界環(huán)境應(yīng)力有關(guān)，則被反射器反射的聲回波脈沖串將帶有傳感信息。聲回波脈沖串再由輸入叉指換能器轉(zhuǎn)換為射頻電磁脈沖串，并從天線發(fā)射回去。閱讀器接收到電磁回波脈沖串后，放大和解碼，輸入計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫，達(dá)到傳感目的。圖3為延遲反射型傳感應(yīng)答器芯片示意圖。
[0091]延遲線型傳感器(圖4，圖5)與延遲反射型傳感器不同處是用多個(gè)并接的短輸出叉指換能器代替反射柵組，作為回波電磁脈沖的源:在芯片表面?zhèn)鱽淼穆暠砻娌暶}沖，被輸出換能器變換為電磁脈沖，經(jīng)所聯(lián)的發(fā)射天線返回閱讀器。顯然，對同樣設(shè)計(jì)的傳感器件，回波脈沖串的延時(shí)要比反射型小一半，但其幅度要大許多。這種傳感器結(jié)構(gòu)，與前述SAW反射型無線傳感器只有一根天線不同，可以采用單天線和雙天線兩種設(shè)計(jì)。單天線結(jié)構(gòu)中(圖4)，作為回波源的輸出換能器與詢問信號輸入換能器是相連的，共用天線。而雙天線結(jié)構(gòu)(圖5)，兩者分開，各自連有天線，收發(fā)干擾小。
[0092]延遲型傳感器是利用回波信號在時(shí)間軸的時(shí)延或相位上的變化進(jìn)行傳感信息測量的，當(dāng)外界環(huán)境參量發(fā)生變化時(shí)，將影響回波串間的時(shí)延(相位)，檢測出該時(shí)延，就可感知環(huán)境參量的變化。SAW無線傳感器的反射柵(或輸出叉指換能器)一般為三個(gè)，以提高傳感量檢測精度。
[0093]對于物理型傳感器，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)幕舾薪Y(jié)構(gòu)，使回波時(shí)延參數(shù)受待測環(huán)境應(yīng)力影響穩(wěn)定且極大。而對于化學(xué)生物型傳感器，在壓電基片聲波脈沖傳輸路徑位置淀積一敏感膜，通過敏感膜對待測化學(xué)生物量的敏感性，使敏感膜性質(zhì)發(fā)生變化，進(jìn)而影響聲波脈沖傳輸性能，導(dǎo)致回波脈沖串間時(shí)延發(fā)生可檢測變化，即可達(dá)到傳感目的。
[0094]1.5SAW延遲型無線傳感器的防碰撞功能
[0095]防碰撞是指在閱讀器的可探測范圍內(nèi)，允許多個(gè)傳感器同時(shí)存在，而不會影響傳感信息的接收。目前未經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的傳感器，其回波波形都是詢問信號脈沖的簡單重復(fù)時(shí)域排列，不同傳感器的回波重疊后，難以區(qū)分，即傳感器沒有防碰撞能力。
[0096]現(xiàn)今SAW傳感器防碰撞技術(shù)主要有三種:芯片設(shè)計(jì)、軟件算法和個(gè)體隔離。個(gè)體隔離就是減小閱讀器有效范圍，保證閱讀器只接收到一個(gè)傳感器回波；軟件算法就是利用各傳感器回波信號的差異，通過算法來分離出各傳感器信息，已有許多探討，實(shí)用性不明確。
[0097]芯片設(shè)計(jì)方式具有本質(zhì)防碰撞特征，設(shè)計(jì)不同傳感器的起始回波延遲時(shí)間不同使其回波序列彼此隔開，稱為時(shí)分方式，以得到防碰撞功能。例如德國艾迪克?萊默克診斷公司(LDIC)架空輸電線溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測的RITHERM無線無源SAW溫度傳感系統(tǒng)，防碰撞功能為五，如圖6A和圖6B所不。
[0098]由上所述，目前SAW延遲型無線傳感器的防碰撞功能還不能滿足實(shí)用需求。
[0099]二、采用碼分機(jī)制實(shí)現(xiàn)芯片級防碰撞功能的SAW延遲線型無線傳感器
[0100]本節(jié)將基于發(fā)明專利:聲表面波無源射頻識別標(biāo)簽和傳感器(ZL2010101761425)，闡述采用碼分機(jī)制實(shí)現(xiàn)芯片級防碰撞SAW延遲線型無線傳感器的工作原理。
