刘宇鹏 宋 宇 赵一宇 张志彦 彭雪明

(1.北京机械设备研究所，北京 100039；2.中国人民解放军驻航天科工集团第二研究院206所军事代表室，北京100039)

1 引 言

在导弹的储存，运输和作战过程中，维持筒内环境，以及对筒弹环境进行定期检测是极其必要的。现有的温湿压集成传感器采用有源有线测量方案［1］。它需要单独为传感器模块加电，并在发射装置上预留环境监测模块电气接口，其现场电路布线繁杂，特别是在舰艇上使用时，易造成储弹舱内杂乱无序，存在安全隐患；手持仪器在采集数据时，由于仓储弹筒数目多，采集工作量很大，有时甚至需要工作人员爬高爬低，导致采集效率低下，且漏采的情况也时有发生，易造成监测信息的不完整。

声表面波（Surface Acoustic Wave, SAW）传感器是一种新型的无源无线传感器［2］。它利用压电基片表面激发的SAW传播速度变化来敏感环境参量变化，其工作所需的能量可以完全由天线输入的电磁波提供，具有低成本、高灵敏度、体积小、稳定性高、使用寿命长等优点。在筒弹监测模块中应用无源无线传感器可以从根本上解决现有方案布线复杂、维护工作量大的缺点。从上世纪末到现在，国内外研究机构已经先后发展出了测量温度、湿度、压力、应变等环境参量的SAW传感器，但是还不存在一种能够同时提取多个传感参量的、适合筒弹环境监测特点的无源无线传感测量系统［3-5］。本文介绍了一种基于谐振器型SAW传感器的筒弹环境监测系统设计方案，可实现封闭筒弹空间内温湿压信息的同时读取，旨在克服传统测量方法的固有缺陷，提高武器系统维护效率。

2 声表面波传感器工作原理

SAW传感器主要分为谐振器型和延迟线型。两种类型的SAW传感器都是利用叉指换能器（IDT）在压电基片表面激发SAW，利用环境参量对SAW传播特性的影响实现传感功能。

SAW在压电基片表面传播的速度会受到环境参量影响。其关系可用式（1）描述［6］：

式中：VR——SAW传播速度；σ——应力；S——刚度；m——压电基片的质量密度；T——环境温度；γ——表面张力；Kσ,KS,Km,KT,Kγ——各参量对应的敏感系数。

式（1）说明，压电基材温度、应力、刚度等参量的变化都会影响SAW传播的速度。如果使用可吸收环境气体中的水分子的湿敏材料作为压电基底，那么吸湿后材料质量的变化，也将体现在SAW的传播速度变化上。

谐振器型SAW传感器上通常包括一个IDT和多组反射栅，如图1所示。基片中央的IDT两侧布置了对称的反射栅阵，通过设计反射栅结构和IDT形状，可以使IDT激发满足布拉格反射条件的SAW，在压电基片两端同时产生相干反射波，并产生谐振，使能量驻留在压电基片上；此时压电基片就形成了一个Q值很高的谐振器。当不再输入能量后，谐振器仍然能够谐振一段时间，发射出较强的输出信号，信号的时域波形如图2所示。如前文所述，环境参量的变化影响了SAW的波速，而IDT确定了SAW的波长；谐振频率与SAW的波速有如下关系：

那么dλ为零，波速就确定了谐振器的谐振频率，谐振频率在频域上的偏移也就直接反映了环境参量的变化。

图1 谐振型SAW传感器结构Fig.1 Structure of resonant SAW sensor

图2 谐振型SAW传感器反射信号Fig.2 The reflected signal of resonant SAW sensor

延迟线型SAW传感器也存在多条反射栅，它的反射栅之间距离更大。SAW在每一条反射栅上都发生反射，其结构和反射回波信号如图3所示。SAW波长由IDT决定，波速则受环境变量影响，那么环境变量变化时，时域上各反射峰的间隔时间和相位就会相应的发生变化。通常是以第一个反射栅产生的回波作为起始标志位，那么后面几个反射栅产生的回波相对起始标志位的时间延迟或相位延迟就体现了环境变量的变化量。

