專利名稱：包括雙諧振傳感器的開口環耦合器的制作方法
目標本發明的目標在于提出一種在超高頻(UHF)條件下，特別是在400-500MHz頻率范圍內工作的旋轉耦合器，其在安裝于該旋轉軸的兩個相對面上的一個或兩個諧振傳感器和固定電子詢問(interrogation)單元之間提供非接觸式連接。該耦合器應當保證(a)在該耦合器的定子輸入端看到的該諧振傳感器響應的最大振幅，(b)該響應振幅的最小變化，和(c)該傳感器的諧振頻率隨著該旋轉角的最小變化。
背景技術：
1.Racal專利WO96/37921該專利公開了一種基于四分之一波長耦合線定向耦合器、一種公知四端口微波設備的旋轉耦合器(見
圖1a)。它和本發明提出的耦合器之間的區別是，后者的耦合傳輸線不是線性而是環形的(圖1b)，具有接近于λ/4的圓周(或者0.62λ/4以最小化S41隨著該旋轉角的相位和振幅變化)。
為了實現從該定子環的端口1向轉子環的端口4的總功率傳輸，如圖2a所示，可以加載四分之一波長3dB耦合器，端口2和3被短路，并且輸出端口4被加載Z＝Z0，其中Z0是該外部電路的特性阻抗。重要的是要注意，因為該傳輸線端口是這樣定義的，所以負載Z總是連接在該帶的末端和接地面(在圖中未示出)之間。
對于基于SAW、STW和FBAR諧振器或者對于軸表面應變敏感的其它類型諧振結構來說，需要該旋轉RF或微波耦合器。它也可以用于進行溫度測量和旋轉軸的其它類型測量。我們只對該旋轉耦合器的傳感器應用感興趣，雖然它也可以廣泛用于其它領域(例如雷達)。進而，我們將使用術語SAW傳感器來表示對于所關注的物理量敏感的任意類型諧振結構。該詢問單元的目的是測量該SAW傳感器的諧振頻率。如果該傳感器被連接到轉子環而不是負載Z，如圖2b所示，那么該詢問器可以容易地“看到”S11處的諧振峰、定子端口1處的頻率響應，并且進行頻率測量。
對于傳感器應用，具有在定子和轉子環之間的嚴格限定的耦合量(例如3dB耦合)和嚴格限定的耦合器圓周長度(例如λ/4)以便能夠測量端口1處的諧振頻率并不是必需的。S11處的諧振峰存在于寬范圍的耦合器幾何參數中，但是它的振幅和位置取決于在Racal專利中公開的該耦合器的幾何形狀上的較大延伸。對于一些軸直徑和頻率來說，很難在任何旋轉角處得到非常顯著的諧振峰。
對于傳感器應用而言，有兩個方面是重要的(a)S11中的諧振峰的振幅應當盡可能的大，和(b)S11中的諧振峰的振幅和位置隨著旋轉角的變化應當盡可能的小。
下面所引用的Transense專利是為了解決這個問題的。
2.Transense專利申請GB2328086該申請與該Racal專利的不同在于，在定子環的終端1和2之間增加了微電容器以便輕微擴展耦合器帶寬并且減少在端口1看到的諧振頻率的角變化。如圖2b所示，聲表面波(SAW)傳感器被連接在轉子環的終端4和接地面之間。如果該傳感器包含多于一個SAW諧振器，那么它們中的每個應當被連接到與單個定子環耦合的單個轉子環。根據該申請，所有的定子和轉子環都可以在同一定子和轉子板上。然而，由于是同心的，它們將具有不同的直徑，從而在定子輸入處看到的諧振峰將隨著旋轉角而發生不同變化。因此，測量諧振頻率之間的差異將不能有效地消除角頻率變化。
3.Transense專利申請GB2368470該申請公開了一種與前述專利申請所述類似的耦合器。事實上，它包括兩個Racal型耦合器，每個不構成一個完整的圓而是半個圓并且并行連接。這就允許使用具有較大直徑的軸的該耦合器，從而總耦合器圓周大于λ/4。SAW傳感器再次連接在該帶狀線末端和接地面之間。
