CN102859889A - 非线性共振传感器及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提出了一种典型地基于铁电变容二极管的无源无线共振非线性传感器。当被读取器设备以两个接近定位的频率照明时，传感器以互调频率答复其数据。本文推导了这种传感器的响应的理论方程，通过模拟证实了该理论，并且介绍了基于铁电变容二极管的温度传感器。

Description

非线性共振传感器及方法

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的非线性共振传感器。

本发明还涉及一种方法。

背景技术

在现有技术中存在无源无线传感器、电池辅助的半无源传感器，或者具有无线电发射机和电池的有源传感器。无源传感器的优势在于其寿命或操作条件不受电池限制，并且价格低。无源无线传感器的例子有硅基射频识别(RFID)标签、表面声波(SAW)RFID，以及电感耦合的谐振电路传感器。

RFID标签基于集成电路(IC)，这带来了例如可重写存储和防冲突协议等若干复杂的特性。由于可大批量生产，因此RFID标签的成本低廉。RFID最广泛地应用于识别，但也能够用来通过在标签上增设传感元件以实现其它的传感器^[1],[2]。无源RFID具有一些缺点。产生IC所需功率的功率整流器限制了最大的读出距离和最高的操作频率。因此，RFID并不能很好地适用于要求远距离或高操作频率的场合。需要高操作频率来得到小的标签尺寸和标签的精确空间定位。

SAW标签将电磁能转换成沿着压电衬底传播的SAW。SAW之后被处理并转变回电磁波。SAW标签可很好地用作传感器，这是因为SAW的传播性质可调节成对若干被测量（例如温度或应变）敏感，并且不必需要外部的传感器元件，尽管仍有可能使用这样一个传感器元件^[3]。在文献[4]中对SAW传感器进行了综述。典型地，最高操作频率被制作于衬底上的声反射器的线宽限制为几千兆赫(GHz)。

电感耦合的谐振电路传感器例如用来测量应变^[5]和湿度^[6]。这些传感器包括简单的谐振电路，其谐振频率对被测量敏感。该简单的传感器结构带来了低制造成本。然而，这些传感器不能长距离地读取，这是因为其要求与读取器设备近场耦合。

无源无线传感器还可以通过微机电系统(MEMS)技术来实施^[7]。当以两个不同的频率照明时，MEMS传感器以互调频率答复传感器数据。互调询问概念^[8]有些类似于首先被提议用于交通应用^[9]而之后用于跟踪昆虫^[10]-[12]和雪崩受害者^[13]的谐波雷达。谐波混合上的互调的优势是，所传送和所接收的信号之间的较小的频率偏差有利于线路设计，并且使得能够完成频率调节。

互调雷达用于判定混凝土结构中的加固钢材构件中是否存在金属腐蚀^[14]，并且用于检测行人、骑自行车者和其它在交通意外中具有高重伤风险的道路使用者的汽车雷达^[15]。在文献[16]介绍了使用雷达目标的非线性特性的通用雷达的概念。

作为结论，目前尚未得到具有外部传感器接口的RFID标签。识别RFID标签被限制在低的频率和相对短的读出距离，并且不能很好地适合于严酷的环境（高温等）。

SAW解决方案仅适合于特定的被测量（温度、应变），并且被限制为低于几个GHz的频率。它们通常也非常昂贵（在压电衬底上制成）。

共振传感器的询问要求近场耦合，并且这些传感器因此被限制在很短的读出距离。这些传感器还要求更复杂的读出技术，这是因为传感器和读出单元之间的耦合会影响传感器。

发明内容

本发明旨在消除现有技术中的缺陷，以创造一种全新类型的非线性传感器以及方法。

本发明基于典型地为铁电变容二极管的非线性传感器，其使用互调混合原理来进行询问。该传感器提供了类似于电感耦合的谐振电路传感器的简单架构，但是询问距离明显更大。

换言之，本发明典型地为基于铁电变容二极管或其它非线性元件的无源无线传感器。当被读取器设备以两个接近定位的频率照明时，传感器以互调频率答复其数据。该传感器概念可以用来实现不同的能够在长距离上读出的低成本传感器。

