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基于矩形贴片天线的应变传感器模拟与测试

更新时间：2019-12-29 21:53:07 大小：2M 上传用户：IC老兵查看TA发布的资源 标签：天线应变传感器 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

当贴片天线经历应变时,天线形状发生改变,导致其谐振频率发生偏移。基于此原理,提出采用矩形贴片天线的应变传感器测量结构中的应变。采用了2.4GHz的1/4波长矩形贴片天线作为应变传感单元,首先,利用HFSSTM软件设计应变传感器的尺寸参数,分别模拟该天线在长度与宽度方向经历拉应变时的谐振频率偏移;其次,分别将贴片天线以纵向、横向的方式粘贴在铝板上进行了受拉实验;最后,利用网络分析仪获得天线的谐振频率。模拟与测试结果表明,天线的谐振频率偏移与天线长度方向上的应变具有良好的线性关系,同时,天线宽度方向上的应变对其谐振频率的影响较小。


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1577627581基于矩形贴片天线的应变传感器模拟与测试.pdf 2M

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、
振动 测试与诊断  
38  
1
期
Vol．38 No．1  
Feb． 2018  
第
卷第  
2018  
2
月
年
Journal of Vibration，Measurement ＆ Diagnosis  
doi: 10．16450/j．cnki．issn．1004-6801．2018．01．021  
*
基于矩形贴片天线的应变传感器模拟与测试  
1，2  
1
1
3
3
，
，
，
，
王世聪 万国春  
薛松涛  
蒋 灿  
谢丽宇  
( 1．  
，200092) ( 2．  
，982-8577)  
同济大学结构工程与防灾研究所 上海  
日本东北工业大学建筑系 仙台  
( 3．  
，201804)  
同济大学电子科学与技术系 上海  
， ， 。 ，  
摘要 当贴片天线经历应变时 天线形状发生改变 导致其谐振频率发生偏移 基于此原理 提出采用矩形贴片天  
。
线的应变传感器测量结构中的应变 采用了  
2．4GHz 1/4 ， ， HF-  
的 波长矩形贴片天线作为应变传感单元 首先 利用  
TM  
SS  
， ; ，  
软件设计应变传感器的尺寸参数 分别模拟该天线在长度与宽度方向经历拉应变时的谐振频率偏移 其次 分  
、 ; ， 。  
别将贴片天线以纵向 横向的方式粘贴在铝板上进行了受拉实验 最后 利用网络分析仪获得天线的谐振频率 模  
， ， ，  
拟与测试结果表明 天线的谐振频率偏移与天线长度方向上的应变具有良好的线性关系 同时 天线宽度方向上的  
。
应变对其谐振频率的影响较小  
; ; ;  
关键词 贴片天线 应变传感器 谐振频率 应变传递效率  
TP212．1  
中图分类号  
，
号转换为数字信号 通过天线将数据无线传输至终  
， 。  
端 通常还需电池和太阳能等方式提供电源 这些  
引 言  
、 ， ，  
传感器原件众多 结构复杂 导致其可靠性差 且未  
、 、  
建筑 桥梁等工程结构经历地震 飓风和洪水等  
。 ，  
彻底解决能源供应问题 因此 探究新型无源无线  
， ，  
自然灾害后 其重要构件遭受不同程度的损伤 会使  
。
应变传感器很有必要  
，
结构抵抗自然灾害的能力下降 甚至引起灾难性事  
，
近年来 学者们发现天线的谐振频率与天线的  
［1］  
。
、 ，  
为确保结构的安全 避免发生次生灾害 需  
。 ，  
尺寸存在一定关系 当天线经历应变时 天线尺寸  
故
。
要对其关键构件进行性能评估 若灾害使构件性能  
。 ，  
变化将引起其谐振频率偏移 根据该现象 学者们  
， 。  
劣化 可以及时修复或更换 评估关键构件性能时  
。
制作了采用天线作为应变传感单元的各类传感器  
［3］  
。
需充分利用结构健康监测系统 传感器作为结构健  
Mita  
等
根据应变与天线谐振频率间的关系设计  
， ，  
康监测系统的信息采集单元 采集相关物理参数 为  
。Yi  
出了一种可测量最大历史应变的应变传感器  
［4］  
。
，
设计了基于矩形贴片天线的应变传感器 其谐  
结构性能评估提供数据支持  
等
［5］  
，
应变与结构构件的受力状态密切相关 利用传  
915MHz。Sanders  
等
振频率约为  
设计了基于贴片  
，
感器采集构件的应变信息后 可对构件的性能及剩  
，
天线的温度传感器 根据温度改变引起的应变导致  
。
余寿命进行评估 现有的应变传感器包括电阻式应  
。
的天线谐振频率偏移进行温度测量 其他学者也根  
［6-10］  
、
变片 布拉格光栅传感器和振弦式应变传感器等  
。
。
据此理论设计了不同的应变传感器  
在这类传  
，
传感器布置和信号采集需采用有线的方式 导致安  
， 、  
感器中 天线具有能量无线传输 数据无线通信的功  
、 。 ，  
装过程作业复杂 引线众多 更致命的是 这些传感  
， ， ，  
能 同时作为传感单元 不再需要数模转换模块 结  
，
器在信号采集过程中需要实时的电源供电 但结构  
、 ， 。 ，  
构简单 可靠性高 具有广阔的应用前景 但是 天  
