SIW式无线无源高温传感器设计

任 婷，苏淑靖，许福佳，张丽丽

(中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051)

0 引言

航空、航天测试领域关键部位通常都伴随着超高温、高旋和多金属等恶劣环境，这些关键部位温度的实时获取对于装备安全稳定运转至关重要[1-2]。在超高温的工作环境下，有线、有源的传感器件存在传感器材料受限导致结构失稳、匹配电路不耐高温等问题，这些问题限制了其工作范围。相比较下，无线无源陶瓷基传感器在恶劣环境下具有无可比拟的优势[3-9]。

本文提出一种面向恶劣环境的基于SIW的微波散射测试原理的高温传感器。基于耐高温陶瓷(SiBCN陶瓷)解决超高温环境下传感器基底性能退化的问题[10-11]，利用基片集成波导结构的谐振器解决多金属环境应用限制的问题，采用微波散射技术可实现较远距离传感器信号的无源监测，解决引线连接失效导致的温度性能限制问题。

1 传感器系统

1.1 传感器的结构

本文设计的传感器是基于基片集成波导(SIW)结构的谐振器。该结构主要由上、下金属表面、基底材料和侧壁金属圆柱组成。传感器的介质材料为耐高温SiBCN陶瓷，介质基板上下表面覆有金属铂浆涂料，侧壁金属圆柱通孔与上下金属表面相连接，形成一个与传统波导几近相同的电磁场分布。上金属表面刻蚀互补开口谐振环(CSRR)结构，主要作用是产生集中分布的电磁场，能提高传感器的灵敏度和实现信号的无线传输。传感器的结构示意图如图1所示。

图1 传感器结构示意图

图1中，D为侧壁金属圆柱的直径，b为相邻两侧壁金属圆柱之间的间距，R0为传感器的半径，Reff为侧壁金属圆柱距离传感器中心的距离，H为传感器的厚度，即金属上下金属表面之间的距离。R1为CSRR结构外谐振环的外半径，s1为外谐振环的缝隙宽度，R2为CSRR结构内谐振环的外半径，s2为内谐振环的缝隙宽度，t为CSRR结构谐振环的开口宽度。

1.2 问询天线的结构

在实际应用中，标准矩形波导天线不耐高温，因此需要设计一款在实际测试中的问询天线。

由于共面波导天线具有宽频带、易与其他微波器件串联或并联连接等优点，本文采用共面波导天线作为问询天线对传感器进行激励。问询天线结构的示意图如图2所示。

图2 问询天线的结构示意图

图2中，W和L分别为问询天线的宽和长，W1和L1分别为辐射贴片的宽和长，W2和L2分别为1/4λ阻抗转换器的宽和长，目的是使共面波导天线的边缘阻抗与微波器件通用的50 Ω阻抗达成匹配，W3和L3为50 Ω微带传输线的宽和长，m和n分别为接地板与辐射贴片和传输线的间距宽度。

1.3 测量原理

传感器的测量原理如图3所示。共面波导天线发出包含传感器谐振频率f0在内的带宽扫频信号，最大程度被传感器接收，传感器通过CSRR结构将接收到的信号耦合到传感器内部，其中耦合到传感器的信号中，只有频率为f0的信号能在封闭的传感器内部震荡逐渐被消耗，而其余部分频率的扫频信号则被反射回共面波导天线。利用耐高温陶瓷(SiBCN陶瓷)作为传感器的敏感材料，该材料的介电常数会随着环境温度的变化而发生相应的变化，从而影响谐振频率的变化。通过分析问询天线的S(1,1)信息，与被测环境之间建立对应关系，进而通过回波信息推测环境被测量的大小。

图3 传感器的测试原理示意图

2 传感器的设计

本文设定的传感器的谐振频率f0=11.5 GHz。在常温下，SiBCN陶瓷的介电常数为3.512，相对磁导率为1[11]。根据经验公式：

(1)

(2)

式中：f0为谐振频率；R为基片集成波导的半径；ε为介质材料的介电常数；μ为介质材料的磁导率；c为光速。

当侧壁金属圆柱的尺寸满足D<0.1λg，b<4D，D<0.2Reff时，侧壁金属圆柱可以视为理想电磁壁，其泄漏的电磁波可忽略不计。当传感器的尺寸一定时，温度升高，传感器介质材料的介电常数增大，从而导致传感器的谐振频率降低。

