CN107367247B - 一种倍频式微带贴片天线应变传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种倍频式微带贴片天线应变传感器，微带天线应变传感技术作为一种无源无线的新型检测技术，克服了传统应变传感技术成本高、寿命短、结构复杂等缺陷，对高端装备承载结构的健康监测具有重要意义。微带天线应变传感器利用其谐振频率偏移量与应变的线性关系，实现结构应变与裂纹检测。但是目前微带天线应变传感器信噪比低，无线检测距离短，实际应用受到限制。本发明拟通过引入倍频器，对微带天线应变传感器进行改进，以提高信噪比和灵敏度，增加无线检测距离。倍频式微带天线应变传感器，对关键承载部件的应变和裂纹实时监测具有重要的研究意义。
Description
技术领域
本发明设计一种倍频式微带贴片天线应变传感器，该方法主要用于倍频式微带贴片天线对应变的无线检测，涉及结构健康监测技术和无损检测领域。
背景技术
应变是表征工程结构受力状态的重要指标，通过对应力集中处的应变检测可有效判断结构的安全状况，预测早期疲劳断裂的迹象，防患于未然。
传统的应变测量技术需要在结构上布设冗长的电缆以保证数据传输可靠性。微带贴片天线应变传感器与传统的电阻应变片相比，摆脱了对电缆线的依赖，利用喇叭天线对其进行无线的激励和接收，实现了无线检测。研究表明微带贴片天线产生形变时，微带天线的谐振频率会发生相应的偏移，这使得利用微带贴片天线测量应变成为可能。
对微带贴片天线应变传感器进行无线激励和接收电磁波信号时，收到的信号掺杂着外界环境产生的电磁干扰，使得有用信号淹没在噪声信号中。这种噪声信号主要分布在激励信号频段，主要是由于金属接地板对电磁波信号的反射造成的。倍频式微带贴片天线应变传感器利用肖特基二极管的非线性机理将基频的微波信号调制成二倍频，再将二倍频信号发射至接收端，避免了基频的环境回波干扰信号，提高信噪比，灵敏度也有所提升。
发明内容
本发明的目的在于提供倍频式微带贴片应变传感器，具有高信噪比、低成本等优点，完全可以满足实验分析的需要。
一种倍频式微带贴片天线应变传感器，倍频式微带贴片天线应变传感器的整体装配图如图1，传感器内部结构示意图如图2所示。
传感器由接收贴片天线、倍频网络和发射贴片天线三部分组成。接收贴片天线由基频辐射元1、金属接地板6、介质基层9组成，基频辐射元1是印制在介质基层9上的金属贴片，介质基层9设置在金属接地板6上，接收贴片天线用于接收来自喇叭天线的基频信号，并产生谐振频率。倍频网络由单支短截线a2、肖特基二极管3、单支短截线b4、金属馈线a7、金属馈线b8，倍频网络用于将谐振频率fr调制成二倍频2fr，金属馈线b8设置在基频辐射元1的中间。发射贴片天线由倍频辐射元5组成，金属馈线a7设置在倍频辐射元5的中间，倍频辐射元5用于将二倍频信号2fr发送至接收喇叭天线。基频辐射元1与倍频辐射元5对称设置在介质基层9的表面，单支短截线a2设置在金属馈线b8的端部，单支短截线b4设置在金属馈线a7的端部；单支短截线a2与单支短截线b4之间设有肖特基二极管3。
基频辐射元1、单支短截线a2、单支短截线b4、倍频辐射元5、金属馈线a7和金属馈线b8的下表面与介质基层9上表面贴合，介质基层9下表面与金属接地板6的上表面贴合。
当检测结构应变时，接收贴片天线与被测结构相贴合，即基频辐射元1覆盖的金属接地板6下表面通过高频性能好的胶水粘合在被测结构的应变集中处上。由于该传感器与载体共形的特点，当被测结构受力形变时，接收贴片天线的尺寸也会跟着改变，形变信息通过传感器传递给外部设备，得到传感器谐振频率的漂移。
基频辐射元1长度为5mm～40mm，宽度为4mm～30mm，厚度t为35μm～50μm。基频辐射元1通过50Ω金属馈线b8与肖特基二极管3的正极相连接，金属馈线b8的长度取值范围在5mm～40mm，宽度取值范围在0.1mm～3mm。单支短截线2线长度取值范围在0.1mm～30mm，宽度为0.1mm～3mm，用于将金属馈线b8与肖特基二极管3的输入阻抗相匹配。肖特基二极管3的负极与倍频辐射元5通过50Ω的金属馈线a7相连接，金属馈线a7的长度取值范围在5mm～40mm，宽度取值范围在0.1mm～3mm。
介质基层9是高频板材材料，其长度取值在10mm～150mm，宽度取值在5mm～100mm，厚度h1取值在0.05mm～30mm。介质基层9与金属接地板6粘结，金属接地板6的长宽尺寸与介质基层9的长宽尺寸相同。其中，单支短截线a2、单支短截b线4、倍频辐射元5、金属接地板6、金属馈线a7、金属馈线b8的厚度取值与基频辐射元1一致。
基频辐射元1的尺寸和介质基层9的厚度决定着传感器的初始谐振频率，初始谐振频率越高，其传感器的灵敏度越高。
基频辐射元1、单支短截线a2、单支短截线b4、倍频辐射元5、金属接地板6、金属馈线a7、金属馈线b8均为铜箔片。
介质基层9为聚酰亚胺、聚四氟乙烯、罗杰斯高频板等。肖特基二极管3用于将携带谐振频率的基频信号调制到二倍频信号。
附图说明
图1传感器整体装配图；
图2传感器俯视图；
图3传感器剖视图；
图4频率范围在5.4GHz～6.2GHz的输出功率图；
具体实施方式
