CN104639670B - 可无线寻址查询的无源谐振传感器结构及寻址方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可无线寻址查询的无源谐振传感器结构，包括依次连接的用于接收外界查询信号的接收天线、具有三个通带的输入三通带无源滤波器、第一无源混频器、无源谐振传感器、第二无源混频器、输出无源滤波器和用于向查询仪发射输出无源滤波器信号的发射天线；所述输入三通带无源滤波器具有三路输出，其中两路输出输入到第一无源混频器进行混频处理，另一路输出输入到第二无源混频器中与无源谐振传感器的输出进行混频。本发明可以用任意频率的无源谐振传感器构成无源无线传感器，即实现任何无源谐振传感器的无线查询，通过滤波器参数标识传感器，变化查询信号频率寻址传感器。通过选用高Q值的无源谐振传感器，可以大大提高无源无线传感器的无线查询性能，从而提高传感器的实际传感性能。

Description

可无线寻址查询的无源谐振传感器结构及寻址方法

技术领域

本发明涉及无源传感器技术，具体涉及一种可无线寻址查询的无源谐振传感器结构。

背景技术

用无源射频器件制作的传感器，可以实现无源无线传感功能：即传感器可以无源、无线工作，就是用无线电磁波查询传感器，激励产生传感输出信号并通过电磁波无线传回查询仪器，所以传感器无线收/发查询/传感信号，查询电磁波激励产生传感输出，这样就不需要电源供电给传感器工作。

目前的无源无线传感器主要采用声表面波传感器实现。由于声表面波传感器的传感查询信号和传感输出信号在同一个频段，具有相同频率，或者频率相差很近，所以无源无线声表面波传感器只能采用“半双工”的时分方式工作，无线传感信号的获取，包括两个分时进行的过程：1)传感查询：由无线传感仪器端发射查询电波，激励声表面波传感器工作；2)传感信号获取：在查询信号间断时，即查询信号为零时，无线获取传感输出信号。所以采用现有的无源无线声表面波传感器，其有效的无线传感输出，是对声表面波器件的非零输入信号结束后的“零输入”响应，显然这样的传感信号只能是一个持续时间有限，而且衰减的瞬态信号。这个传感输出的瞬态过程持续时间和衰减率由声表面波器件的特性确定。在各类声表面波器件中，声表面波谐振器的冲激响应持续时间最长，表明采用声表面波谐振器可以有最长的“零输入”瞬态响应过程，并且瞬态响应的持续时间可随着谐振器的Q值的提高而增加。所以尽管原理上各种类型的声表面波器件都可以制作成无源无线传感器，但是真正应用的无源无线声表面波传感器器，主要采用的是声表面波谐振器，在所有的声表面波器件中，谐振器的无源无线传感距离最长。但是现有的无源无线声表面波传感器无线传感距离十分有限，很难大幅度提高，一个重要原因就是，目前声表面波谐振器的Q值最高只有2000左右。另一方面，采用声表面波元件制作无源传感器，如果要实现器件的无线寻址功能，那么各个声表面波器件的参数必须有所区别。例如，对于声表面波谐振器，只能通过谐振频率的差异来实现寻址，那个各个传感器的谐振频率不同，要求的设计参数就不一样，既增加了器件设计的复杂程度，也会造成传感性能的差异。

发明内容

鉴于此，本发明的目的是提供一种可无线寻址查询的无源谐振传感器。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，可无线寻址查询的无源谐振传感器结构，包括依次连接的用于接收外界查询信号的接收天线、具有三个通带的输入三通带无源滤波器、第一无源混频器、无源谐振传感器、第二无源混频器、输出无源滤波器和用于向查询仪发射输出无源滤波器信号的发射天线；所述输入三通带无源滤波器具有三路输出，其中两路输出输入到第一无源混频器进行混频处理，另一路输出输入到第二无源混频器中与无源谐振传感器的输出进行混频。

优选的，所述外界查询信号包括查询激励周期T1和传感输出周期T2且T1与T2间无间隔，所述T1、T2均大于(2～5)λ，λ表示无源谐振传感器的时间常数，f_r表示无源谐振传感器的谐振频率，Q表示品质因数。

优选的，所述的无源谐振器的谐振频率变化范围为BR＝(f_r0-Δ_s,f_r0+Δ_s)且f_r0表示无源谐振传感器的零点谐振频率，Δ_s表示谐振传感器的最大频率变化量带宽；所述输入三通带无源滤波器的三个通带的中心频率分别为和f₀+f_r0，带宽为2·Δ_s。

