CN1947302A - 包括双谐振传感器的开口环耦合器 - Google Patents

Abstract

一种开口环耦合器，包括其中具有至少一个裂口以使得定子至少具有第一和第二端的定子环以及其中具有至少一个裂口以使得转子环至少具有第一和第二端的转子环，所述转子环被定向为基本上与所述定子环同轴并且与所述定子环轴向分离。至少一个SAW谐振器电耦合在该转子环的所述第一和第二端之间并与之串联连接，其中所述定子环的任一所述端都不直接接地。

Description

包括双谐振传感器的开口环耦合器

目标

本发明的目标在于提出一种在超高频(UHF)条件下，特别是在400-500MHz频率范围内工作的旋转耦合器，其在安装于该旋转轴的两个相对面上的一个或两个谐振传感器和固定电子询问(interrogation)单元之间提供非接触式连接。该耦合器应当保证：

(a)在该耦合器的定子输入端看到的该谐振传感器响应的最大振幅，

(b)该响应振幅的最小变化，和

(c)该传感器的谐振频率随着该旋转角的最小变化。

背景技术

1.Racal专利WO96/37921

该专利公开了一种基于四分之一波长耦合线定向耦合器、一种公知四端口微波设备的旋转耦合器(见图1a)。它和本发明提出的耦合器之间的区别是，后者的耦合传输线不是线性而是环形的(图1b)，具有接近于λ/4的圆周(或者0.62λ/4以最小化S₄₁随着该旋转角的相位和振幅变化)。

为了实现从该定子环的端口1向转子环的端口4的总功率传输，如图2a所示，可以加载四分之一波长3dB耦合器，端口2和3被短路，并且输出端口4被加载Z＝Z₀，其中Z₀是该外部电路的特性阻抗。重要的是要注意，因为该传输线端口是这样定义的，所以负载Z总是连接在该带的末端和接地面(在图中未示出)之间。

对于基于SAW、STW和FBAR谐振器或者对于轴表面应变敏感的其它类型谐振结构来说，需要该旋转RF或微波耦合器。它也可以用于进行温度测量和旋转轴的其它类型测量。我们只对该旋转耦合器的传感器应用感兴趣，虽然它也可以广泛用于其它领域(例如雷达)。进而，我们将使用术语SAW传感器来表示对于所关注的物理量敏感的任意类型谐振结构。该询问单元的目的是测量该SAW传感器的谐振频率。如果该传感器被连接到转子环而不是负载Z，如图2b所示，那么该询问器可以容易地“看到”S₁₁处的谐振峰、定子端口1处的频率响应，并且进行频率测量。

对于传感器应用，具有在定子和转子环之间的严格限定的耦合量(例如3dB耦合)和严格限定的耦合器圆周长度(例如λ/4)以便能够测量端口1处的谐振频率并不是必需的。S₁₁处的谐振峰存在于宽范围的耦合器几何参数中，但是它的振幅和位置取决于在Racal专利中公开的该耦合器的几何形状上的较大延伸。对于一些轴直径和频率来说，很难在任何旋转角处得到非常显著的谐振峰。

对于传感器应用而言，有两个方面是重要的：

(a)S₁₁中的谐振峰的振幅应当尽可能的大，和

(b)S₁₁中的谐振峰的振幅和位置随着旋转角的变化应当尽可能的小。

下面所引用的Transense专利是为了解决这个问题的。

2.Transense专利申请GB2328086

该申请与该Racal专利的不同在于，在定子环的终端1和2之间增加了微电容器以便轻微扩展耦合器带宽并且减少在端口1看到的谐振频率的角变化。如图2b所示，声表面波(SAW)传感器被连接在转子环的终端4和接地面之间。如果该传感器包含多于一个SAW谐振器，那么它们中的每个应当被连接到与单个定子环耦合的单个转子环。根据该申请，所有的定子和转子环都可以在同一定子和转子板上。然而，由于是同心的，它们将具有不同的直径，从而在定子输入处看到的谐振峰将随着旋转角而发生不同变化。因此，测量谐振频率之间的差异将不能有效地消除角频率变化。