4.Transense專利申請2371414該申請中公開的耦合器不是像所有前述專利中那樣基于電磁耦合傳輸線。它使用兩個完全磁耦合回路，并且在它們之間具有接地的電屏幕，用于阻止通過電場進行的耦合。該耦合器應當在圓周顯著短于該波長的低頻也能正常工作。在更高的頻率下，由于在該耦合器兩側缺少接地面以及較差的場約束(field confinement)，將會有顯著的輻射損耗，并且該耦合器還將容易受到干擾。在定子輸入端的較小信號振幅對于該耦合器也是一個問題。
5.O.Shteinberg和S.Zhgoon的論文該論文公開了包括兩個環形耦合的傳輸線的耦合器，如圖2C所示。SAW諧振器連接在終端3和4之間，而不是像現有技術文獻3中所述連接在終端4和接地面之間。
根據本發明的優選實施例，提供一種開口環耦合器，包括具有第一和第二端的開口定子環，具有第一和第二端的開口轉子環，所述轉子環被定向為基本上與所述定子環同軸并且軸向分離，和至少一個電耦合在該轉子環的所述第一和第二端之間的SAW諧振器，其中所述定子環的任一所述端都不直接接地。
在使用中，該定子環的一端耦合到信號分析裝置例如網絡分析器或其它電子部件。在一個優選實施例中，該定子環的另一端通過電阻器與大地相耦合，其值可以對于不同的應用而改變。但是，已經發現，該電阻器的值大于信號線的特性阻抗是有利的。在另一實施例中，所述另一端被設置為斷路，其有效地具有連接的無窮大電阻。
更特別地，該至少一個SAW諧振器連接在該定子環的第一和第二端之間，并且是串聯在它們之間。多個諧振器可以可選地連接到所述定子環。在一個實施例中，多個諧振器互相并行連接并且與定子環串聯，也就是說，每個諧振器的一個觸點連接到定子環的第一端，而每個諧振器的另一個觸點連接到該定子環的第二端。
在本發明的另一改進中，定子環可以構造成雙開口環以便分成由兩個裂口部分分離的兩個完全不同的弓形部分，每個弓形部分的每一端與另一弓形部分的一端相關聯。然后，至少一個SAW諧振器耦合在該兩個弓形部分的每一對相關聯端之間，從而形成具有兩個諧振器或諧振器組件的轉子環，每個與該轉子環的兩個弓形部分串聯耦合并且相互串聯耦合。當然，將會理解，對于每一對關聯端，可以有多個SAW諧振器相互并行連接并且與該轉子環連接。還將理解，該轉子環可以被分成多于兩個部分，其中至少一個SAW設備串聯耦合在該轉子環的相鄰部分之間。
耦合器及其性能的說明圖3a中示出了所建議耦合器的第一實施例。它用于耦合單個傳感器和連接到端口1的固定詢問器，該單個傳感器包含附加到旋轉軸的單個諧振器。該詢問器或者像Transense專利GB0518900或Transense專利申請GB0308728.5中公開的那樣對端口1處看到的諧振頻率進行連續跟蹤，或者類似于Transense專利申請GB0120571.5中公開的內容而進行脈沖詢問。在這兩種情況下，重要的特性都是S11的頻率響應中的諧振峰。
與上述文獻1、2、3中公開的耦合器類似，這里提出的耦合器包括兩個微帶開口環，定子環和轉子環，其中在它們之間有大約0.5-2mm的特定間隙。二者構成了具有它們各自接地面(圖3中未示出)的電磁耦合傳輸線。每個環具有單個裂口，從而構成四個端口。這里提出的耦合器和上述耦合器之間的主要區別在于，該諧振傳感器不是連接在該微帶末端和接地面之間，而是連接在表示該轉子環的該微帶的兩個相鄰端之間。換句話說，該SAW諧振器與該開口環串聯連接，而不是與其一端并行連接。可以有當該傳感器包括具有兩個不同諧振頻率的相互串聯或并聯連接的兩個SAW諧振器的情形(例如其中一個用作參考)。在這種情形中，該傳感器仍然與該轉子開口環串聯連接，如圖3所示，公開了本發明的第二實施例。理論上，該傳感器可以包含任意個具有不同諧振頻率的諧振器。它們仍然可以由相應多個分別在GB0308728.5或GB0120571.5中公開的連續頻率跟蹤回路或單脈沖詢問器在端口1詢問。