进一步地，该传感器典型地包括与铁电变容二极管或其它非线性元件直接匹配的天线。该传感器以两个接近定位的频率照明，并反应出在非线性元件中产生的互调频率。

该传感器具有对被测量如温度敏感的阻抗。传感器的共振频率和品质因数基于互调响应来决定。共振频率和品质因数与对被测量敏感的阻抗相关。

更明确地说，根据本发明的传感器的特征如权利要求1的特征部分所述。

根据本发明的方法的特征依次在于权利要求7和8的特征部分中描述。

通过本发明获得了显著的优点。

根据本发明的传感器能很好地适合于例如因严酷的操作条件、旋转部件或布线的成本高且复杂而引起的有线读出困难时的应用。一个明显的潜在应用领域是工业机械和引擎中的温度测量。铁电变容二极管可以使用薄膜制造技术来成本合算地实现，并且其为固态器件，这两者例如对于基于MEMS的非线性元件来说均是有利的。最后，还存在使用印刷电子器件制造方法来对整个传感器进行极低成本的大规模生产的前景^[17],[18]。

可以在需要低成本的无源传感器的应用中使用该传感器，例如在建筑结构中测量湿度、应变或温度。另外，该传感器的解决方案能很好地适合于在严酷的操作环境中的应用。

包括但不限于印刷电子器件方法的低成本制造技术在实现商业可行性的方面是关键的。

本发明可实现低成本的无源无线传感器。目前仅存在一些能够用来实现无源无线传感器的技术。这些技术具有若干缺点，并且只能用来实现针对数量非常有限的被测量（温度、应变等）的传感器。

本发明具有很高的商业意义。其主要应用可以为置于建筑结构内的湿度传感器，或设在严酷环境（例如机械）内的温度计。诸如印刷电子器件方法的低成本制造技术可以实现在使用现有技术中的解决方案无法达到目的的应用和商业可行性。

附图说明

在下文中，将根据附图并通过实施方案的实施例来说明本发明。

图1显示了根据本发明的基于铁电变容二极管的传感器的等效电路。

图2显示了用来测量互调转换效率和铁电器件的温度的测量机构。

图3示意性显示了用来在APLAC中模拟铁电变容二极管的互调响应的电路。之前已经有效地使用APLAC中的类似模型来为复杂的非线性杜芬效应和在例如微机电器件中的互调行为建模^[21]-[23]。

图4通过图表显示了计算、模拟和测量的根据本发明传感器的作为频率的函数的转换损耗。无线测量的曲线中的绝对功率电平或许不精确。

图5通过图表显示了测量和拟合的根据本发明传感器的作为频率的函数的转换损耗。不同的曲线对应于不同的温度。

图6通过图表显示了根据本发明传感器的测量的温度响应。

图7通过图表显示了测量、计算和模拟的根据本发明传感器在1.36GHz下作为输入功率电平的函数的转换损耗。

图8通过图表显示了根据本发明的传感器在不同功率电平下的铁电变容二极管的拟合参数

图9作为俯视图显示了根据本发明的一个传感器元件。

图10作为侧剖视图显示了图9的传感器。

图11作为框图显示了根据本发明的定向反射器的一个实施方案。

图12作为框图显示了本发明的一个实施方案。

具体实施方式

一传感器的操作原理

传感器包括与天线共轭匹配的铁电变容二极管。图1显示了传感器的等效电路。天线通过电压V_g和内电阻R_s表示为等效电压源。匹配电路包括分流电容C_m和串联电感L_m，并且可以包括在天线中或作为单独的电路来实现。电阻R_f表示变容二极管的损耗，而C_f(V)将非线性电容与电压相关。与非线性电容并联的电流源用来表示下述分析中的变容二极管上的调制电流。