图3 延迟线型SAW传感器结构Fig.3 Structure of delay line SAW sensor

3 系统总体架构

筒弹环境监测的特点决定了系统需要同时读取一个封闭空间中温度、湿度、压力三种传感参量，并且尽量缩小传感单元的体积。SAW传感器件的体积相对传统传感器具有很大优势，而且不需要电源等周围电路支持。但要实现1m～2m的无线工作距离，必须为传感器匹配接收天线，而且天线的尺寸形状受到一定的限制，不可能做得很小。如果将三个传感器集成安装，共用接收天线，可以极大的缩小传感器端器件尺寸。

另外，SAW传感器是完全被动工作的。如果使用多个延迟线型传感器，传感器的反射回波信号会相互叠加和干扰。而敏感多种参量的延迟线型传感器又不适合加工在同一个基片上。因此本系统使用三个独立的谐振器型传感器，它们的谐振频率设计在同一频段上，具有不同的谐振频率，利用频分多址的方式进行区分。

为传感器的通用性和易用性考虑，本文将传感器谐振频率设计在433.92MHz附近。该频段为ISM（工业/科研/医疗）频段，无需申请可直接使用。相对于较高的ISM频段（如2.4GHz），该频段的发射功率更小，通信距离更长，而相对于较低的公用频段（如315MHz），它的配套通信模块更齐全，便于进行灵活的射频前端设计。本文使用的压力传感器灵敏度为 50kHz/bar，量程为 1bar～2bar，温度传感器灵敏度为-1.9kHz/℃，量程为-40℃～+120℃。在量程内占用频带宽度均不超过300kHz，在设计中只需为每个传感器预留600kHz的频带宽度，就不会发生信号碰撞干扰问题。传感器的S11网络参数如图4所示。

图4 温湿压集成传感器S11网络参数Fig.4 S11 parameter of temperature-humidity-pressure integrated sensor

当阅读器在某一个频率点发射激励信号时，只有这个谐振频率在频率点的传感器会谐振并输出信号，而其他的谐振器不会谐振。阅读器只需要依次在三个谐振器的工作频段扫频，就可以分别提取三个传感参量。系统架构如图5所示。

图5 筒弹环境监测系统架构Fig.5 Structure of canister-missile environment monitoring system

需要注意的是，同传统有源传感器一样，SAW传感器也需要定期校准。尤其是湿度传感器，因其本体上的湿敏材料必须接触筒内环境才能监测湿度信息，不能密封封装，所以零漂会比较明显。通常每三年需要取出传感器，在标准环境中进行校准。在设计中可将传感器封装在穿壁安装的整体结构内，易于拆出校准。

4 阅读器硬件设计

4.1 阅读器总体设计

在整个监测系统工作过程中，阅读器需要依据时序向各个传感器发送质询信号，并依次接收各个传感器的回波信号并解调。因此阅读器需要具备在谐振频率附近进行频率扫描的能力，同时具备接收和解调传感器回波频率信息的能力。如图6所示，阅读器分为发射链路、接收链路、高速开关和控制器模块。控制器控制高速开关在发射链路和接收链路按照指定时序依次循环工作，在每个发射周期，发射链路中的数字信号发生器首先合成中频信号，再由锁相环倍频到射频频段，然后通过功率放大器，放大到需用的功率强度，最后经过高速开关和天线发射出去。之后高速开关切换到接收链路，并关断锁相环，实现发射与接收信号的隔离。在接收周期，传感器的回波信号经接收天线和高速开关进入接收链路，经低噪声放大器放大后，与数字信号发生器产生的参考频率进行下混频，下混频到近零中频后通过AD转换为数字信号进入控制器进行处理和输出。

图6 阅读器功能结构图Fig.6 Structure of the reader functions

4.2 发射链路设计

阅读器需要产生步进幅度不大于1kHz的扫频信号。通常使用直接数字式频率合成器（DDS）作为RF信号发生器方案，可以实现很高的步进精度［7］。用DDS直接产生433MHz频段的信号有一定困难，而且谐波分量比较大，也不利于进行近零中频解调。阅读器使用一片锁相环（PLL）将DDS产生的中频信号进行64倍频，然后进行带通放大，最后通过高速开关发射出去。发射信号的增益放在了射频频段，也是基于减少本振谐波干扰的影响。