[0101]2.1SAW延遲線型傳感器應(yīng)答器的輸入叉指換能器
[0102]應(yīng)答器芯片的輸入換能器接收射頻詢問脈沖激勵(lì)，在芯片上得到詢問聲表面波脈沖，作為傳感信息激勵(lì)源輸入。
[0103]現(xiàn)今的SAW延遲線型無線傳感器的輸入叉指換能器大都是常規(guī)等周期均勻換能器，采用單頻載波窄脈沖激勵(lì)，得到的詢問聲脈沖是載波脈沖和輸入換能器的卷積，為寬度稍大于換能器時(shí)域長度的近似矩形脈沖。聲脈沖沿聲道前進(jìn)，其特性被傳感量調(diào)制，最后被輸出叉指換能器組再次聲電轉(zhuǎn)換后，形成的電磁回波脈沖串，其寬度將又被擴(kuò)展。
[0104]近年來許多文獻(xiàn)報(bào)道，通過改變輸入換能器設(shè)計(jì)，可以發(fā)揮SAW器件的潛力。例如:
[0105]美國專利US005469170和美國專利US006788204都提出:采用色散換能器作為SAff標(biāo)簽芯片的輸入換能單元，并接收線性調(diào)頻調(diào)制載波脈沖，可在芯片內(nèi)形成極窄的詢問聲脈沖。由于詢問聲脈沖窄，有利于電磁回波檢測精度。
[0106]2.2SAW相關(guān)換能器
[0107]SAW器件中叉指換能器實(shí)現(xiàn)了 SAW器件特有的電-機(jī)-電無源能量轉(zhuǎn)換機(jī)制，通過對叉指換能器參數(shù)的設(shè)計(jì)，可使其具有實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)相關(guān)、卷積等復(fù)雜電信號處理功能，在需要高速實(shí)時(shí)處理的應(yīng)用中，具有不可代替的應(yīng)用。已在雷達(dá)和微弱信號檢測中廣泛應(yīng)用的SAff相關(guān)器，就利用了編碼叉指換能器的調(diào)制脈沖選擇性，以下稱具有此類特性的叉指換能器為相關(guān)換能器。
[0108]1998年W.Buff等報(bào)導(dǎo)了 OCC技術(shù):采用編碼為SI (t)的相關(guān)換能器作為聲表面波標(biāo)簽輸入換能單元，用其時(shí)間反演編碼Si(-t)調(diào)制載波源激勵(lì)，在芯片內(nèi)獲得了極窄詢問聲脈沖。
[0109]目前，SAW相關(guān)換能器采用的編碼方式也有兩種:脈沖極性編碼和正交頻率編碼。為簡單計(jì)，本文只就前一種方式論述相關(guān)換能器的特性。
[0110]2.2.1脈沖極性編碼SAW相關(guān)換能器
[0111]圖7為七位脈沖極性編碼SAW叉指換能器結(jié)構(gòu)，換能器是多個(gè)極性不同的子換能器組合，通過子換能器電極匯流不同實(shí)現(xiàn)極性調(diào)制，其排列序即為編碼，子換能器時(shí)域長度等于編碼電脈沖的碼片長度。圖7中，每個(gè)子換能器長度是4個(gè)波長，換能器編碼(以十六進(jìn)制表示)是七位碼HOD= (0001101)，這是一個(gè)巴克碼。
[0112]2.2.2SAW相關(guān)換能器對輸入編碼脈沖的相關(guān)性
[0113]對SAW相關(guān)換能器輸入一個(gè)編碼電脈沖后，輸出為輸入編碼脈沖與編碼換能器卷積生成的聲信號，此時(shí)輸入脈沖的參數(shù)要與相關(guān)換能器的參數(shù)匹配:載波頻率對應(yīng)于換能器周期，編碼位數(shù)與子換能器數(shù)相同，脈沖碼片長度對應(yīng)于子換能器時(shí)域長度。當(dāng)輸入編碼電脈沖的編碼是此SAW相關(guān)換能器編碼的時(shí)域反演時(shí)，其輸出卷積信號稱為自相關(guān)信號，如圖8A、圖8B和圖8C所示，它具有極大幅度中心峰，峰寬約為輸入脈沖碼片長度，而旁瓣較小，其時(shí)域長度約為輸入脈沖的兩倍。輸入編碼電脈沖的編碼為其他情況時(shí)，其輸出卷積信號稱為互相關(guān)?目號，如圖9Α、圖9Β和圖9C所不，為具有幅度起伏、但沒有明顯主峰、且時(shí)域長度同樣約為輸入脈沖兩倍的雜散波。