优选的，所述外界查询信号为：

x(t)＝[cos2π(f_o+Δf)t+cos2π(f_o-Δf)t]·[u(t)-u(t-T1)]+[cos2π(f_o+f_r0)t]·[u(t-T1)-u(t-T1-T2)]，其中，f₀表示输出无源滤波器的中心频率，u(t)表示阶跃函数，2Δf∈BR。

本发明的目的之二是提供一种无源谐振传感器结构的寻址方法，由若干个可无线寻址查询的无源谐振传感器结构构成无源谐振传感器阵列，每个可无线寻址查询的无源谐振传感器由结构中的输入三通带无源滤波器和输出无源滤波器的中心频率标识，所述的寻址方法包括以下步骤：

S1.向无源谐振传感器阵列发射查询信号；

S2.各无源谐振传感器结构接收步骤S1发射的查询信号，各个无源谐振传感器结构只响应其输入三通带无源滤波器通带内的查询信号和通过输出无源滤波内通带内的传感输出信号。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

通过无源谐振传感器中输入三通带无源滤波器中心频率f₀+f_r0和输出无源滤波器的中心频率f_o可以实现无源传感器的寻址，即改变查询仪器发出的查询信号的频率，就可以无线寻址不同的无源传感器。

本发明可以用任意频率的无源谐振传感器构成无源无线传感器，即实现任何无源谐振传感器的无线查询。通过选用高Q值的无源谐振传感器，可以大大提高无源无线传感器的无线查询性能，从而提高传感器的实际传感性能。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为可无线查询的无源谐振传感器结构；

图2为共用天线的可无线查询的无源谐振传感器结构；

图3为查询信号时序；

图4为本发明第一种可无线查询的无源谐振传感器结构的具体电路图；

图5为本发明第二种可无线查询的无源谐振传感器结构的具体电路图；

图6为本发明第三种可无线查询的无源谐振传感器结构的具体电路图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

具体的技术实施思路是：可无线查询的无源谐振传感器包括接收天线、输入三通带无源滤波器、无源非线性器件构成的无源混频器、无源谐振传感器、输出无源滤波器和发射天线，如图1示。

接收天线用于接收外界查询信号，发射天线用于向查询仪发射输出无源滤波器的输出信号。接收天线、输入三通带无源滤波器、无源非线性器件构成的第一无源混频器、无源谐振传感器、无源非线性器件构成的第二无源混频器、输出无源滤波器和发射天线依次连接。输入三通带无源滤波器具有三路输出，其中两路输出输入到第一无源混频器进行混频处理，另一路输出输入到第二无源混频器与无源谐振传感器的输出进行混频。

作为对本实施例的改进，发射天线和接收天线可用同一个天线，其结构如图2所示。

查询仪器端产生无线查询信号，并在传感输出周期接收无源传感器的无线传感输出。无线查询信号包含两个周期：查询激励周期T1和传感输出周期T2，查询激励周期在前，传感输出周期在后，两个周期之间无间隔，如图3示。

针对上述可无线查询的无源谐振传感器的每个查询周期发射的查询信号是

x(t)＝[cos2π(f_o+Δf)t+cos2π(f_o-Δf)t]·[u(t)-u(t-T1)]+[cos2π(f_o+f_r0)t]·[u(t-T1)-u(t-T1-T2)]其中u(t)是阶跃函数，对一个无源谐振传感器的一次查询可以包含多个查询周期，每个查询周期中Δf需要变化，直到获得最强的传感输出信号，

[cos2π(f_o+Δf)t+cos2π(f_o-Δf)t]·[u(t)-u(t-T1)]对应于查询激励周期，

[cos2π(f_o+f_r0)t]·[u(t-T1)-u(t-T1-T2)]对应于传感输出周期。

无源谐振传感器的谐振频率f_r，也就是传感器的传感输出，其变化范围为BR＝(f_r0-Δ_s,f_r0+Δ_s)_，f_r0为无源谐振传感器的零点谐振频率，且。输入三通带无源滤波器的三个通带的中心频率分别为和f₀+f_r0，Δ_s为谐振传感器的最大频率变化量；输出无源滤波器的中心频率为f₀，带宽为Δ_s，且2Δf∈BR。