3.Transense专利申请GB2368470

该申请公开了一种与前述专利申请所述类似的耦合器。事实上，它包括两个Racal型耦合器，每个不构成一个完整的圆而是半个圆并且并行连接。这就允许使用具有较大直径的轴的该耦合器，从而总耦合器圆周大于λ/4。SAW传感器再次连接在该带状线末端和接地面之间。

4.Transense专利申请2371414

该申请中公开的耦合器不是像所有前述专利中那样基于电磁耦合传输线。它使用两个完全磁耦合回路，并且在它们之间具有接地的电屏幕，用于阻止通过电场进行的耦合。该耦合器应当在圆周显著短于该波长的低频也能正常工作。在更高的频率下，由于在该耦合器两侧缺少接地面以及较差的场约束(field confinement)，将会有显著的辐射损耗，并且该耦合器还将容易受到干扰。在定子输入端的较小信号振幅对于该耦合器也是一个问题。

5.O.Shteinberg和S.Zhgoon的论文

该论文公开了包括两个环形耦合的传输线的耦合器，如图2C所示。SAW谐振器连接在终端3和4之间，而不是像现有技术文献3中所述连接在终端4和接地面之间。

根据本发明的优选实施例，提供一种开口环耦合器，包括具有第一和第二端的开口定子环，具有第一和第二端的开口转子环，所述转子环被定向为基本上与所述定子环同轴并且轴向分离，和至少一个电耦合在该转子环的所述第一和第二端之间的SAW谐振器，其中所述定子环的任一所述端都不直接接地。

在使用中，该定子环的一端耦合到信号分析装置例如网络分析器或其它电子部件。在一个优选实施例中，该定子环的另一端通过电阻器与大地相耦合，其值可以对于不同的应用而改变。但是，已经发现，该电阻器的值大于信号线的特性阻抗是有利的。在另一实施例中，所述另一端被设置为断路，其有效地具有连接的无穷大电阻。

更特别地，该至少一个SAW谐振器连接在该定子环的第一和第二端之间，并且是串联在它们之间。多个谐振器可以可选地连接到所述定子环。在一个实施例中，多个谐振器互相并行连接并且与定子环串联，也就是说，每个谐振器的一个触点连接到定子环的第一端，而每个谐振器的另一个触点连接到该定子环的第二端。

在本发明的另一改进中，定子环可以构造成双开口环以便分成由两个裂口部分分离的两个完全不同的弓形部分，每个弓形部分的每一端与另一弓形部分的一端相关联。然后，至少一个SAW谐振器耦合在该两个弓形部分的每一对相关联端之间，从而形成具有两个谐振器或谐振器组件的转子环，每个与该转子环的两个弓形部分串联耦合并且相互串联耦合。当然，将会理解，对于每一对关联端，可以有多个SAW谐振器相互并行连接并且与该转子环连接。还将理解，该转子环可以被分成多于两个部分，其中至少一个SAW设备串联耦合在该转子环的相邻部分之间。

耦合器及其性能的说明

图3a中示出了所建议耦合器的第一实施例。它用于耦合单个传感器和连接到端口1的固定询问器，该单个传感器包含附加到旋转轴的单个谐振器。该询问器或者像Transense专利GB0518900或Transense专利申请GB0308728.5中公开的那样对端口1处看到的谐振频率进行连续跟踪，或者类似于Transense专利申请GB0120571.5中公开的内容而进行脉冲询问。在这两种情况下，重要的特性都是S₁₁的频率响应中的谐振峰。

