微带贴片天线应变传感器优化设计研究.pdf

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微带贴片天线应变传感器优化设计研究.pdf,承载部件作为高端装备中最常见的结构单元,在役过程中受载荷和应力集中影响极易萌生裂纹,导致结构失效,实时监测结构关键部件的应变状态对保障结构健康至关重要。基于微波无损检测技术,揭示了矩形微带贴片天线的辐射元尺寸对其固有谐振频率的影响规律,探究了微带贴片天线谐振频率与应变的相互作用机理。矩形微带贴片天线可激发单频和双频谐振频率,改变矩形辐射元的长度或宽度,其谐振频率会发生频移。实验结果表明,当对金属接地板施加一定拉应力时,贴片天线几何尺寸会发生改变,其谐振频率也随之发生偏移,据此可推算出金属接地板的应变大小,这对关键承载部件的应变和裂纹实时监测具有重要的
第2期 何存富等:微带贴片天线应变传感器优化设计研究 363 KEL (11)中,A组的9个传感器辐射元宽度均为12mm,长度为 13~21mm,间隔1mm;B组传感器辐射元长度均为12 式中:=-f。常数K表示天线传感器频移量受应变mm,宽度为13~21m,间隔1mm;C和D组传感器在 影响的灵敏度。综上可知根据天线传感器的谐振频移宽边1/4处馈电,辐射元的尺寸分别与A组和B组的相 量,可推算出金属接地板的应变大小,因此研究天线传感同,谐振模态有TM和TM两种。通过式(4)计算可得 器几何尺寸对谐振频率的影响,为探究不同谐振频率的天f0和f1理论值如表2所示。 线传感器对应变测量的灵敏度有着至关重要的作用。 表1天线传感器相关设计参数 2.3天线传感器的制作 Table 1 Design parameters of RMPA 贴片天线传感器的馈电方式为微带线馈电,如图3组别馈线位置辐射元长度/m辐射元宽度/m激励频率 所示,馈电位置的不同会影响天线的谐振频率。假设天 13,14,15,…,21 12 f 线传感器的馈电边为宽边,波传播方向与辐射元长边平 宽边1/2处 B 13,14,15,…,2101 行。馈线位置居中,即在宽边的1/2处,若长边尺寸大于 C 13,14,15,…,21 12 宽边,将激发TM模态的谐振,对应的频率用f0表示;若 宽边1/4处 和 13,14,15,…,21 长边尺寸小于宽边,将激发TMo1模态的谐振,对应的谐 振频率记为fo1;当馈线偏心馈电时,如在宽边的1/4处馈 电,将同时激发TM和TMa模态的谐振。f1o可由式(4) 表2谐振频率理论计算值 Table 2 The calculated theoretical values of 获得,将式(4)中L与W互换,即可得到fH。 resonant frequency W 3W4 辐射元长度/宽度/mmfo理论值/ GHz fo1理论值/GHz 6.25 6.77 6.77 5.42 16 5.08 6.77 (a)宽边1/2处 (b)宽边1/4处 4.79 图3微带贴片天线两种馈电位置 6.76 Fig. 3 Two types of feeding location of micro-strip 6.76 patch antenna 4.07 6.76 为探究微带贴片天线辐射元尺寸和馈电位置对谐振 3.88 6.76 频率的影响,根据两种不同的馈电位置,设计4组不同尺 寸的天线传感器。传感器的介质基层为聚酰亚胺薄膜 介电常数为3.4,厚度为52pm;介质基层的一面为矩形 天线传感器谐振频率的实验研究 压延铜,视为天线传感器的辐射元,为减小插入损耗,将 微带馈线与辐射元制为一体;介质基层的另外一面利用胶 利用安捷伦网络分析仪(N5225A, agilent inc 液使其粘附在铝板上。贴片天线传感器实物如图4所示。USA)对传感器谐振频率进行检测提取,检测参数为 S1(dB),即网络分析仪1端口自激自收,结果表现形式 为反射信号的对数幅值(回程损耗)。在传感器的谐振 频率点处,激励的微波信号将被传感器的谐振腔吸收,故 该频率点下,信号的回程损耗最大,因此,将S1曲线中 回程损耗最大值对应的频率视为传感器的谐振频率。 3.1传感器中心馈电检测结果 图4不同尺寸传感器实物 综上可知,辐射元长度对的谐振频率的影响远大于 Fig 4 The photo of sensors with different sizes 宽度,且随着长度的增长,天线传感器谐振频率随之减 小;随着辐射元宽度的增长,谐振频率变化量较小。表1 表1所示为4组天线传感器相关设计参数,A与B中,中心馈电的A和B两组传感器谐振频率检测结果分 两组传感器为中心馈电,仅激励出单一频率的谐振,其别如图5(a)和(b)所示。 364 仪器仪表学报 第38卷 传感器中心馈电时,辐射元的长度和宽度对谐振频3.2传感器偏心馈电检测结果 率的影响如图6所示,其中f10与G两频率分别与TM0和 由于表1中的C组传感器长边尺寸大于宽边,因此 TMn模态相对应。由图5和6可知,中心馈电时,天线传f的回程损耗大于/1;D组传感器宽边尺寸大于长边,则 感器固定尺寸下的S1曲线仅有一个最低点,即仅激发了f的回损耗大于f。在辐射元宽边14处馈电的C和D 单一模态的谐振频率;辐射元宽度不变时,随着长度增两组天线传感器检测结果如图7所示。由图7可知,传 长,n逐渐递减,理论与检测结果相一致;辐射元长度不感器偏心馈电时,固定辐射元尺寸下的S1曲线有两个波 变时,随着宽度的增长,f几乎保持不变。 谷,两个最低点对应的频率值即为天线传感器的两个谐 13mm口16mm-◆19mm D14mm◆17mm-★20mm 振频率。