，
在经历灾害时供电系统可能失效 导致信号采集系  
，
线作为一种新型的传感单元 是否具备良好的应变  
。
统无法获得灾害发生时的数据  
为突破传统应变传感器在实际应用中有线的限  
。
传感能力还有待研究 笔者利用网络分析仪测量天  
，
线对应变的灵敏程度和线性度 这种有线的测量方  
［2］  
，
制 学者们设计并研究了多种无线传感器  
。
。
这些  
法可以精确标定天线的传感性能  
，
应变传感器通常用于测量单方向上的应变 这  
无线传感器通常使用传统应变传感器的基本敏感元  
，
件采集应变信号 利用模数转换器将采集的模拟信  
( )  
要求传感器对其测量方向上 天线长度方向 的应  
( 51478356) ;  
-
中央高校基本科研业务费 学科交叉类资助项目  
*
国家自然科学基金资助项目  
: 2017-01-11;  
: 2017-05-24  
修回日期  
收稿日期  
1
， :  
薛松涛 等 基于矩形贴片天线的应变传感器模拟与测试  
137  
第
期
［11］  
， (  
变具有足够的敏感性 且对垂直于测量方向上 天  
，
即
该天线的初始谐振频率与其长度有关  
) 。 ，  
线宽度方向 的应变不敏感 根据设计公式 矩形  
c
1
=
f
( 1)  
R0  
+
，
贴片天线正好具备此特性 笔者采用尺寸最小的矩  
L
2 L  
Δ
1
1
4
ε
槡
e
， 1 /4  
形贴片 即  
。
但
波长矩形贴片天线设计传感器  
: f  
; c  
为天线在初始谐振频率 为真空中的光  
其中  
R0  
， ，  
是 设计公式对天线模型进行了简化 该公式常用于  
;
速 ε 为介质板的等效介电常数  
e
; L  
为上辐射贴片  
1
，
指导天线设计 能否精确描述应变对天线谐振频率  
; L ， 、  
的长度 Δ 为天线的附加长度 与天线宽度 厚度  
1
。 ，  
的影响还有待进一步研究 因此 笔者通过模拟和  
。
及材料有关  
实验来研究贴片天线在长度和宽度方向上的应变与  
，
当天线在长度方向上经历应变 ε 时 谐振频率  
。
其谐振频率偏移的关系  
f
。
会发生相应改变 当 Δ  
L
L
，f  
时 会与应变呈  
R
≤
R
1
1
，
现近似线性关系 即  
1
应变传感器工作原理  
f
c
1
R0  
=
－
)
ε
f
f ( 1  
R0  
≈
≈
R
贴片天线应变传感器根据天线谐振频率的偏移  
+
+
( 1 )  
ε
L ( 1  
1
)
ε
4
ε
槡
e
，
来测量应变 谐振频率是天线的最佳工作频率  
。
当
( 2)  
，f  
主要受天线长度方向上应变  
，
天线以谐振频率工作时 被天线反向散射的能量最  
( 2)  
由式  
可知  
R
， 。  
少 天线接收的能量最多 谐振频率的偏移与天线  
， f ， f 。  
的影响 且 与 ε 成线性关系 斜率约等于 因  
R R0  
，
尺寸的变化存在一定关系 当天线的电长度增加时  
，
，f  
R0  
，
越大 传感器的灵敏度越高  
。
此
;
天线的谐振频率将会降低 当天线的电长度减小时  
，
。
天线的谐振频率将会升高  
1．2  
贴片天线谐振频率的检测技术  
1．1  
贴片天线谐振频率与应变的关系  
笔者采用网络分析仪测量无负载情况下贴片天  
。 ，  
线的谐振频率 首先 将网络分析仪通过同轴线与  
1
如图 所示  
，1 /4  
波长矩形贴片天线的顶部由  
; ， f  
天线的馈电点相连 其次 网络分析仪以频率 向天  
、 、 ，  
上辐射贴片 匹配线 馈电点和过孔组成 通过馈电  
P ( f)  
，
的电磁波 网络分析仪接收到  
线发射功率为  
被天线反射回来的电磁波 其功率为  
( 3)  
， ，  
点和匹配线 天线与负载连接 只有当天线与负载阻  
in  
，
P ( f) 。  
ref  
， 。  
抗匹配时 二者才能较好地协同工作 天线的底部  
根据  
， 、  
是下辐射贴片 介质板位于天线上 下辐射贴片之  
S ( f)  
计算天线在该频率的回波反射系数  
11  
式
。
、 ，  
天线的上 下辐射贴片都由黄铜制成 介质板由  
间
P ( f)  
ref  
=
S ( f) 10lg［  
11  
］
( 3)  
。 ， 、  
有机材料制成 过孔贯穿了整个介质板 并将上 下  
P ( f)  
in  
。
辐射贴片短接起来  
，
在某一频段范围内的每一个采样频率点 通过  
，
网络分析仪测量天线的回波反射系数 最终可获得  
。
这一频段范围的回波反射曲线 天线回波反射曲线  
f ，  
R
的最小值点对应的频率为天线的谐振频率  
即天  
S ( f)  
11  
f
在其谐振频率 处达到最  
R
线的回波反射系数  
。 ，  
小值 当天线尺寸发生改变时 回波反射曲线也随  
， 2 ，  
之变化 如图 所示 天线的谐振频率会发生相应的  
。
变化  
1
1/4  
图
波长矩形贴片天线  
Fig．1 The quarter-wave patched rectangular antenna  
2
图
回波反射曲线和谐振频率  
Fig．2 Reflection curve and resonance frequency  

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