另一個區別是，在一般情況下，該定子環的端口2被加載電阻器R。通過改變該電阻器的值，可以這樣調節該具有諧振器的耦合器的頻率響應，以使得S11中的諧振峰具有足夠高的振幅，并且同時其振幅和位置具有可接受的角變化量。后者可以從圖4a、b和c中看出，其中對于三種情況下的不同的旋轉角度值，繪出了在一個諧振頻率附近|S11|對頻率的點R＝0(如在現有技術文獻5中)，R＝50Ω，和R＝Ω。該開口環具有以下參數線寬是2.4mm，基板厚度是1.6mm，基板介電常數是4.7，間隙是1mm，直徑是19.8mm，對應于諧振時的該耦合器圓周是0.524λ。兩個SAW諧振器具有卸荷的Q＝12000，串聯諧振阻抗49Ω和靜電電容1.9pF。從圖中可以看出，定子環的短路端口2(如現有技術文獻5中)處的信號振幅最小，于是增加的增加值為R。該峰振幅和位置隨該角度的變化量在R＝0(0.6kHz)和R＞＞50Ω(1.8kHz)時最小，而在R＝50Ω(7.8kHz)時最大。為了比較，圖5示出了圖2b中給出的具有相同參數的普通耦合器的頻率響應。可以看出，在這種情況下的信號振幅至少兩倍小于在R＝10kΩ時的本發明的耦合器，該峰振幅變化顯著增大，并且峰值位置變化(1.5kHz)是可比較的。也可以使用斷路來代替大阻值電阻器。
圖3所示的新耦合器比現有技術文獻1和2中所公開的舊耦合器(見圖2b)更適用于更大直徑的軸。從圖6中可以看出，其中給出了在端口1看到的諧振峰振幅對比以波長表示的圓周長度，其中對于新耦合器(R＝10kΩ)在L＝0.63λ附近有較寬的最大振幅。在430MHz，它對應于48mm的耦合器直徑，這對于典型地用于許多汽車應用的具有15mm到20mm直徑的軸(例如用于EPAS的轉矩傳感器)是非常方便的尺寸。該舊耦合器將對于16mm、32mm和80mm的耦合器直徑具有最大峰振幅。前兩個尺寸都太小，而最后一個太大。
在圖3所示第一實施例和現有技術文獻4中所公開的設計之間的區別在于，該定子和轉子環不僅僅是磁耦合回路。它們是電磁耦合傳輸線。它們中的每個都具有其自身的接地面，限制了電磁場并且減少了輻射。對于這種設計，也更容易在耦合器輸入端實現足夠高的諧振峰振幅。
在圖3所示第一實施例和圖2c所示現有技術文獻5中所公開的設計之間的區別在于，該定子環的終端2不是短路的。相反，它可以是斷路或者加載電阻器R，該電阻器R的值被選擇以優化在終端1看到的諧振頻率的信號振幅和角變化量。對于該耦合器的固定圓周長度，R的存在給了設計者另一個自由度以助于獲得在終端1看到的諧振峰的更大振幅。
圖7中示出了該耦合器的第三實施例。通常，轉矩傳感器應當是對于軸的彎曲完全不敏感。如果兩個感測元件被附加到軸的相對側并且獲得該兩個轉矩讀數的平均，那么可以實現彎曲補償。基本上，兩個諧振傳感器可以并行連接到圖2b所示舊耦合器的端口4。在這種情況下，需要使用長接合線或其它的微帶線。在這兩種情況下，它們改變了該SAW諧振器的阻抗，并且需要額外的匹配電路。如果這兩個諧振傳感器串聯連接在圖7所示的轉子環的兩個裂口內，那么可以大大簡化該轉子的設計。如果在該兩個諧振頻率之間有合理的分離，那么在該軸相對側上的第二傳感器的存在不會影響第一傳感器的性能。在圖8中可以看到在每個感測元件中有兩個SAW諧振器的情況下該耦合器的頻率響應的例子。該第一感測元件包含在430和432MHz工作的諧振器，而該第二感測元件包含在435和437MHz工作的諧振器。