所介绍的传感器可以使用任何非线性元件来实现，但是下述分析考虑的是顺电模式的钛酸钡锶变容二极管Ba_xSr_1-xTiO₃(BST)。此变容二极管在零偏离时具有对称的C-V曲线，并且其自身能够很好地产生互调混合产物。

A．传感器的互调响应

在下文中将推导出使两个频率下的驱动信号与互调频率下的传感器响应相关联的方程。对于两个输入频率来说，假定有相同的低驱动功率电平。

传感器天线表示为等效电压源，如图1所示，其产生电压

$V_g=2\sqrt{2P_{\mathrm{in}}{R}_s}(\cos {\mathrm{\ω}}_{1}t+\cos {\mathrm{\ω}}_{2}t),---\left(1\right)$

其中P_in是一个频率处的接收功率，R_s是天线的等效电阻，并且ω₁和ω₂是驱动信号的角频率。变容二极管上的电压大约为

$V_{\mathrm{fe}}\≈\frac{2\sqrt{2P_{\mathrm{in}}{R}_s}(\cos {\mathrm{\ω}}_{1}t+\cos {\mathrm{\ω}}_{2}t)}{\mathrm{j\ω}{C}_{\max }(R_s+(Z_f+j{\mathrm{\ωL}}_m)(1+j{\mathrm{\ωC}}_m{R}_s))}$

$={\hat{V}}_{\mathrm{fe}}(\cos {\mathrm{\ω}}_{1}t+\cos {\mathrm{\ω}}_{2}t),---\left(2\right)$

其中Z_f＝R_f+1/(jωC_max)是铁电变容二极管的阻抗，R_f为变容二极管的非电压依赖的串联电阻，而C_max为变容二极管的零电压电容。为简单起见，假设系统的电频宽远大于ω₁和ω₂之间的频率差，即ω≈ω₁≈ω₂。BST顺电变容二极管的电压依赖性可以如文献[19]解释为

$C_f\left(V\right)=\frac{C_{\max }}{2\cosh \left[\frac{3}{2}\sin h^{-1}\left(\frac{2V}{V_{1/2}}\right)\right]-1},---\left(3\right)$

其中C_max为最大电容，而V_1/2为电容减半处的电压。可以在小电压处接近该电容，其二阶泰勒展开式为

$C_f\left(V\right)\≈C_{\max }(1-\frac{16}{9}\frac{V^2}{V_{1/2}^2}).---\left(4\right)$

变容二极管上的调制电流约为

$I_f=\mathrm{j\ω}{C}_f\left(V_{\mathrm{fe}}\right)V_{\mathrm{fe}}\≈\mathrm{j\ω}{C}_{\max }{V}_{\mathrm{fe}}(1-\frac{16}{9}\frac{V_{\mathrm{fe}}^2}{V_{1/2}^2}).---\left(5\right)$

将式（2）带入式（5），得到互调频率下的电流分量

$I_{\mathrm{fe},\mathrm{IM}}=\frac{4}{3}{\left(\frac{2\sqrt{2P_{\mathrm{in}}{R}_s}}{(R_s+(Z_f+\mathrm{j\ω}{L}_m)(1+\mathrm{j\ω}{C}_m{R}_s))}\right)}^3\cos \left((2{\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)t\right).---\left(6\right)$

如图1所示，该电流由与变容二极管并联的等效电流源产生。互调频率下的辐射功率（与R_s中耗损的功率等效）为

$P_{\mathrm{IM}}={\left(\frac{16\sqrt{2}{R}_s^2{P}_{\mathrm{in}}}{3V_{1/2}^2{\mathrm{\ω}}^3{C}_{\max }^3{|R_s+(Z_f+\mathrm{j\ω}{L}_m)(1+\mathrm{j\ω}{C}_m{R}_s)|}^4}\right)}^2{P}_{\mathrm{in}}---\left(7\right)$

B．作为传感器的应用

所介绍的概念允许两个传感器参数的无线测量，即共振频率(f_r)和品质因数(Q)。无线传感器可通过将传感器设计成使得f_r或Q或这二者都对例如温度、应变或湿度的被测量敏感来实施。所介绍的铁电器件可用作温度传感器。铁电变容二极管的电容典型地是温度的强函数^[20]。