与上述文献1、2、3中公开的耦合器类似，这里提出的耦合器包括两个微带开口环，定子环和转子环，其中在它们之间有大约0.5-2mm的特定间隙。二者构成了具有它们各自接地面(图3中未示出)的电磁耦合传输线。每个环具有单个裂口，从而构成四个端口。这里提出的耦合器和上述耦合器之间的主要区别在于，该谐振传感器不是连接在该微带末端和接地面之间，而是连接在表示该转子环的该微带的两个相邻端之间。换句话说，该SAW谐振器与该开口环串联连接，而不是与其一端并行连接。可以有当该传感器包括具有两个不同谐振频率的相互串联或并联连接的两个SAW谐振器的情形(例如其中一个用作参考)。在这种情形中，该传感器仍然与该转子开口环串联连接，如图3所示，公开了本发明的第二实施例。理论上，该传感器可以包含任意个具有不同谐振频率的谐振器。它们仍然可以由相应多个分别在GB0308728.5或GB0120571.5中公开的连续频率跟踪回路或单脉冲询问器在端口1询问。

另一个区别是，在一般情况下，该定子环的端口2被加载电阻器R。通过改变该电阻器的值，可以这样调节该具有谐振器的耦合器的频率响应，以使得S₁₁中的谐振峰具有足够高的振幅，并且同时其振幅和位置具有可接受的角变化量。后者可以从图4a、b和c中看出，其中对于三种情况下的不同的旋转角度值，绘出了在一个谐振频率附近|S₁₁|对频率的点：R＝0(如在现有技术文献5中)，R＝50Ω，和R＝Ω。该开口环具有以下参数：线宽是2.4mm，基板厚度是1.6mm，基板介电常数是4.7，间隙是1mm，直径是19.8mm，对应于谐振时的该耦合器圆周是0.524λ。两个SAW谐振器具有卸荷的Q＝12000，串联谐振阻抗49Ω和静电电容1.9pF。从图中可以看出，定子环的短路端口2(如现有技术文献5中)处的信号振幅最小，于是增加的增加值为R。该峰振幅和位置随该角度的变化量在R＝0(0.6kHz)和R＞＞50Ω(1.8kHz)时最小，而在R＝50Ω(7.8kHz)时最大。为了比较，图5示出了图2b中给出的具有相同参数的普通耦合器的频率响应。可以看出，在这种情况下的信号振幅至少两倍小于在R＝10kΩ时的本发明的耦合器，该峰振幅变化显著增大，并且峰值位置变化(1.5kHz)是可比较的。也可以使用断路来代替大阻值电阻器。

图3所示的新耦合器比现有技术文献1和2中所公开的旧耦合器(见图2b)更适用于更大直径的轴。从图6中可以看出，其中给出了在端口1看到的谐振峰振幅对比以波长表示的圆周长度，其中对于新耦合器(R＝10kΩ)在L＝0.63λ附近有较宽的最大振幅。在430MHz，它对应于48mm的耦合器直径，这对于典型地用于许多汽车应用的具有15mm到20mm直径的轴(例如用于EPAS的转矩传感器)是非常方便的尺寸。该旧耦合器将对于16mm、32mm和80mm的耦合器直径具有最大峰振幅。前两个尺寸都太小，而最后一个太大。

在图3所示第一实施例和现有技术文献4中所公开的设计之间的区别在于，该定子和转子环不仅仅是磁耦合回路。它们是电磁耦合传输线。它们中的每个都具有其自身的接地面，限制了电磁场并且减少了辐射。对于这种设计，也更容易在耦合器输入端实现足够高的谐振峰振幅。

在图3所示第一实施例和图2c所示现有技术文献5中所公开的设计之间的区别在于，该定子环的终端2不是短路的。相反，它可以是断路或者加载电阻器R，该电阻器R的值被选择以优化在终端1看到的谐振频率的信号振幅和角变化量。对于该耦合器的固定圆周长度，R的存在给了设计者另一个自由度以助于获得在终端1看到的谐振峰的更大振幅。