如果需要，多于兩個感測元件可以串聯連接在該轉子環的多于兩個裂口內。
權利要求
1.一種開口環耦合器，包括其中具有至少一個裂口以使得定子至少具有第一和第二端的定子環，其中具有至少一個裂口以使得轉子環至少具有第一和第二端的轉子環，所述轉子環被定向為基本上與所述定子環同軸并且與所述定子環軸向分離，和至少一個電耦合在該轉子環的所述第一和第二端之間的SAW諧振器，其中所述定子環的任一所述端都不直接接地。
2.根據權利要求1所述的開口環耦合器，其中在使用中，該定子環的一端耦合到信號分析裝置。
3.根據權利要求2所述的開口環耦合器，其中所述信號分析裝置包括網絡分析器。
4.根據前述權利要求中任一項所述的開口環耦合器，其中該定子環的一端通過電阻器接地。
5.根據權利要求4所述的開口環耦合器，其中所述電阻器的電阻大于該信號線的特性阻抗。
6.根據權利要求1-3中任一項所述的開口環耦合器，其中該定子環的一端是斷路。
7.根據前述權利要求中任一項所述的開口環耦合器，其中該至少一個SAW諧振器與該轉子環的所述第一和第二端串聯連接。
8.根據前述權利要求中任一項所述的開口環耦合器，其中多個SAW諧振器電耦合在該轉子環的第一和第二端之間。
9.根據權利要求8所述的開口環耦合器，其中每個SAW諧振器與該轉子環的第一和第二端串聯連接并且互相并聯。
10.根據權利要求8所述的開口環耦合器，其中每個SAW諧振器與該轉子環的第一和第二端串聯連接并且互相串聯。
11.根據權利要求8所述的開口環耦合器，其中每個SAW諧振器與該轉子環的第一和第二端串聯連接，所述諧振器中的一些互相串聯并且與其它的所述諧振器并聯連接。
12.根據前述權利要求中任一項所述的開口環耦合器，其中該轉子環包括將該轉子環分成兩個基本為半圓的弓形部分的兩個裂口，每個弓形部分的每一端與另一弓形部分的相鄰端相關聯。
13.根據權利要求12所述的開口環耦合器，其中該轉子環包括將該轉子環分成多個弓形部分的多個裂口，每個弓形部分的每一端與相鄰弓形部分的相鄰端相關聯。
14.根據權利要求12或13所述的開口環耦合器，其中至少一個SAW諧振器連接在轉子環的每一對關聯端之間。
15.根據權利要求14所述的開口環耦合器，其中每個SAW諧振器與該轉子環的弓形部分串聯連接。
16.根據權利要求15所述的開口環耦合器，其中多個SAW諧振器連接在轉子環的每一對關聯端之間，每個諧振器與該轉子環的所述弓形部分串聯連接。
17.根據權利要求16所述的開口環耦合器，其中所述諧振器互相串聯連接。
18.根據權利要求16所述的開口環耦合器，其中所述諧振器互相并聯連接。
19.根據權利要求16所述的開口環耦合器，其中所述諧振器包括互相串聯并且與其它諧振器并聯連接的諧振器。
20.基本上如這里參照附圖3-8所述的任何一種開口環耦合器。
全文摘要
一種開口環耦合器，包括其中具有至少一個裂口以使得定子至少具有第一和第二端的定子環以及其中具有至少一個裂口以使得轉子環至少具有第一和第二端的轉子環，所述轉子環被定向為基本上與所述定子環同軸并且與所述定子環軸向分離。至少一個SAW諧振器電耦合在該轉子環的所述第一和第二端之間并與之串聯連接，其中所述定子環的任一所述端都不直接接地。
文檔編號H01P1/06GK1947302SQ200580013001
公開日2007年4月11日 申請日期2005年4月15日 優先權日2004年4月26日
發明者V·A·卡利寧, J·P·貝克利 申請人:傳感技術有限公司