CN114858823A - 一种微带天线传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微带天线传感器，本发明在测量贴片上覆盖边缘凸起的覆层，当异物引起环境介电常数变化时，边缘效应下的电场线经过测量贴片上方覆层后进入介质基层中，大幅度降低了传感器谐振频率随环境变化的波动水平，提高传感器的环境异物抗干扰能力和监测可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种微带天线传感器，属于基于微带天线传感器的金属结构安全监测领域。
背景技术
金属结构广泛应用于机械、冶金、道桥、海洋和航天等工程领域中，工作环境恶劣，在薄弱区域和复杂受力区域经常产生裂纹萌生与扩展、变形和应力集中等情况，为保证机械装备在服役期间的健康状态，须重点关注金属结构应变、裂纹等参数。
微带天线传感器是一种新型的金属结构健康监测传感器，具备体积小、重量轻、制造简单、成本低、易薄膜化且可无源无线的优点，近年来被广泛应用于金属结构的安全监测领域。但在工程上，微带天线传感器的金属结构参数监测经常受到水、灰尘和冰层等环境异物的影响，导致误判现象的发生，极大程度上降低了微带天线传感器的参数监测可靠性。
发明内容
本发明提供了一种微带天线传感器，解决了背景技术中披露的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种微带天线传感器，包括介质基层以及设置在介质基层上的测量贴片、覆层和馈线，馈线连接测量贴片，覆层覆盖介质基层，覆层边缘为凸起。
馈线为多个馈线段串联而成，最内侧馈线段连接测量贴片，最外侧馈线段外接激励端口，同一馈线段宽度一致，从外侧向内侧，馈线段的宽度逐渐变小。
最内侧馈线段宽度和特性阻抗满足以下关系：
其中，Zc为最内侧馈线段的特性阻抗，Z0为激励端口特性阻抗，Z1为测量贴片输入阻抗，εr为相对介电常数，h为介质基层厚度，Wl为最内侧馈线段宽度。
测量贴片尺寸根据不同谐振频率设计。
介质基层的底部还设置有接地板。
介质基层和覆层的材料均为FR4。
本发明所达到的有益效果：本发明在测量贴片上覆盖边缘凸起的覆层，当异物引起环境介电常数变化时，边缘效应下的电场线经过测量贴片上方覆层后进入介质基层中，大幅度降低了传感器谐振频率随环境变化的波动水平，提高传感器的环境异物抗干扰能力和监测可靠性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2(a)为冰温对无覆层微带天线传感器谐振频率的影响；
图2(b)为冰温对本发明谐振频率的影响；
图3(a)为灰尘对无覆层微带天线传感器谐振频率的影响；
图3(b)为灰尘对本发明谐振频率的影响；
图4(a)为水温对无覆层微带天线传感器谐振频率的影响；
图4(b)为水温对本发明谐振频率的影响。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种微带天线传感器，包括接地板5、固定在接地板5上的介质基层1、用胶水粘合在介质基层1上的测量贴片2、覆层3和馈线4，馈线4的一端连接测量贴片2，另一端外接激励端口，覆层3覆盖介质基层1，覆层3边缘为凸起。
接地板5为金属结构，介质基层1的材料为绝缘材料，可采用为FR4，介质基层1的尺寸基于接地板5、测量贴片2和馈线4尺寸进行设计，其长度要大于馈线4长度与测量贴片2宽度之和，宽度要大于测量贴片2的长度，一般长度可为130mm，宽度可为40mm，厚度可为0.5～2mm，可取1mm。
测量贴片2采用良导体铜材料，即铜片，理论上铜片越薄越好，但是越薄成本越高，因此厚度可根据实际情况而定。覆层3采用FR4，测量贴片2和覆层3尺寸不同，前者尺寸小，后者尺寸根据测量贴片2尺寸仿真获得，覆层3的长度≥L+8mm，宽度≥W+8mm，厚度≥5.5mm，凸起高度≥0.2mm，保证增加边缘凸起的覆层3后有效介电常数抗干扰能力强，以提高测量精度；其中，L、W分别为测量贴片2长度和宽度。
测量贴片2点的尺寸一般根据不同谐振频率设计，如谐振频率分别为2.05GHz、2.54GHz，那么测量贴片2的尺寸可设计为：长度为35mm，宽度为28mm，厚度为0.035mm。基于仿真软件设计优化覆层3尺寸可设计为：长度为71mm，宽度为42mm，厚度为5.5mm，凸起高度为0.2mm。
上面两个尺寸仅仅是两个代表性的尺寸，实际中，介质基层1、测量贴片2和覆层3尺寸不唯一，可以根据实际测量的需求按设计标准进行独立设计。