如图7(a)中,当辐射元长度为15mm时,S1曲 15 mm 18mm-△21mm 线在5.67和6.77GHz处出现最小值,将其视为该尺寸 度989含4 天线传感器的两个谐振频率;图7(a)为C组传感器,即 口以 传感器辐射元长度不同时的检测结果,0的回程损耗大 -10 于fG;图7(b)为D组传感器,即传感器辐射元宽度不同 时的检测结果,fo的回程损耗大于fo 传感器在辐射元宽边1/4处馈电时,辐射元的长度 -20 和宽度对谐振频率的影响如图8所示。传感器偏心馈电 时,辐射元长度和宽度对两个谐振频率的影响与中心馈 4.5 5.5 6.0 6.5 电时得到的结果一致:/随着辐射元的长度增长而减小, 频率/GHz (a)不同长度的检测结果 ∫G随着辐射元宽度的增长几乎保持不变。 (a) The testing result with different length 13mm-口16mm-*19mm b14mm◇17mm -20 mm 415mmV-18mm-△-21mm D-14 mm ↓一 nm ◇17mm v-18 mm 64 19m 15 mn 6.0 6.5 7.5 8.0 频率/GHz (b)不同宽度的检测结果 f0(15mm) (b) The testing result with different width 54.04.5505.56.06.57.075 频率/GHz 图5中心馈电时天线传感器辐射元检测结果 (a)不同长度的检测结果 Fig. 5 The testing result of rmPas radiate unit (a) The testing result with differnt length 庭简笔画译新 f理论值 测量值 g151-0-13 mm-v-18 mm 理论值 →D14mm-*19mm fn测量值 20←15mm★20mm f10(14mm) 口16mm 21 mm 25-◆17m f1(14mm) 395 4.04.55.05.5606.57.07.5 141516 频率 辐射元长度/宽度/m (b)不同宽度的检测结果 (b) The testing result with different width 图6中心馈电时传感器辐射元的长度和 图7宽边14处馈电时天线传感器辐射元检测结果 宽度对谐振频率的影响 Fig.7 The testing result of rmpa 's radiate unit in Fig 6 Influence of length/width of sensor radiation non-central feed element on resonant frequency on center feed 第2期 何存富等:微带贴片天线应变传感器优化设计研究 365 !,本 4.2测量结果 微波无损检测检测装置如图10所示。结合悬臂板 f测量值(C) f测量值(C 测量值(D)一测量值①D 尺寸及铝的力学性能,保证铝板在弹性变形阶段。在悬 臂板自由端施加的负载范围为0~200g,间隔20g。辐 射元长度为13mm的天线传感器检测结果如图11(a)所 4 示,绘制线性拟合曲线如图11(b)所示。 辐射元长度/宽度/mm 图8宽边14处馈电时传感器辐射元的长度和 宽度对谐振频率的影响 Fig8 Influence of length width of sensor radiation 网络分析仪 悬臂板 element of resonant frequency in 1/4 feed 砝码 4悬臂板应变实验测量 图10悬臂板应变测量实验装置 当对天线传感器的金属接地板施加应力时,其几何 Fig 10 Experiment system of strain measurement 参数会发生改变。传感器的谐振频率对其几何参数非常 敏感,当其受到应力时,谐振频率将发生偏移。故通过测 量谐振频移量,可推知基体应变大小 皇皇皇 4.1实验条件 N。 为探究基于微带贴片天线传感器的结构应变测量的 D20g一☆140g 可行性,搭建悬臂板系统。悬臂板的材料为1060号铝, -40 160g 口-60g 180g 尺寸如图9所示。悬臂板一端固定,通过在板的另一边 ◆80g 200g v-100 自由端施加负载以产生应变。为增加实验可信度,选取 5.5 6.5 3款不同尺寸的天线传感器进行测量,其辐射元宽度均 频率/GHz (a)实验结果 为12mm,长度分别为13、17和2lmm,馈电方式为中心 (a) Testing result 馈电。将传感器粘结在悬臂板上时,令辐射元的长度方 6.05 o实验结果 向与板的长度方向平行,即沿辐射元长度方向施加负载。 线性拟合 由于悬臂板根部位置应变最大,因此将贴片传感器贴于 ⊙5.95 靠近固定端的位置。若在自由端施加负载P,则天线传 5.90 R20.98 感器的接地板所受的应变如式(12)所示。 5.85 K=-18.34kHz/μa 00.010020.030.040.050.060.07 应变/% (b)拟合曲线 (b) Linear relationship 5 图11辐射元长度为13mm时 单位:mm Fig 11 When the length of radiating element is 13 mm 图9悬臂板尺寸设计图 Fig 9 Diagram of cantilever 由图11可知,辐射元长度为13mm的天线传感器可 以对悬臂板的应变进行测量,且随着应变的增大,传感器 6P(L-x (12 谐振频率逐渐减小。辐射元长度为17和18mm检测结 Ebt 果的拟合曲线如图12所示。 式中:L、b和t分别代表悬臂板的长度、宽度和高度,x为 综上可知,3款传感器均实现了对悬臂板应变的检 贴片传感器中心距板固定端的距离,E为弹性模量。 测。辐射元长度为13、17和21mm的传感器检测灵敏度 因为辐射元铜箔的泊松比与介质基体聚酰亚胺分别为18.342.63和10.69kHz/μ,拟合优度分别为 的泊松比v,相同,均为0.8,因此天线传感器谐振频移量0.980.95和0.97,拟合度较好。