介质基层9材料选择聚四氟乙烯，介电常数为2.2，传感器上的两层导体层：基频辐射元1、单支短截线a2、单支短截线b4、倍频辐射元5、金属接地板6、金属馈线a7，金属馈线b8均选用铜箔作为材料，传感器主要参数尺寸由下表1所示：
表1传感器尺寸参数表
| 结构名称 | 基频辐射元 | 倍频辐射元 | 介质基层 | 馈线7 | 馈线8 | 接地板 |
| 长度(cm) | 3.429 | 1.698 | 14 | 2.75 | 4.95 | 14 |
| 宽度(cm) | 4.446 | 1.88 | 7 | 0.255 | 0.255 | 7 |
| 高度(cm) | 0.005 | 0.005 | 0.08 | 0.005 | 0.005 | 0.005 |
传感器工作时的插入损耗，传感器的初始谐振频率在5.8GHz。插入损耗图中的最高点为倍频式微带贴片天线的谐振频率点，插入损耗图中最高点的偏移直接反应了谐振频率的偏移。传感器的接收贴片天线部分平整粘接在被测结构表面，通过对谐振频率偏移的检测来表征结构所受的应变，该传感器的应变灵敏度为4.804kHz/kHz/με。经过实验证实，倍频式微带贴片天线应变传感器的无线检测距离可以达到10cm。本发明设计的传感器体积轻便、安装灵活、成本较低，并且可以实现结构应变的无线监测。
Claims (7)
1.一种倍频式微带贴片天线应变传感器，其特征在于：传感器由接收贴片天线、倍频网络和发射贴片天线三部分组成；接收贴片天线由基频辐射元(1)、金属接地板(6)、介质基层(9)组成，基频辐射元(1)是印制在介质基层(9)上的金属贴片，介质基层(9)设置在金属接地板(6)上，接收贴片天线用于接收来自喇叭贴片天线的基频信号，并产生谐振频率；倍频网络由单支短截线a(2)、肖特基二极管(3)、单支短截线b(4)、金属馈线a(7)、金属馈线b(8)，倍频网络用于将谐振频率fr调制成二倍频2fr，金属馈线b(8)设置在基频辐射元(1)的中间；发射贴片天线由倍频辐射元(5)组成，金属馈线a(7)设置在倍频辐射元(5)的中间，倍频辐射元(5)用于将二倍频信号2fr发送至接收喇叭天线；基频辐射元(1)与倍频辐射元(5)对称设置在介质基层(9)的表面，单支短截线a(2)设置在金属馈线b(8)的端部，单支短截线b(4)设置在金属馈线a(7)的端部；单支短截线a(2)与单支短截线b(4)之间设有肖特基二极管(3)；
基频辐射元(1)、单支短截线a(2)、单支短截线b(4)、倍频辐射元(5)、金属馈线a(7)和金属馈线b(8)的下表面与介质基层(9)上表面贴合，介质基层(9)下表面与金属接地板(6)的上表面贴合。
2.根据权利要求1所述的一种倍频式微带贴片天线应变传感器，其特征在于：当检测结构应变时，接收贴片天线与被测结构相贴合，即基频辐射元(1)覆盖的金属接地板(6)下表面通过高频性能好的胶水粘合在被测结构的应变集中处上；由于该传感器与载体共形的特点，当被测结构受力形变时，接收贴片天线的尺寸也会跟着改变，形变信息通过传感器传递给外部设备，得到传感器谐振频率的漂移。
3.根据权利要求1所述的一种倍频式微带贴片天线应变传感器，其特征在于：基频辐射元(1)长度为5mm～40mm，宽度为4mm～30mm，厚度t为35μm～50μm；基频辐射元(1)通过50Ω金属馈线b(8)与肖特基二极管(3)的正极相连接，金属馈线b(8)的长度取值范围在5mm～40mm，宽度取值范围在0.1mm～3mm；单支短截线a(2)长度取值范围在0.1mm～30mm，宽度为0.1mm～3mm，用于将金属馈线b(8)与肖特基二极管(3)的输入阻抗相匹配；肖特基二极管(3)的负极与倍频辐射元(5)通过50Ω的金属馈线a(7)相连接，金属馈线a(7)的长度取值范围在5mm～40mm，宽度取值范围在0.1mm～3mm。
4.根据权利要求1所述的一种倍频式微带贴片天线应变传感器，其特征在于：介质基层(9)是高频板材材料，其长度取值在10mm～150mm，宽度取值在5mm～100mm，厚度h1取值在0.05mm～30mm；介质基层(9)与金属接地板(6)粘结，金属接地板(6)的长宽尺寸与介质基层(9)的长宽尺寸相同；其中，单支短截线a(2)、单支短截线b(4)、倍频辐射元(5)、金属接地板(6)、金属馈线a(7)、金属馈线b(8)的厚度取值与基频辐射元(1)一致。
5.根据权利要求1所述的一种倍频式微带贴片天线应变传感器，其特征在于：基频辐射元(1)的尺寸和介质基层(9)的厚度决定着传感器的初始谐振频率，初始谐振频率越高，其传感器的灵敏度越高。
6.根据权利要求1所述的一种倍频式微带贴片天线应变传感器，其特征在于：基频辐射元(1)、单支短截线a(2)、单支短截线b(4)、倍频辐射元(5)、金属接地板(6)、金属馈线a(7)、金属馈线b(8)均为铜箔片。
7.根据权利要求1所述的一种倍频式微带贴片天线应变传感器，其特征在于：介质基层(9)为聚酰亚胺、聚酯、罗杰斯高频板；将携带谐振频率的基频信号调制到二倍频信号的肖特基二极管(3)。
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