理想的顺电变容二极管的有效阻抗在由上述变容二极管的互调响应的推导中所假设的低功率电平下是非功率依赖性的。当询问传感器时，该小的信号假设可以通过例如比较在不同功率电平下测量的传感器响应来验证。

二实验和模拟

A.测量机构

图2显示了用来测量传感器的互调频率响应的有线测量机构。通过信号发生器（Agilent E8257D和Agilent E8257C）产生两个输入音调，它们通过隔离器、功率组合器和环形器馈送给测试仪器。反射信号通过环形器分离开，并且馈送到用来测量互调频率下的功率的频谱分析仪（Rohde&Schwarz FSEM）。在频谱分析仪之前应用衰减器来抑制分析混波器中的三阶混合。变容二极管在直流电的情况下使用偏置器Bais-T来短路，以避免可能的自偏。

在温度传感器的情况中，铁电器件在低温探针台（Nagase&Co.LTD,BCT-21MRFZ）中冷却。作为参考，变容二极管的零电压电容的温度依赖性通过阻抗分析仪来测量。

除了有线测量，传感器的互调响应还被无线式测量。环形器连接到宽频喇叭天线（BBHA 9120A，德国Schwazbeck-Mess Elektronik公司），并且铁电传感器通过同轴电缆连接到半波长偶极天线。该半波长天线置于低温探针台之外，使得天线之间的距离为0.4m。

B．模拟

铁电传感器的互调响应通过Aplac¹软件（AWR公司，美国加州El Segundo）来模拟，该软件使用包括一直到三阶的谐波频率的谐波平衡模拟。图2显示了铁电传感器的电路示意图。铁电变容二极管的电压依赖电容通过动态的电压控制的电流源来建模，该电流源的电荷作为电压的函数表示为

$Q\left(V\right)=\frac{3C_{\max }{V}_{1/2}}{2}\sinh \left(\frac{1}{3}\sin h^{-1}\left(\frac{2V}{V_{1/2}}\right)\right)---\left(8\right)$

式（8）给出的电荷-电压依赖性是式（3）中的电压的积分，并且与式（3）中给出的C-V曲线等效^[19]。

C.测量的和模拟的铁电传感器

如图1所示，铁电传感器包括具有串联电感器和分流电容器的在1.35GHz下与50Ohm匹配的铁电变容二极管。测量的变容二极管在290K下的零电压电容为C_max=1.2pF，其串联电阻为R_f=3.7Ω。电容减半时的电压在110MHz下在从10到500mV的不同激励电压下通过阻抗分析仪（4294A，Agilent Technologies公司）测量，得到V_1/2=7.5V，其不依赖所施加的激励。匹配的电感器和电容器的标称值分别为13nH(±5%)（LQW04AN13NJ00，Murata Manufacturing公司）和10.3pF。在模拟和计算中使用12.7nH的电感值，并发现其可提供最佳拟合。提供最佳拟合的电感值很好地处于制造商提供的公差极限内。

表1总结了在模拟和计算中使用的铁电传感器的参数。

表1在模拟和计算中使用的铁电传感器的参数

1拟合于测量

D.传感器的频率响应

图4显示了计算的、模拟的和测量的作为频率的函数的传感器的互调转换损耗(P_in/P_IM)。信号之间的频率偏差为100kHz，并且信号强度为-21dBm。传感器处于290K的温度。无线测量中的绝对功率电平是不精确的，这是因为测量并非在电波暗室中执行，并且天线也未被完全表征。

计算的、模拟的和测量的转换损耗很一致。无线测量的曲线中的微小偏差可能是由于传感器天线的轻微不匹配所引起。应注意到，无线测量中的低信噪比阻止了测量出高的转换损耗值。