检测结果验证了利用 与应变的关系可由式(11)得到。 微带贴片天线进行金属基体应变检测的可行性。 366 仪器仪表学报 第38卷 4.95 o实验结果 的接触式检测,该实验装置具有简单易行、拆卸方便、可 线性拟合 重复性高等优点,同时也存在一定弊端,例如SMA接头 的焊接状况对检测干扰较大等。此外,由于天线传感器 R20.95 K=-2263 kHz/ 的介质基层与被测试件(金属接地板)之间的结合方式 为胶粘,因此,胶液的引入对天线谐振频率有一定的影 4.75 响,故实验测得的谐振频率与理论谐振频率存在一定偏 00.010.020.030.040.050.060.07 应变/% 差。综上所述,本文为利用天线传感器实现高精度、快速 (a)辐射长度为17mm (a) The length of radiating element is 17 mm 的检测方法,及利用同轴波导探头或喇叭天线等,进行非 3.712 接触检测提供了可能。 实验结果 3.710 线性拟合 参考文献 3.708 [1 MOHAMMAD I, HUANG H Y. Wireless interrogation of 3.706 K=1069kHz/μe antenna sensor to detect hidden cracks[C]. IEEE 3.704 Wireless and Microwave Technology Conference, 2012 1-5 3.702 00.010.020.030.040.050.060.07 应变% [2]王红军,汪亮.基于多域空间状态特征的高端装备运 (b)辐射长度为21mm 行可靠性评价[J].仪器仪表学报,2016,37(4): (b)The length of radiating element is 21 mm 804-810 图12辐射元长度为17和21mm时, WANG H J, WANG L. High-end equipment operating 传感器谐振频率与应变的关系 reliability assessment based on multi-domain status Fig 12 Linear relationship between resonant frequency space[ J]. Chinese Journal of Scientific Instrument and strains when the length of radiating element is 17 2016,37(4):804-810 and 21 mm [3]王建华,敬大德,曹少飞.基于双悬臂梁结构的应变 测量传感器研究[J].传感技术学报,2005,18(3) 5结论 589-592. WaNG JH, JIN DD. CAO SH F. Research of strain 本文对新型微带贴片天线应变传感器辐射元尺寸和 measurement sensor based ouble cantilever 馈电位置对谐振频率的影响进行了实验研究,并利用网 beam[ J]. Chinese Journal of Sensors and Actuators 络分析仪对传感器谐振频率进行提取。通过悬臂板实 2005,18(3):589-592. 验,验证了该传感器对于应变检测的可行性 [4 THAITT, AUBERT H, PONS P, et al. Novel design of 实验结果表明,天线传感器辐射元的尺寸对其谐振 a highly sensitive RF strain transducer for passive and 频率有着至关重要的影响。当矩形辐射元宽度一定时 remote sensing in two dimensions[ J]. IEEE Microwave 长度越长,其谐振频率越小,检测结果与理论值有较好的 Theory and Techniques, 2013, 61(3): 1385-1396 致性;当辐射元长度一定时,辐射元的宽度对谐振频率[5]杨双龙,徐科军,舒张平,等.应变式多维力传感器 的影响较小。微带馈线的位置会影响传感器激发的谐振 的故障诊断方法与实现[J].电子测量与仪器学报, 模态,中心馈电时,将激发纯净的单一模态的谐振频率, 2016,30(9):1361-1371 若矩形辐射元长边尺寸大于宽边时,获得的谐振频率为 YANG SH L, XU K J, SHU ZH P, et al. Fault diagnosis method and realization for strain gauge multi-axis force fo;反之,获得的谐振频率为fG1;馈线位于宽边1/4处时 sensor[J]. Journal of Electronic Measurement and 将激发双频的谐振模态,若矩形辐射元长边尺寸大于宽 Instrument,2016,30(9):1361-1371 边时0的回程损耗大于fm;宽边尺寸大于长边时,回6]孙圣和.现代传感器发展方向[J].电子测量与仪器 程损耗大于fo。 学报,2009,23(1):1-10 利用天线传感器对悬臂板应变检测结果表明,随着 SUN SH H. Development trend of modern sensor[J J 应变的增加,天线的谐振频率成线性减小的趋势,因此可 Journal of Electronic Measurement and Instrument. 2009 根据测量传感器的谐振频率偏移量推算出基体所受应变 23(1):1-10 大小。