本文使用一片AD9851芯片产生中频本振信号，并对其输出端匹配低通滤波电路，滤除高次谐波。使用ADF4351芯片作为锁相环，锁相环可通过保持输出信号与输入信号相位差的恒定（锁相）来实现输出信号对输入信号的跟踪，通过写入分频控制字可以精确的确定输出频率与输入频率的倍率。将DDS输入信号作64倍频后到射频频段，输出信号频谱如图7所示。发射信号Q值不小于30000，符合使用要求。

图7 锁相环倍频输出信号频谱Fig.7 Spectrum of the PLL multiplication frequency output signals

PLL输出信号功率在0dBm附近，约为1mW，不满足输出信号强度要求，需要使用功率放大器件进行放大后再通过天线发射。本文使用TSH690芯片作为带通放大芯片，它在射频频段的理论增益可以达到28dB，经实物测试功放芯片将在433.70MHz频率输入信号功率放大了17dB，将发射功率提高到了50mW，如图8所示。

阅读器与传感器的通信方式实质是半双工通信。这是由传感器完全被动的工作性质所决定的。在接收链路工作时发射链路必须关断，否则回波信号将不能解调出来［8］。尽管半双工的工作模式导致了质询效率的降低，但可以通过发射接收方向的高速转换来弥补。高速开关的作用就是在发射和接收链路之间快速切换，使其轮流工作，并且互不干扰。本文使用的AS179芯片是一种高隔离度、低插入损耗的中等功率射频开关，非常适合在通信系统中使用。在300kHz到1GHz的频带内，其插入损耗典型值为0.3dB，而隔离度典型值为25dB，开关响应时间典型值为20ns，远小于采样时间，满足使用要求。

图8 功率放大模块输出信号频谱Fig.8 Spectrum of PA output signals

将PLL输出信号作为射频开关输入信号，当输出信号频率为433.70MHz时，输出信号频谱如图9所示。

当射频开关插入损耗时，输出信号功率为15.51dBm，当射频开关隔离时，输出信号功率降低到-14.50dBm，实现了30dB的信号衰减，实现了较为理想的隔离效果。谐振器谐振时输出信号通常持续时间不超过25ms，设置发射/接收切换周期为50ms，也即射频开关每50ms切换一次，则在时域上发射信号输出测试结果如图10所示。

4.3 接收链路设计

接收链路采取超外差结构，这也是通信收发机中使用最广泛的结构。在超外差接收机中，从天线接收的信号与DDS产生的本振信号一起进入混频器，得到一个较低的中频信号，这个信号的频率包含了传感信息。频率较低的中频信号可以通过傅里叶变换来采集其频域信息。

图9 射频开关输出信号频谱Fig.9 Spectrum of RF switcher output signals

图10 发射链路输出信号波形Fig.10 Output signal of emission chain

本文使用超外差接收机MAX7033作为接收芯片，它将低噪放大器，滤波器，自动增益控制，混频器等模块集成在一个芯片内部，具有优良的抗干扰功能。从天线接收的信号经过高速开关，先进入片内的LNA进行放大，然后在片外配置的滤波电路中进行带通滤波，再利用片内的自动增益控制模块调整信号功率，最后与倍频后的本振信号进行混频，输出较低的中频信号进行解调。在每个接收周期，接收链路都会收到传感器发射的持续衰减的谐振信号，如图11所示。

图11 接收链路输出信号波形Fig.11 Output signal of receiving chain

在接收周期，进入接收链路的不只有传感器发射的谐振信号。由于射频开关隔离度有限，在发射周期仍然会有一部分发射信号进入接收链路，在接收链路中混频后，产生一个稳定的低频信号，称为直流偏移，如图11(a)所示。因此在接收周期应将发射链路关断，使其不干扰接收解调。利用锁相环芯片的静音功能，可以快速的开启/关断发射链路。在接收周期将发射链路静音后获得的混频输出如图11(b)所示，接收链路提取了下混频后的低中频信号，其频率是当前频率与本振的差值，其包络与理论输出波形相符。

5 结束语

本文提出了一种基于SAW传感器的筒弹环境监测系统，利用集成在一起的三个不同谐振频率的谐振器型SAW传感器获取同一测点的温度、湿度、压力传感信息，根据谐振器型SAW传感器的反射信号特性，设计了基于超外差结构的的阅读器电路，并针对直流偏移对接收信号的干扰进行了优化。测试表明阅读器具备了激励和解调传感器信号的功能。