E.传感器的温度响应

温度影响了铁电变容二极管的V_1/2和C_max。根据式（7），在所有频率下V_1/2对转换损耗具有恒定的影响，其中C_max还影响匹配频率。可用原型装置来作为温度传感器，这通过测量转换损耗的频率响应并发现如下定义的能在理论的和测量的响应之间提供最佳拟合的C_max来实现

$\underset{A,C_{\max }}{\min }\left\{{(A{L}_{\mathrm{meas}}\left(f\right)-L_{\mathrm{calc}}(f,C_{\max }))}^2\right\},---\left(9\right)$

其中L_meas是测量的转换损耗的频率响应，L_calc是计算的转换损耗的频率响应，A为信号衰减。

图5通过拟合的曲线显示了在290K、260K和230K的温度下的测量的传感器的转换损耗。

图6显示了测量的变容二极管零电压电容C_max的温度响应。温度响应利用有线的和无线的机构并使用互调原理来测量。还显示了使用阻抗分析仪直接测量的变容二极管电容。

根据通过有线连接所执行的测量，C_max随温度而线性地变化。无线测量的结果相对有线测量的结果显示出轻微的偏差。这些偏差缘于较低的信噪比以及在拟合过程中未被考虑的传感器天线阻抗的轻微不匹配。变容二极管的电容值对于用来精确测量的阻抗分析仪来说是小的，并因此通过分析仪得到的结果显示出相对较大的变化。然而，通过阻抗分析仪得到的整体趋势与通过互调原理测量到的能很好地吻合。

应注意到，传感器的温度分辨率可以通过使用其介电常数对温度更敏感的铁电材料来增大。

F.传感器的功率响应

图7显示了测量的、模拟的和计算的作为输入功率的函数的传感器的转换损耗。

测量的转换损耗的斜率与计算的和模拟的理想响应稍有不同。偏差可能是由铁电变容二极管的阻抗的功率依赖造成的。模拟的转换损耗证实了该效果并非由于变容二极管的有效电容的变化所引起，该变化在高得多的功率电平（~-5dBm，从右下角的模拟响应相对计算响应的小偏差中看出）下产生。相反，所用变容二极管并非完全理想的，其阻抗依赖于所施加的电压。这可以是由于例如变容二极管并非理想地顺电、然而也具有寄生的铁电（可切换、自发偏振）性质。

通过测量T=290K时在不同功率电平下传感器的互调频率响应，并得到可提供测量和计算之间的最佳拟合的C_max和R_f，从而进一步量化输入功率对于传感器的测量精度的作用。图8显示了在不同的输入功率电平下的拟合值。

根据图8的拟合，铁电变容二极管的电阻R_f和电容C_max均显示出微小的功率依赖。在所用的从-31到-11dBm的输入功率范围内的电容变化为5fF（~0.4%的相对变化），其对应于图5所示温度测量中的约±5K的不确定度。要强调的是，功率依赖是由于所应用的铁电变容二极管的未优化的原型特性所引起，并且可以通过进一步的变容二极管的发展来完善。功率依赖还可以例如通过在不同的功率电平下执行测量来缓和。

G．传感器的检测距离

传感器的检测距离非常依赖于式（7）所给出的传感器的互调转换效率P_IM/P_in。实验传感器的最高转换效率受到了输入功率的限制，此处铁电变容二极管的等效阻抗变为功率依赖性的。在这种情况中，相应的输入功率约为-20dBm，转换损耗为47dB。

假设20dBm的传输功率、10dBi的读取器天线增益、3dB的传感器天线增益和-110dBm的接收器敏感度，原型传感器在1.35GHz下的检测距离为8m。传感器在8m处接收到的功率将为-20dBm，在此处测量的互调转换损耗为50dB。表2示出了相应的链路预算计算。

表2计算的通过读取器询问的铁电传感器的链路预算

传感器的检测距离非常依赖于式（7）所给出的传感器的互调转换效率P_IM/P_in。原则上可以通过降低V_1/2或提高传感器共振的电品质因数来使转换效率非常高。例如，BST变容二极管的钡比例会影响其V_1/2 ^[20]。铁电变容二极管的电品质因数取决于导体和介电损耗，并且对于GHz频率下的薄膜变容二极管来说处于10到几百的范围内^[24]。结果，传感器在几个GHz频率下的检测距离可以甚至是几十米。

