|
1 SAW技術(shù)簡(jiǎn)介 聲表面波SAW(Surface Acoustic Wave)是英國(guó)物理學(xué)家瑞利在19世紀(jì)80年代研究地震波的過(guò)程中偶爾發(fā)現(xiàn)的一種能量集中于地表面?zhèn)鞑サ穆暡ā?965年，美國(guó)的懷特和沃爾特默在應(yīng)用物理雜志上發(fā)表題為“一種新型聲表面波聲——電轉(zhuǎn)化器”的論文，取得了聲表面波技術(shù)的關(guān)鍵性突破，能在壓電材料表面激勵(lì)聲表面波的金屬叉指換能器IDT(Inter-digital Transducer)的發(fā)明，大大加速了聲表面波技術(shù)的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了許多各具特色的聲表面波器件，使這門(mén)年輕的學(xué)科逐步發(fā)展成為一門(mén)新興的?聲學(xué)和電子學(xué)相結(jié)合的邊緣學(xué)科。 SAW最早的應(yīng)用是在廣播?電視領(lǐng)域作頻率穩(wěn)定的濾波器之用。現(xiàn)在聲表面波技術(shù)的應(yīng)用已涉及到許多學(xué)科領(lǐng)域，如地震學(xué)?天文學(xué)?雷達(dá)通信及廣播電視中的信號(hào)處理?航空航天?石油勘探和無(wú)損檢測(cè)等。 2 聲表面波傳感器標(biāo)簽的識(shí)別原理 聲表面波傳感器的基本組成如圖1所示。其天線(xiàn)接收到高頻(915MHz中心頻率)激勵(lì)后經(jīng)過(guò)叉指換能器IDT(interdigital transducer)將電磁波轉(zhuǎn)化成聲表面波，然后經(jīng)過(guò)一系列反射器(可編程，包含了識(shí)別碼)反射回來(lái)，再經(jīng)叉指換能器轉(zhuǎn)化成電磁波經(jīng)天線(xiàn)發(fā)射出去，完成反射過(guò)程。 3 收發(fā)器的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 3.1 大時(shí)寬帶寬乘積信號(hào) 匹配濾波器理論指導(dǎo)下提出的線(xiàn)性調(diào)頻脈沖壓縮技術(shù)，是在寬脈沖內(nèi)附加線(xiàn)性調(diào)頻已擴(kuò)展信號(hào)的頻帶，從而提供了一種時(shí)寬和帶寬乘積大于1的信號(hào)，稱(chēng)為大時(shí)寬帶寬乘積信號(hào)。 線(xiàn)性調(diào)頻脈沖具有近似矩形的幅頻特性和近似平方律的相頻特性。同時(shí)具有可選擇的“時(shí)寬帶寬積”，普通脈沖信號(hào)是單一載頻信號(hào)，它的時(shí)寬帶寬積是固定的，大約等于1。而線(xiàn)性調(diào)頻脈沖信號(hào)的時(shí)寬和帶寬都可以做得很寬，使得時(shí)寬帶寬積可以做得很大。 大時(shí)寬帶寬乘積信號(hào)由于應(yīng)用寬脈沖，系統(tǒng)的多普勒分辨力可同時(shí)得到提高，有利于克服峰值功率限制，充分利用發(fā)射設(shè)備的平均功率，提高信號(hào)的能量，有利于增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。對(duì)有源噪聲干擾來(lái)說(shuō)，由于信號(hào)的帶寬很大，迫使干擾及發(fā)射寬帶噪聲，從而降低了干擾的譜密度。對(duì)于回答式干擾，也由于采用了復(fù)雜的脈內(nèi)調(diào)制，在信號(hào)的延遲?放大?轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生更大的畸變，從而得到一定的抑制。至于消極干擾則由于提高了系統(tǒng)的分辨能力，抗干擾性能也有一定的改善。 3.2 系統(tǒng)方框圖 根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)要求，筆者設(shè)計(jì)的某識(shí)別系統(tǒng)的接收器和發(fā)送器實(shí)現(xiàn)框圖分別如圖2圖3所示。 3.3 系統(tǒng)各部分介紹 (1)本 振 750MHz及165MHz本振通過(guò)鎖相環(huán)產(chǎn)生，穩(wěn)定度在10-7量級(jí)，作為激勵(lì)傳感器的發(fā)射信號(hào)和檢測(cè)回波信號(hào)時(shí)延的基準(zhǔn)在系統(tǒng)中起著重要作用。 (2)脈沖的擴(kuò)展 165MHz的本振脈沖，經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)截取0.1μs寬度的脈沖，經(jīng)放大?帶通濾波后，得到一個(gè)鐘形脈沖，送到SAW擴(kuò)展器。