[0114]如果我們選取一組碼，它們之間的互相關(guān)特性很好，也就是說:采用其中一個(gè)碼編碼的SAW相關(guān)換能器，如輸入一個(gè)編碼為其時(shí)間反演的詢問脈沖，則在其激勵(lì)后，所產(chǎn)生的自相關(guān)響應(yīng)是一個(gè)極窄的大幅度聲脈沖，作為傳感信息激勵(lì)源，由此得到的應(yīng)答器傳感回波明顯；而被其他碼編碼的詢問脈沖激勵(lì)后，產(chǎn)生的互相關(guān)信號，只是幅度較小的雜散波，由此得到的應(yīng)答器回波極小。我們稱為這一組碼組成一個(gè)相容碼組，每個(gè)成員稱為相容碼，其數(shù)目叫做相容碼組的度。由此，采用相容碼組成員編碼的SAW相關(guān)換能器對該碼組成員編碼的輸入電脈沖具有良好的碼選擇性，故稱為碼分機(jī)制。
[0115]圖8Α、圖8Β和圖8C為SAW相關(guān)換能器的相關(guān)特性模擬，表示十三位碼Η0357 =(0001101010111)的自相關(guān)輸出特性，其自相關(guān)峰高約為其碼長13，而自相關(guān)旁瓣值最大僅為4，自相關(guān)特性良好。圖9Α、圖9Β和圖9C表示該碼和碼H046D = (0010001101101)的互相關(guān)輸出特性，其互相關(guān)極值也為4，僅為峰值的30%?？烧J(rèn)為碼Η0357和碼H046D組成碼長13的一個(gè)相容碼組。
[0116]2.3相容碼組
[0117]SAW相關(guān)換能器編碼屬于擴(kuò)頻通信技術(shù)的偽隨機(jī)碼，但現(xiàn)今廣泛應(yīng)用的周期偽隨機(jī)碼序列和巴克碼等非周期碼序列，沒有考慮碼間互相關(guān)特性。為具有防碰撞功能，我們要求系統(tǒng)采用的一組定碼長擴(kuò)頻碼，是需滿足下列要求的集合:
[0118]a.每個(gè)成員的自相關(guān)特性旁瓣值盡量??；
[0119]b.成員間的互相關(guān)值盡量?。?br>[0120]c.成員數(shù)盡量多；
[0121]d.每個(gè)成員近似為平衡碼；
[0122]滿足上述要求的一組碼，稱為具有規(guī)定性能的一個(gè)相容碼組。相容碼組的性能由下列參數(shù)確定:碼長n，各碼平衡值的最大容許值ph，各碼自相關(guān)特性旁瓣最大值的最大容許值PSL，碼間互相關(guān)特性最大值的最大容許值FXG，并用(碼長，ph，PSL，F(xiàn)XG)表示相容碼組類。例如前述13位碼相容碼組可標(biāo)記為(13，1，4，4)。
[0123]相容碼組成員總數(shù)稱為其度m，即采用該相容碼組作為系統(tǒng)擴(kuò)頻碼時(shí)，可能達(dá)到的本質(zhì)防碰撞、可分辨不同類傳感器的數(shù)目。
[0124]可采用計(jì)算機(jī)搜索方法，尋找相容碼組。實(shí)際操作后，發(fā)現(xiàn):對相容碼組的要求越高，越難以得到可用的相容碼組；碼長越長，相容碼組的度有可能增大，但與碼長度沒有同步增長關(guān)系。
[0125]已搜索到特征為(13，5，4，5)的相容碼組，其最大度m為8。
[0126]2.4采用碼分機(jī)制實(shí)現(xiàn)防碰撞功能
[0127]采用SAW相關(guān)換能器作為SAW無線傳感器應(yīng)答器芯片的輸入換能單元，而且閱讀器采用該相容碼的時(shí)域反演碼調(diào)制的電詢問脈沖(稱為匹配詢問脈沖)對此應(yīng)答器進(jìn)行詢問。由于同一相容碼組的相關(guān)特性，此應(yīng)答器僅被其匹配詢問電脈沖產(chǎn)生芯片內(nèi)極窄詢問聲脈沖峰，而對其它非匹配詢問電脈沖沒有明顯響應(yīng)。即采用同一相容碼組編碼的芯片具有良好的詢問脈沖選擇性，即有碼選擇性，由此實(shí)現(xiàn)了芯片級防碰撞功能。
[0128]如果我們優(yōu)選了一組相容碼，度為m，并設(shè)計(jì)制作了 m種