馈线4一般为多个馈线段串联而成，最内侧馈线段连接测量贴片2，最外侧馈线段外接激励端口，同一馈线段宽度一致，从外侧向内侧，馈线段的宽度逐渐变小。
馈线4结构在考虑功率合理分配的前提下，最内侧馈线段根据1/4波长阻抗转换器原理进行设计，最内侧馈线段长度为1/4测量贴片2波长，测量贴片2输入阻抗Z1、最内侧馈线段的特性阻抗Zc与激励端口特性阻抗Z0之间满足：
最内侧馈线段宽度和特性阻抗满足以下关系：
其中，εr为相对介电常数，h为介质基层厚度，Wl为最内侧馈线段宽度。
基于上述原理，可设计如图中的结构，测量贴片2与激励端口间的馈线4有两段连接构成，两段长度可分别为12.5mm和58.5mm，宽度可分别为1mm和1.5mm。
为了对上述微带天线传感器进行效果验证，将有覆层3和无覆层3的微带天线传感器置于恒温试验机中，微带天线传感器的馈线4上焊接同轴连接器接口，通过射频跳线与矢量网络分析仪连接。
给有覆层3和无覆层3的两种微带天线传感器上增加相同温度冰层、相同厚度灰尘和相同温度水层。为保证异物的定量分析，采用PMMA材质容器进行微带天线传感器在不同环境异物条件下的试验。PMMA容器采用塑料胶水固定在微带天线传感器的测量贴片2上方，通过水密性试验保证容器与传感器紧密相连。
试验前将恒温试验机和制冷压缩机预工作三十分钟，保证后续试验过程中设备参数的稳定。设备中放置有覆层3和无覆层3两种微带天线传感器，通过同轴连接器与矢量网络分析仪连接，通过矢量网络分析仪的多端口功能同时采集两种微带天线的频域信号，保证两种微带天线传感器的试验条件一致。
控制制冷压缩机温度为-10℃，同时采用工业温度计监测传感器处的环境温度，保证传感器表面结冰，测试前维持环境温度相同且恒定5分钟，用矢量网络分析观测有覆层3和无覆层3微带天线传感器谐振频率图像，见图2(a)和(b)。试验表明，相比于无覆层3微带天线传感器，有覆层3微带天线传感器的谐振频率波动下降95％以上，覆层3具备较强的抗冰性能。
在有无覆层3传感器表面均匀铺上灰尘，控制灰尘堆积厚度为1mm，用矢量网络分析观测有覆层3和无覆层3微带天线传感器谐振频率图像，见图3(a)和(b)。试验表明，相比于无覆层3微带天线传感器，有覆层3微带天线传感器的谐振频率波动下降90％以上，覆层3具备较强的抗灰尘性能。
控制恒温试验机的温度为40℃，同时采用工业温度计实时监测试验机内温度，测试前保证试验机内环境温度恒定5分钟。将覆层3上铺上同体积20℃水恒定5分钟后，用矢量网络分析观测有覆层3和无覆层3微带天线传感器谐振频率图像，见图4(a)和(b)。试验表明，相比于无覆层3微带天线传感器，有覆层3微带天线传感器的谐振频率波动下降95％以上，覆层3具备较强的抗水温性能。
上述微带天线传感器在测量贴片2上覆盖边缘凸起的覆层3，当异物引起环境介电常数变化时，边缘效应下的电场线经过测量贴片2上方覆层3后进入介质基层1中，大幅度降低了传感器谐振频率随环境变化的波动水平，提高传感器的环境异物抗干扰能力和监测可靠性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，如介质基层1、测量贴片2和覆层3的尺寸设计等，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种微带天线传感器，其特征在于，包括介质基层以及设置在介质基层上的测量贴片、覆层和馈线，馈线连接测量贴片，覆层覆盖介质基层，覆层边缘为凸起。
2.根据权利要求1所述的一种微带天线传感器，其特征在于，馈线为多个馈线段串联而成，最内侧馈线段连接测量贴片，最外侧馈线段外接激励端口，同一馈线段宽度一致，从外侧向内侧，馈线段的宽度逐渐变小。
3.根据权利要求2所述的一种微带天线传感器，其特征在于，最内侧馈线段宽度和特性阻抗满足以下关系：
其中，Zc为最内侧馈线段的特性阻抗，Z0为激励端口特性阻抗，Z1为测量贴片输入阻抗，εr为相对介电常数，h为介质基层厚度，Wl为最内侧馈线段宽度。
4.根据权利要求1所述的一种微带天线传感器，其特征在于，测量贴片尺寸根据不同谐振频率设计。
5.根据权利要求1所述的一种微带天线传感器，其特征在于，介质基层的底部还设置有接地板。
6.根据权利要求1～5任意一项所述的一种微带天线传感器，其特征在于，介质基层和覆层的材料均为FR4。
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