SAW擴(kuò)展器的激勵(lì)脈沖可以是一個(gè)寬度小于8ns的窄脈沖，也可以是一個(gè)帶有載波的鐘形脈沖，為了得到較大的功率，在此選用了鐘形脈沖。 擴(kuò)展器的原理圖如圖4所示。主要由壓電晶片(這里采用了LiTaO3晶體)和光刻在其表面上的叉指換能器組成。觸發(fā)脈沖輸入換能器后，由逆壓電效應(yīng)激勵(lì)出聲表面波。傳播到輸出換能器后，由壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成與叉指條周期一一對(duì)應(yīng)的電磁波。由于聲表面波到達(dá)換能器時(shí)間上的差異，得到了一組頻率按線(xiàn)性變化的展寬電脈沖。 從圖4可看到展寬器件的情況，高頻部分先到達(dá)，得到的是由高頻向低頻變化(175MHz"155MHz)的延遲時(shí)間為1μs的負(fù)斜率線(xiàn)性調(diào)頻脈沖。 (3)天線(xiàn)?GaAs射頻開(kāi)關(guān)?發(fā)射和接收 從SAW擴(kuò)展器輸出的線(xiàn)性調(diào)頻脈沖經(jīng)過(guò)放大濾波后，由天線(xiàn)發(fā)射出去。 發(fā)射天線(xiàn)與接收天線(xiàn)共用，需要一轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。回波信號(hào)的微弱要求系統(tǒng)接收機(jī)本地噪聲信號(hào)必須很小，因此，要求開(kāi)關(guān)應(yīng)有很高的隔離度(通斷比)，否則，本機(jī)振蕩信號(hào)會(huì)竄入接收機(jī)而淹沒(méi)有用信號(hào)。由于系統(tǒng)頻率高達(dá)915MHz，普通的模擬開(kāi)關(guān)無(wú)法滿(mǎn)足隔離度的要求。本系統(tǒng)采用了GaAs射頻開(kāi)關(guān)，這種開(kāi)關(guān)具有較高的隔離度?較低的插損?開(kāi)關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)。 天線(xiàn)具有比較窄的方向角，以盡量避免在識(shí)別范圍內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)識(shí)別卡的情形。發(fā)射出的信號(hào)若遇到SAW識(shí)別卡，會(huì)反射回一系列脈沖，脈沖的數(shù)量和間隔由識(shí)別卡本身的結(jié)構(gòu)決定。本系統(tǒng)中使用的是24/48位的識(shí)別碼。 (4)脈沖壓縮 由天線(xiàn)接收的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)下變頻?帶通?放大后送到SAW壓縮器，壓縮器的原理與擴(kuò)展器類(lèi)似，輸出換能器的叉指排列與擴(kuò)展器的共軛，由低頻向高頻變化(155MHz～175MHz)。當(dāng)展寬脈沖進(jìn)來(lái)后，由于時(shí)間上的差異，使各頻率的信號(hào)同時(shí)到達(dá)叉指換能器相應(yīng)的位置而輸出一個(gè)被壓縮的脈沖。脈沖的能量按布喇格函數(shù)分布。 通過(guò)使用SAW擴(kuò)展器和壓縮器，增大了信號(hào)的時(shí)寬帶寬積，從而獲得了大約13dB的處理增益，提高了系統(tǒng)的多普勒分辨力;由于時(shí)域上的展寬，充分利用發(fā)射設(shè)備的平均功率，提高信號(hào)能量，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力。 (5)A/D采樣與DSP數(shù)據(jù)處理 由SAW壓縮器輸出的信號(hào)包含了SAW識(shí)別卡的信息，經(jīng)過(guò)A/D采樣后由DSP提取識(shí)別卡的信息就完成了識(shí)別過(guò)程。 4 測(cè) 試 測(cè)試用的識(shí)別卡有24條反射器，可以形成24位的識(shí)別碼，收發(fā)器每隔12μs發(fā)射一個(gè)1μs的詢(xún)問(wèn)脈沖。經(jīng)過(guò)識(shí)別卡反射回一組編碼脈沖。若對(duì)應(yīng)位為1，則對(duì)應(yīng)反射器反射回波;若為0則不反射。這樣由有無(wú)回波脈沖就可以判斷出該位為1或者0。 編碼為1的返回脈沖比編碼為0的返回脈沖大20dBm左右，通過(guò)信號(hào)的處理可以得到很低的誤碼率，可以快速準(zhǔn)確地識(shí)別目標(biāo)。 聲表面波器件的引入，使系統(tǒng)性能得到了很大的提高。識(shí)別距離可以達(dá)到20m，可用于不停車(chē)車(chē)輛自動(dòng)收費(fèi)識(shí)別系統(tǒng) 路標(biāo)識(shí)別系統(tǒng) 鐵路車(chē)輛車(chē)號(hào)識(shí)別以及列車(chē)準(zhǔn)確停靠控制等系統(tǒng)。 |
