180°。最终的PSK信号由VSum模块将各码块进行时域拼接而成，可通过设置各码块起始时间保证时域拼接准确。

图6 ADS中构建的PSK激励信号产生电路Fig.6 PSK excitation signal generating circuit in ADS

表1 不同VtRF_Pulse模块参数设置情况

最后，利用瞬态仿真控制器设置仿真时间后，便可仿真实际物理器件在不同激励信号作用下的响应信号。

3 相关叉指换能器的半物理仿真结果分析

根据上述半物理仿真模型，得到相位编码为{1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1}的CIDT的SAW器件在自相关和互相关激励信号作用下的输出响应，如图7所示。为验证ADS半物理仿真结果可用于分析CIDT的相关性能，给出了该SAW器件基于δ函数模型的MATLAB理论仿真结果和自制阅读器实测结果，分别如图8和图9所示。其中，自制阅读器产生激励信号的原理框图及对应的实物分别如图10a、图10b所示。

(a)自相关响应

(b)互相关响应图7 ADS半物理仿真结果Fig.7 ADS semi-physical simulation results

(a)自相关响应

(b)互相关响应图8 MATLAB理论仿真结果Fig.8 MATLAB theoretical simulation results

(a)CIDT自相关响应

(b)CIDT互相关响应图9 阅读器实测结果Fig.9 Reader measurement results

(a)原理框图

(b)实物图图10 阅读器原理框图与实物图Fig.10 Principle block diagram and physical map of reader

比较图7～图9可知，半物理仿真、理论仿真及实验结果波形均相似。实际器件半物理仿真和阅读器实测波形与理论仿真波形相比，自相关和互相关响应均有所恶化，这可能是由于实际制作器件与理论设计方案有所差距。究其原因，一是MATLAB理论仿真模型使用了δ函数简化模型，没有考虑实际器件的叉指换能器二阶效应等复杂问题；二是实际器件制作存在误差。但是，实际器件半物理仿真与阅读器实测波形十分相似，因此可利用ADS替代阅读器来定性测试和分析实物的相关性能，剔除性能较差的实物器件，选择较优的实物器件。表2给出了相位编码、MALAB理论仿真模型、ADS半物理仿真模型及阅读器实物测试得到的CIDT相关性能对比，进一步证明了上述结论。

表2 不同模型下CIDT的相关性能对比

虽然本文只是针对特定相位编码{1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1}的CIDT的SAW器件进行半物理仿真，但实际研究时，我们对不同编码及不同规格的SAW CIDT器件均进行了理论、仿真及实验对比，其结果均与文中给出的特定编码方案、特定结构的SAW CIDT器件结果类似。

4 结语

本文介绍了声表面波相关叉指换能器原理，提出了采用ADS软件半物理仿真基于相关叉指换能器的声表面波器件相关性能的方法，由此建立了仿真模型，并将仿真结果与相位编码、MATLAB理论仿真模型及阅读器实测结果进行了对比。研究结果表明，基于ADS的声表面波相关叉指换能器半物理仿真方法可用于验证实物器件的相关性能，且该方法灵活、简便、成本低。

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HUANG Xin, CHEN Zhijun, CHEN Tao, et al. Simulation and Experimental Research of SAW Tag[J]. China Mechanical Engineering, 2014, 25(5): 651-656.

Semi-physicalSimulationofSAWCIDTs

CHEN Zhijun ZHONG Yueyun CHEN Tao PENG Fuqiang CHEN Zhaoxing

College of Automation Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing，211106

In order to test the correlation properties of the physical CIDT devices more conveniently and flexibly, a semi-physical simulation method of the SAW CIDT was proposed based on ADS software. This method abstracted the physic devices by their S-parameters from actual tests and established the virtual excitation signal generating circuits in the ADS. By using the transient simulation function of the ADS, the different responses of the physical devices to the various excitation signals were studied. Compared with the theoretical simulation by the MATLAB and the experimental results by the reader, the semi-physical simulation by the ADS was confirmed to be feasible to study the correlation properties of the CIDTs.

surface acoustic wave(SAW)； correlation inter-digital transducer(CIDT)； semi-physical simulation； auto-correlation

TN65

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.23.007

2016-07-29

国家自然科学基金资助项目(51475240,61301248);航空科学基金资助项目(2014ZD52053)

(编辑苏卫国)

陈智军，男，1976年生。南京航空航天大学自动化学院副教授、硕士研究生导师。主要研究方向为声波传感与识别技术。E-mail: zjchen@nuaa.edu.cn。钟悦芸，女，1991年生。南京航空航天大学自动化学院硕士研究生。陈涛，男，1991年生。南京航空航天大学自动化学院硕士研究生。彭福强，男，1993年生。南京航空航天大学自动化学院硕士研究生。陈赵兴，男，1993年生。南京航空航天大学自动化学院硕士研究生。