图4 传感器的等效电路图

3 仿真与优化

为了提高传感器的传输效率、减少损耗，使用HFSS软件分别对传感器和问询天线进行建模仿真，通过响应曲线中回波损耗的大小来判断其性能得出最优的尺寸参数。

3.1 传感器的仿真

采用标准矩形波导作为基片集成波导传感器的激励源，矩形波导的尺寸为20.78 mm×9.24 mm×46 mm，仿真模型如图5所示。在满足侧壁金属圆柱的防泄漏尺寸的条件下，结合式(1)和式(2)，初步计算出传感器的尺寸参数为：Reff=5.5 mm，R0=7 mm，D=0.5 mm，H=1.1 mm，侧壁金属圆柱个数为36。为了使基片集成波导传感器具有更高的性能，分别对CSRR结构的外圆半径R1、外圆缝隙宽度s1、内圆半径R2、内圆缝隙宽度s2进行仿真分析，参数的优化仿真结果如图6所示。

图5 传感器的仿真模型

根据仿真结果可知：CSRR外圆半径R1的大小，外圆缝隙的宽度s1，内圆半径R2的大小都会明显的引起传感器的谐振频率的偏移。R1越大，传感器的谐振频率越小；R2越大，传感器的谐振频率越小。这和等效电路的理论结果一致，Ls越大，传感器的谐振频率越小。参数优化后的传感器在室温下的谐振频率如图7所示，传感器结构尺寸如表1所示。

(a)CSRR外圆半径R1

图7 优化后的传感器谐振频率仿真曲线

表1 优化后的传感器的尺寸参数 mm

3.2 问询天线的仿真

本文设计的共面波导天线采用氧化铝陶瓷作为基底材料，铂桨料作为表面金属材料，以保证问询天线在高温条件下仍可正常工作。所设计的问询天线仿真模型采用波端口进行馈电，优化后的共面波导天线结构尺寸如表2所示，最终优化结果如图8所示。

表2 共面波导天线结构尺寸 mm

图8 共面波导天线的仿真结果

当温度从25 ℃升高到1 200 ℃时，氧化铝陶瓷的介电常数由9.8增加到11.8。将其介质材料的介电常数设为变量，从9.8增加到11.8来模拟高温环境下的工作频率变化范围，结果如图9所示，结果表明，所设计的问询天线可以覆盖传感器的频率变化范围，可以用来对传感器的信号进行发送与接收。

图9 共面波导天线随温度变化曲线

3.3 无线无源传感器仿真

为了更精准的模拟传感器的工作环境，将之前仿真好的基片集成波导温度传感器置于共面波导天线下进行信号的接收和发送。传感器在常温下的谐振频率在11.5 GHz,如图10所示。当温度从25 ℃升高到1 100 ℃时，SiBCN陶瓷的介电常数由3.512增加到3.657[11]。将其介质材料的介电常数设为变量，从3.512增加到3.657来模拟高温环境下的工作频率变化范围，结果如图11所示。传感器的谐振频率从11.5 GHz到11.326 GHz，谐振频率偏移174 MHz，绘制的谐振频率与介电常数的关系曲线如图12所示，该曲线成现近似的线性变化，表明所设计的传感器适用于超高温度的检测。

图10 常温下传感器的谐振频率

图11 传感器随温度变化曲线

图12 传感器谐振频率-介电常数曲线

仿真结果表明，设计的共面波导天线可以作为传感器的问询天线使用，且可以有效的将传感器的谐振频率读取出来。

4 结论

本文设计一种基于SiBCN陶瓷的基片集成波导式无线无源高温传感器，该传感器具有品质因子高，受干扰影响小，体积小易集成，且可工作在背景金属环境下等优点。通过理论计算和HFSS软件仿真确定传感器的最优尺寸，在25～1 100 ℃内，传感器的谐振频率由11.5 GHz减小到11.326 GHz。仿真结果验证基于SiBCN陶瓷的基片集成波导式无线无源高温传感器的设计合理性、测温可行性。未来的工作将传感器进行实物实验测试，进一步验证其实用性。