测量结果的拟合曲线拟合度较优,均达到0.95以[7] DALIRI A, GALEHDAR A, JOHN S,etal. Wireless 上 strain measurement using circular microstrip patch 本文利用同轴电缆、SMA射频接头等实现了传感器 antennas[ J. Sensors and Actuators A Physical, 2012 第2期 何存富等:微带贴片天线应变传感器优化设计研究 367 184(3):86-92 and Maintainability Symposium( RAMS), 2015: 1-6 8]张晓星,唐炬,彭文雄,等.GS局部放电检测的微带15] TATA U S. Study of patch antennas for strain 贴片天线研究[J].仪器仪表学报,2007,27(12) measurement[D]. Arlington University of Texas, 2008 1595-1599 作者简介 ZHANGXX, TANG J, PENG WXet al. Study on the 何存富,1985年于太原工业大学获得学 outer UHF microstrip patch antenna for partial discharge 士学位,1990年于华中理工大学获得硕士学 detection in GIS[J. Chinese Journal of Scientific 位,19%6年于清华获得博士学位,现为北京 Instrument,2007,27(12):1595-1599 工业大学教授、博士生导师,主要研究方向 [9 HUANG H. Flexible wireless antenna sensor: A 为机械测试理论、方法及技术、超声无损检 review [J. Sensors Journal IEEE, 2013, 13(10 测新技术、传感器测试技术。 3865-3872 E-mail:cunfuhe@@gmail.com [10]陈永良.矩形贴片微带天线直线阵优化的初步研 He Cunfu received his B. Sc. degree in 1985 from Taiyuan 究[D].成都:西南交通大学,2005 University of Technology, and received his M. Sc. degree in 1990 CHEN Y L Optimization study on linear arrays with from Huazhong University of Science and Technology,and rectangular patch elements [D]. Chengdu: Southwest received his Ph D. d e egree in 1996 from Tsinghua University Jiaotong University, 2005 Currently, he is a professor and doctoral supervisor in Beijing [11 MOHAMMAD I, HUANG H Y. Wireless interrogation of University of Technology. His main research interests include antenna sensor to detect hidden cracks[C]. Wireless and measurement theory and method and technology of mechanical Microwave Technology Conference IEEE, 2012: 1-5 new ultrasonic nondestructive tesing technologies and sensors and [12] TATA U, HUANG H, CARTER R L, et al. Exploiting a Measurement Technology patch antenna for strain measurements[ J. Measurement 闫天婷,2014年于北京工业大学获学士 Science Technology, 2009, 20(1): 1-7. 学位,现为北京工业大学硕士研究生,主要 [13]车升余.宽频带双极化微带贴片天线的研究[D].哈 研究方向为现代测控技术及仪器。 尔滨:哈尔滨工业大学,2011 E-mailyantianting@emails.bjut.edu.cn CHE SH Y. Research of the broadband dual-polarized Yan Tianting received her B Sc. degree in microstrip patch antenna[ D]. Harbin: Harbin Institute of 2014 from Beijing University of Technology Technology, 2011 and she is currently a master student in Beijing University of 14 WANG WJ, LIU T, GEH Y, et al. Strain measurement Technology. Her main research interests include measurement based on microstrip patch antennas[ C]. IEEE Reliability and control technology and instrument

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