为了使谐振传感器在每个周期都能够进入稳态，要求T1和T2均大于(2～5)λ，λ是谐振器的时间常数，有Q为品质因数。在查询激励周期：发射的无线查询信号中有两个点频率f_o+Δf和f_o-Δf，两个频率之差2Δf在待查询的谐振传感器的谐振频率变化范围之内；在传感输出周期，发射的无线查询信号中只有点频率f₀+f_r0。

在查询激励周期：发射的信号cos2π(f_o+Δf)t和cos2π(f_o-Δf)t，被无源谐振传感器的天线接收，并通过输入三通带无源滤波器进入第一无源混频器，混频输出信号中的有cos2π(2f_o)t和cos2π(2Δf)t，由于只有2Δf在待查询的谐振传感器的谐振频率变化范围BR之内，所以混频输出信号中只有该频率成分能够通过谐振传感器产生输出，也就是说该频率成分能够有效激励无源谐振传感器产生输出，只是此时无源谐振传感器产生的受激振荡，在产生非零输入响应的瞬态过程中，输出信号中同时包含激励频率2Δf和无源谐振传感器的谐振频率f_r成分，进入稳态后的输出信号只有激励频率成分2Δf；无源谐振传感器的输出，进入第二无源混频器，和激励信号混频，产生的混频信号；谐振传感器稳态响应产生的混频信号频率成分有：f_o+Δf和f_o-Δf，以及f_o+3Δf和f_o-3Δf等，在瞬态过程时产生的混频信号频率成分还包括f_o+Δf±f_r和f_o-Δf±f_r；这些频率成分均不在输出无源滤波器频率响应范围内。

激励周期一结束，即进入传感输出周期：这时发射信号cos2π(f_o+f_r0)t，该信号被无源谐振传感器的接收天线接收，但是通过输入三带通无源滤波器产生的对第一无源混频器的输入为零，所以谐振传感器无输入，由于谐振传感器在激励周期里蓄积有能量，在输入变为零时，会产生零输入响应，零输入响应是一个瞬态过程，近似为谐振传感器的输出，进入第二无源混频器，和激励信号混频，产生的混频信号频率成分有：f_o+f_r0+f_r和f_o+f_r0-f_r，后者在输出无源滤波器的频率响应范围内，可以输出到发射天线发射，被仪器端接收，解调后即可得到谐振传感器的谐振频率f_r。

通过无源谐振传感器中输入三通带无源滤波器中心频率f₀+f_r0和输出无源滤波器的中心频率f_o可以实现无源传感器的寻址，即改变查询仪器发出的查询信号的频率，就可以无线寻址不同的无源传感器。

根据前述的无源谐振传感器结构，本发明提供一种无源谐振传感器的寻址方法，由若干个可无线寻址查询的无源谐振传感器结构构成无源谐振传感器阵列，每个可无线寻址查询的无源谐振传感器由结构中的输入三通带无源滤波器和输出无源滤波器的中心频率标识，每个无源谐振传感器结构的输入三通带无源滤波器及输出无源滤波器的中心频率是不同的，所述的寻址方法包括以下步骤：

S1.向无源谐振传感器阵列发射查询信号；

S2.各无源谐振传感器结构接收步骤S1发射的查询信号，各个无源谐振传感器结构只响应其输入三通带无源滤波器通带内的查询信号和通过输出无源滤波内通带内的传感输出信号。

这种无源谐振传感器的优点在于，可以用任意频率的无源谐振传感器构成无源无线传感器，即实现任何无源谐振传感器的无线查询。通过选用高Q值的无源谐振传感器，可以大大提高无源无线传感器的无线查询性能，从而提高传感器的实际传感性能。

如图4～6所示，在本发明中，实现可无线查询的无源谐振传感器，其中输入和输出无源滤波器采用四个无源声表面波(SAW)滤波器F0～F3构成，F0为输出无源滤波器，F1～F3组成输入三通带无源滤波器，第一无源混频器由电容C和无源非线性器件构成；第二无源混频器由电感L和无源非线性器件构成，无源混频器中的非线性器件为可变电容二极管。

所述输入三通带无源滤波器包括输入端分别与接收天线连接的三个无源声表面波滤波器F1、F2、F3，其中两个无源声表面波滤波器F2、F3的输出端分别与第一无源混频器连接，另一个无源声表面波滤波器F1的输出端与第二无源混频器连接。