作为例子，图9和10显示了低成本传感器的示意性布局。图9显示了传感器结构的俯视图，该传感器结构包括

1）导体101，其以适合的天线形状（例如图9中的环形天线）布置，

2）例如铁电材料的非线性绝缘层102，以及

3）第二导体（底电极）。

该结构建造在基底100上，如图10的剖视图所示。如图10进一步显示，导体层101和103布置成使得它们适当地重叠，以便与充当非线性绝缘体的层102一起形成电容器结构。该传感器结构因而实质上可以描述成包括由非线性电容器桥接的间隙的环形天线。该电容器用于感应出非线性响应（互调产物）。环路（电感部分）和电容器匹配，以产生所期望的共振。

该结构可以使用若干可能的方法来制造。这些方法包括

（i）传统的基于刚性基底（晶片）的方法，包括尤其是用于铁电层生长和为了低损耗而沉积足够厚的导体的方法（见Riekkinen等人的WO2008034940），

（ii）用于极低成本的传感器制造的印刷电子器件制造方法，

（iii）用来在困难的基片上和困难的传感条件（例如在机械零件上）下以成本效益合算的方式制造传感器结构的热喷涂方法。

本发明的一个实施方案是基于非线性后向散射的定向反射器。这类元件可用来反射汽车雷达的射频波束，使得由根据本发明的反射器所标记的对象的可视度在雷达图像中得到改善。可视度的改善基于机器的改善，其可以分开地或一起用于：

i）反射信号在频率中偏移，和/或

ii）反射信号定向到雷达信号的原点。

频移基于类似铁电的或像电容器、微机械共振器的顺电式元件的非线性元件，或者这些元件的组合。指向性基于猫眼视镜或定相的天线群。

反射器有利地是无源的，并且由印刷技术制造，但是该反射器也可以是有源的，其中使用电池供能的放大器来放大反射信号。反射器可用在服装中以用于例如检测行人，或者另选地用在汽车的保险杠中，用来改善对沿相同方向行驶的邻近交通工具或汽车的检测。

一直以来，前视雷达在轿车中更加受欢迎。这些雷达用于例如测量与下一辆车的距离。该测量例如可以辅助巡航控制仪器。该雷达可以用来例如检测其它的对象，比如动物和行人。行人将雷达射束散射到所有的方向，其中返回雷达的射频功率以及雷达的范围比定向反射的情况中要小。此外，例如从雷达图像中检测站立于刚性对象之前的儿童是困难的，这是因为来自儿童的反射会与来自刚性对象的反射会混合起来。如果雷达能够检测到站立的儿童，那么它也能对儿童突然冲入行车道的情况作出反应。一个可能的解决方案是用雷达可视的反射器来标记行车道的侧边。之后，装有雷达的汽车能够预见到急转弯，并警告司机过高的速度。有利地，行车道的侧边将用嵌入在行车道侧边的反射器来标记。这些反射器也可穿过雪和冰来检测到。对象的可视性可以通过用反射器标记对象来改善，该反射器直接反射到发送信号的原始方向，并且将反射信号改变为不同于原始发送频率的频率，或者备选地主动放大反射信号。飞机的有源应答器就是这类系统的一个例子。相同的原理还可以用于在商店的安全端口中使用的防盗报警系统中。在这些例子中，卖出的产品包括非线性元件，该元件创建由检测端口发出的检测信号的多个谐波。使用谐波的系统在雷达的解决方案中是熟知的，其用来检测雪崩受害者和检测昆虫。

在交通的解决方案中非常重要的是，反射器是低成本的单元，因为其大量地用于标记道路、行人、交通标识等。因此，本发明的最有利的解决方案是由印刷技术制造的非线性反射性射频元件。与这些元件兼容的汽车雷达的适配可通过软件来容易地实施。