图7中示出了该耦合器的第三实施例。通常，转矩传感器应当是对于轴的弯曲完全不敏感。如果两个感测元件被附加到轴的相对侧并且获得该两个转矩读数的平均，那么可以实现弯曲补偿。基本上，两个谐振传感器可以并行连接到图2b所示旧耦合器的端口4。在这种情况下，需要使用长接合线或其它的微带线。在这两种情况下，它们改变了该SAW谐振器的阻抗，并且需要额外的匹配电路。如果这两个谐振传感器串联连接在图7所示的转子环的两个裂口内，那么可以大大简化该转子的设计。如果在该两个谐振频率之间有合理的分离，那么在该轴相对侧上的第二传感器的存在不会影响第一传感器的性能。在图8中可以看到在每个感测元件中有两个SAW谐振器的情况下该耦合器的频率响应的例子。该第一感测元件包含在430和432MHz工作的谐振器，而该第二感测元件包含在435和437MHz工作的谐振器。

如果需要，多于两个感测元件可以串联连接在该转子环的多于两个裂口内。

Claims (20)

1、一种开口环耦合器，包括其中具有至少一个裂口以使得定子至少具有第一和第二端的定子环，其中具有至少一个裂口以使得转子环至少具有第一和第二端的转子环，所述转子环被定向为基本上与所述定子环同轴并且与所述定子环轴向分离，和至少一个电耦合在该转子环的所述第一和第二端之间的SAW谐振器，其中所述定子环的任一所述端都不直接接地。

2、根据权利要求1所述的开口环耦合器，其中在使用中，该定子环的一端耦合到信号分析装置。

3、根据权利要求2所述的开口环耦合器，其中所述信号分析装置包括网络分析器。

4、根据前述权利要求中任一项所述的开口环耦合器，其中该定子环的一端通过电阻器接地。

5、根据权利要求4所述的开口环耦合器，其中所述电阻器的电阻大于该信号线的特性阻抗。

6、根据权利要求1-3中任一项所述的开口环耦合器，其中该定子环的一端是断路。

7、根据前述权利要求中任一项所述的开口环耦合器，其中该至少一个SAW谐振器与该转子环的所述第一和第二端串联连接。

8、根据前述权利要求中任一项所述的开口环耦合器，其中多个SAW谐振器电耦合在该转子环的第一和第二端之间。

9、根据权利要求8所述的开口环耦合器，其中每个SAW谐振器与该转子环的第一和第二端串联连接并且互相并联。

10、根据权利要求8所述的开口环耦合器，其中每个SAW谐振器与该转子环的第一和第二端串联连接并且互相串联。

11、根据权利要求8所述的开口环耦合器，其中每个SAW谐振器与该转子环的第一和第二端串联连接，所述谐振器中的一些互相串联并且与其它的所述谐振器并联连接。

12、根据前述权利要求中任一项所述的开口环耦合器，其中该转子环包括将该转子环分成两个基本为半圆的弓形部分的两个裂口，每个弓形部分的每一端与另一弓形部分的相邻端相关联。

13、根据权利要求12所述的开口环耦合器，其中该转子环包括将该转子环分成多个弓形部分的多个裂口，每个弓形部分的每一端与相邻弓形部分的相邻端相关联。

14、根据权利要求12或13所述的开口环耦合器，其中至少一个SAW谐振器连接在转子环的每一对关联端之间。

15、根据权利要求14所述的开口环耦合器，其中每个SAW谐振器与该转子环的弓形部分串联连接。

16、根据权利要求15所述的开口环耦合器，其中多个SAW谐振器连接在转子环的每一对关联端之间，每个谐振器与该转子环的所述弓形部分串联连接。

17、根据权利要求16所述的开口环耦合器，其中所述谐振器互相串联连接。

18、根据权利要求16所述的开口环耦合器，其中所述谐振器互相并联连接。

19、根据权利要求16所述的开口环耦合器，其中所述谐振器包括互相串联并且与其它谐振器并联连接的谐振器。

20、基本上如这里参照附图3-8所述的任何一种开口环耦合器。

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