所述第一无源混频器包括电容和无源非线性器件；所述电容的一端与无源声表面波滤波器F2、F3的输出端连接，电容的另一端分别与无源谐振传感器的一端、无源非线性器件的一端连接，无源非线性器件的另一端接地。

所述第二无源混频器包括电感和无源非线性器件；所述电感的一端分别与无源声表面波滤波器F0的输出端、无源谐振传感器的另一端连接，电感的另一端分别与无源非线性器件的一端、输出无源滤波器的另一端连接。

如图4的电路，输入三通带无源滤波器和输出无源滤波器采用四个无源薄膜体波谐振器(FBAR)滤波器构成。

如图5的电路，无源混频器中的非线性器件为可变电容。

如图6的电路，无源混频器中的非线性器件为隧道二极管。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.可无线寻址查询的无源谐振传感器结构，其特征在于：包括依次连接的用于接收外界查询信号的接收天线、具有三个通带的输入三通带无源滤波器、第一无源混频器、无源谐振传感器、第二无源混频器、输出无源滤波器和用于向查询仪发射输出无源滤波器信号的发射天线；所述输入三通带无源滤波器具有三路输出，其中两路输出输入到第一无源混频器进行混频处理，另一路输出输入到第二无源混频器中与无源谐振传感器的输出进行混频；所述的无源谐振传感器的谐振频率变化范围为且，表示无源谐振传感器的零点谐振频率，表示无源谐振传感器最大频率变化量；所述输入三通带无源滤波器的三个通带的中心频率分别为、和，带宽为，f ₀表示输出无源滤波器的中心频率。

2.根据权利要求1所述的可无线寻址查询的无源谐振传感器结构，其特征在于：所述外界查询信号包括查询激励周期T1和传感输出周期T2且T1与T2间无间隔，所述T1、T2均大于，，λ表示无源谐振传感器的时间常数，f _r 表示无源谐振传感器的谐振频率，Q表示品质因数。

3.根据权利要求2所述的可无线寻址查询的无源谐振传感器结构，其特征在于：所述外界查询信号为：

，其中，表示阶跃函数，。

4.根据权利要求1所述的可无线寻址查询的无源谐振传感器结构，其特征在于：所述输入三通带无源滤波器包括输入端分别与接收天线连接的三个无源声表面波滤波器或无源薄膜体波谐振器（F1、F2、F3），其中两个无源声表面波滤波器或无源薄膜体波谐振器（F2、F3）的输出端分别与第一无源混频器连接，另一个无源声表面波滤波器或无源薄膜体波谐振器（F1）的输出端与第二无源混频器连接。

5.根据权利要求4所述的可无线寻址查询的无源谐振传感器结构，其特征在于：所述输出无源滤波器为无源声表面波滤波器或无源薄膜体波谐振器（F0），所述无源声表面波滤波器或无源薄膜体波谐振器（F0）的输入端与第二无源混频器的输出端连接，无源声表面波滤波器或无源薄膜体波谐振器（F0）的输出端与发射天线连接。

6.根据权利要求5所述的可无线寻址查询的无源谐振传感器结构，其特征在于：所述第一无源混频器包括电容和无源非线性器件；所述电容的一端与无源声表面波滤波器或无源薄膜体波谐振器（F2、F3）的输出端连接，电容的另一端分别与无源谐振传感器的一端、无源非线性器件的一端连接，无源非线性器件的另一端接地。

7.根据权利要求6所述的可无线寻址查询的无源谐振传感器结构，其特征在于：所述第二无源混频器包括电感和无源非线性器件；所述电感的一端分别与无源声表面波滤波器或无源薄膜体波谐振器（F1）的输出端、无源谐振传感器的另一端连接，电感的另一端分别与无源非线性器件的一端、输出无源滤波器的另一端连接。

8.一种无源谐振传感器结构的寻址方法，其特征在于：由若干个权利要求1所述的可无线寻址查询的无源谐振传感器结构构成无源谐振传感器阵列，每个可无线寻址查询的无源谐振传感器由结构中的输入三通带无源滤波器和输出无源滤波器的中心频率标识，所述的寻址方法包括以下步骤：

S1.向无源谐振传感器阵列发射查询信号；

S2.各无源谐振传感器结构接收步骤S1发射的查询信号，各个无源谐振传感器结构只响应其输入三通带无源滤波器通带内的查询信号和通过输出无源滤波内通带内的传感输出信号。