金属结构可用作无线电波的简单反射器。而类似平面薄片的金属结构必须进行尺寸调整，使得其实质上比使用的波长大。

70GHz的雷达信号在空气中具有4mm的波长。金属结构的厚度必须是雷达信号的渗透深度的倍数，在该频率下渗透深度是大约0.1-0.5μm。根据本发明的反射器可以通过印刷卡博特银墨作为织物的一部分来制造。该印迹可以镶嵌在织物中，使其不能被肉眼所见。

这类反射器以相同的频率将信号反射回，并且反射到由基本反射定律所限定的方向，其中入射角和反射角相等。此处，如果平面反射器不垂直于雷达射束，那么一部分信号功率会损耗掉。此外，相同频率的干扰信号会削弱检测。

根据本发明，可以通过两种不同的方式解决该指向性：

i）使用所谓的立方体结构，其在雷达反射器中是熟知的。这类反射器是三维的，并且由于对空间的高需求而不适合与织物集成。然而，该技术适合于汽车保险杠反射器。这样，汽车的检测能力将尤其在弧形道路上得到改善。指向性还可以通过使用已知的平面定相天线群来提高。在这种情况中，天线的尺寸在信号的半波长左右，并且已经可以通过两个天线来获得指向性。该平面状的小结构可以嵌入到织物中。

图11结合两个天线200和201显示了本发明的功能。在这种情况中，延迟线202和203是相等的，并且它们与天线阻抗匹配。如果希望反射必须象在SAW RFID检测器中一样通过长延迟（几毫秒）来与干扰反射区分开，延迟元件202和203可以例如实施为声BAW或SAW延迟线。SAW RFID检测器使用多延迟，并且延迟信号耦合回到同一天线，通过该天线来接收原始的激励信号。根据本发明的使用多个天线200和201的系统在用来改善检测距离的SAW RFID解决方案中也是有利的。在汽车雷达的频率下，BAW延迟线更容易实现，这是因为SAW延迟线的指针变压器的线宽变得非常小。如果指向性是唯一的目标，那么延迟长度可以短得多。电延迟线也是一种可能性。

根据本发明的频移可以通过将像二极管或铁电电容器的非线性元件与天线耦合来实施。这导致信号多谐波、互调分量，并且拓宽了频谱。谐波分量的检测或许要求对接收器进行硬件修正。另一方面，也可以仅通过软件修正来检测互调分量和频谱的拓宽。使用互调分量和拓宽频谱的优势在于，操作可以在为雷达保留的带宽中进行。如果使用谐波分量，则可能需要官方的许可，这可能成为使用该技术的障碍。

如果反射器是有源的且包括电池，那么反射信号可被放大。

印刷技术使得可以进行经济的生产，凭此可以广泛地标记目标。

三结论

本申请已经呈现了典型地基于铁电变容二极管的新型无源无线传感器的原理。该传感器通过在两个接近定位的频率下对其进行照明并记录互调频率下的反向散射信号来进行询问。本文推导了对于低驱动功率电平的传感器的互调响应的理论方程。分析方程通过模拟和实验来验证。阐述了1.35GHz下的基于铁电变容二极管的无源无线的温度传感器。

根据本发明的一个优选的实施方案，对指向对象的照明频率ω₁和ω₂进行扫描，使得照明频率的差值(ω₁-ω₂)实质上处于常量。

根据图12，传感器包括与混波元件（在这一试验中是变容二极管）相匹配的天线（表示为电压源），以及包括电容的、电感的或电阻的传感元件的低频谐振电路，如图12所示。在下面的分析中考虑了包括与天线并联的分流导纳以及处于天线和变容二极管之间的串联电感的匹配电路，然而也可以使用其它的匹配拓扑。

传感器通过两个不同频率下的信号来驱动。信号在变容二极管中混波，在其中的一个不同频率下产生电流。该不同频率下的电流而后产生了依赖于电路阻抗的电压。该不同频率的电压进一步与原始的输入频率混波，产生互调信号。该低频谐振电路包括可影响阻抗、从而影响该不同频率下的电压的传感器元件。传感器数据通过记录传感器的互调响应来读出。

本发明的更多方面和实施方案提供了如下述标示的段落所限定的主题。

第一段，一种适于在电磁辐射区域操作的反射器元件，包括用来将反射的能量发送到期望目标的天线，包括与该天线电耦合的非线性元件。

第二段，根据第一段所述的反射器元件，其中该非线性元件是铁电变容二极管。

第三段，根据第一段所述的反射器元件，其中该非线性元件是顺电式元件。

第四段，根据第一段所述的反射器元件，其中该非线性元件是微机械共振器。

第五段，根据上述任一段或其组合所述的反射器元件，其中该反射器包括定向天线(202,202)。

第六段，根据上述任一段或其组合所述的反射器元件，其中该反射器包括用来测量某些参数的传感器。

第七段，根据第五段所述的反射器，其中该传感器具有对例如温度的被测量敏感的阻抗。

第八段，一种用于检测对象的方法，其中使至少一个频率信号定向到对象(101,102,103)，并检测从对象中反射的或反向散射的信号，其中对象在两个接近定位的频率下照明，并且检测从对象中反射的或反向散射的互调频率。

第九段，一种用于检测对象的方法，其中使至少一个频率信号定向到对象(101,102,103)上，并检测从对象(101,102,103)中反射的或反向散射的信号，其中对象(101,102,103)在两个接近定位的频率下照明，并且检测从对象中反射的或反向散射的谐波分量。

第十段，根据第八段或第九段所述的方法，其中传感器具有对例如温度的被测量敏感的阻抗，传感器的共振频率和品质因数基于互调响应来决定，其中共振频率和品质因数与对被测量敏感的阻抗相关。

参考文献

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Claims (12)

1.一种适于在电磁辐射区域操作的反射器元件，包括

-用来将反射的能量发送到期望目标的天线，

其特征在于，

-与所述天线电耦合的非线性元件，以及

-所述反射器包括用来测量某些参数的传感器。

2.根据权利要求1所述的反射器元件，其特征在于，所述非线性元件是铁电变容二极管。

3.根据权利要求1所述的反射器元件，其特征在于，所述非线性元件是顺电元件。

4.根据权利要求1所述的反射器元件，其特征在于，所述非线性元件是微机械共振器。

5.根据上述权利要求中任一项或其组合所述的反射器元件，其特征在于，所述反射器包括定向天线(202,202)。

6.根据权利要求1所述的反射器，其特征在于，所述传感器具有对例如温度的被测量敏感的阻抗。

7.一种用来检测对象的方法，其中：

-使至少一个频率信号定向到对象(101,102,103)；

-检测从对象中反射的或反向散射的信号；

其特征在于，

-在两个接近定位的频率(ω₁,ω₂)下照明对象；并且

-检测从对象中反射的或反向散射的互调频率。

8.一种用来检测对象的方法，其中：

-使至少一个频率信号定向到对象(101,102,103)；

-检测从对象中反射的或反向散射的信号；

其特征在于，

-在两个接近定位的频率(ω₁,ω₂)下照明对象；并且

-检测从对象中反射的或反向散射的谐波分量。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述传感器具有对例如温度的被测量敏感的阻抗，传感器的共振频率和品质因数基于互调响应来决定，其中共振频率和品质因数与对被测量敏感的阻抗相关。

10.根据权利要求7到9中任一项所述的方法，其特征在于，对照明频率(ω₁,ω₂)进行扫描，使得照明频率的差值(ω₁-ω₂)实质上处于常量。

11.根据权利要求7到10中任一项所述的方法，其特征在于，所述对象用在服装中以例如用于对行人的检测，或者备选地用在汽车的保险杠中，用来改善对在相同方向上行驶的邻近交通工具或汽车的检测。

12.根据权利要求7到11中任一项所述的方法，其特征在于，照明设备设置于交通工具中。

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