陳智軍 鐘悅蕓 陳 濤 彭福強(qiáng) 陳趙興

南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,南京，211106

聲表面波相關(guān)叉指換能器的半物理仿真

陳智軍 鐘悅蕓 陳 濤 彭福強(qiáng) 陳趙興

南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,南京，211106

為方便、靈活地研究相關(guān)叉指換能器實(shí)物的相關(guān)性能，提出了一種基于ADS軟件的可對(duì)聲表面波相關(guān)叉指換能器性能進(jìn)行驗(yàn)證的半物理仿真方法。該方法利用實(shí)際器件實(shí)測(cè)的S參數(shù)，在ADS中構(gòu)建其物理抽象模型，并通過(guò)虛擬構(gòu)建激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路，利用ADS瞬態(tài)仿真功能，研究實(shí)際器件在不同激勵(lì)信號(hào)下的響應(yīng)，由此分析相關(guān)叉指換能器的相關(guān)性能。將半物理仿真結(jié)果分別與MATLAB理論仿真及閱讀器實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該方法的可行性。

聲表面波；相關(guān)叉指換能器；半物理仿真；自相關(guān)

0 引言

聲表面波(surface acoustic wave,SAW)射頻識(shí)別(radio frequency identification,RFID)系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景，但其防碰撞及大容量問(wèn)題在一定程度上限制了其大規(guī)模應(yīng)用和發(fā)展[1-2]。利用具有大自相關(guān)性、小互相關(guān)性的相位編碼，對(duì)普通叉指換能器(inter-digital transducer,IDT)的叉指進(jìn)行相位調(diào)制[3]，可以得到相關(guān)叉指換能器(correlation inter-digital transducer,CIDT)。由此，CIDT具有了相關(guān)性，從而對(duì)激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生了選擇性(即僅對(duì)與之匹配的激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生自相關(guān)響應(yīng))，進(jìn)而可為解決SAW RFID系統(tǒng)的防碰撞及大容量問(wèn)題提供新的思路[4-6]。因此，對(duì)CIDT的相關(guān)特性進(jìn)行研究具有重要意義。

為研究CIDT實(shí)物的自相關(guān)和互相關(guān)響應(yīng)以了解其相關(guān)性能，需要解決激勵(lì)信號(hào)源的問(wèn)題。為產(chǎn)生與器件匹配的經(jīng)過(guò)相位調(diào)制(phase-shift keying,PSK)的激勵(lì)信號(hào)，可以選擇購(gòu)買(mǎi)矢量信號(hào)發(fā)生器直接產(chǎn)生PSK激勵(lì)信號(hào)，但成本較高；也可選擇自行制作閱讀器，但閱讀器的設(shè)計(jì)和制作較為復(fù)雜。ADS(advanced design system)軟件由美國(guó)安捷倫公司開(kāi)發(fā)，是當(dāng)前射頻和微波電路設(shè)計(jì)的首選工程軟件，可用其模擬構(gòu)建閱讀器激勵(lì)信號(hào)源，并進(jìn)一步分析響應(yīng)信號(hào)。因此，本文提出了一種基于ADS的可對(duì)SAW CIDT相關(guān)性能進(jìn)行驗(yàn)證的半物理仿真方法。該方法利用ADS的瞬態(tài)仿真功能，通過(guò)構(gòu)建PSK激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路和基于CIDT的SAW器件物理抽象模型，仿真實(shí)際器件在不同激勵(lì)信號(hào)下的回波響應(yīng)，由此分析CIDT的相關(guān)性能。其中，SAW器件物理抽象模型是一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，其S參數(shù)由實(shí)際器件通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試得到，而激勵(lì)信號(hào)為虛擬信號(hào)，因此稱(chēng)該方法為半物理仿真。為進(jìn)一步驗(yàn)證基于ADS的半物理仿真結(jié)果的可信度，將仿真結(jié)果分別與基于δ函數(shù)模型[7]的MATLAB理論仿真結(jié)果和自制閱讀器實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，證明了該半物理仿真方法能夠可靠地仿真CIDT的相關(guān)性能，且更為靈活、方便。

1 相關(guān)叉指換能器原理

CIDT由普通叉指換能器經(jīng)相位編碼調(diào)制后得到，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中的CIDT采用了8位的相位編碼序列{1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1}，其中每一個(gè)‘1’或‘-1’稱(chēng)為碼元，‘1’代表相應(yīng)叉指對(duì)的極性為‘+’，‘-1’代表相應(yīng)叉指對(duì)的極性為‘-’。不同極性的叉指對(duì)相位相差180°。

圖1 相關(guān)叉指換能器Fig.1 Correlation inter-digital transducer(CIDT)

(a)自相關(guān)特性

(b)互相關(guān)特性圖2 相位編碼的相關(guān)特性Fig.2 Correlation properties of phase coding

CIDT的相位編碼從本質(zhì)上決定了該器件的相關(guān)特性，因此首先需要了解相位編碼的相關(guān)性能。8位相位編碼{1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1}的相關(guān)特性如圖2所示，圖2a為其自相關(guān)特性，圖2b為其與編碼{1 1 -1 -1 1 -1 1 1}的互相關(guān)特性。其中，自相關(guān)信號(hào)含有一個(gè)大幅值的主峰以及若干個(gè)小的副峰，其主旁瓣比(主峰幅值絕對(duì)值與最大副峰絕對(duì)值之比)為4；互相關(guān)信號(hào)為雜亂的低幅值的小峰，其最大幅值與自相關(guān)信號(hào)主峰幅值之比為0.375。

如果將上述相位編碼用于CIDT，則可使CIDT具有與相位編碼類(lèi)似的相關(guān)特性(即可使CIDT對(duì)不同的激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生不同的響應(yīng))，其相關(guān)特性如圖3所示。當(dāng)CIDT被自相關(guān)信號(hào)激勵(lì)時(shí)，得到的回波信號(hào)如圖3a所示，產(chǎn)生了主旁瓣比為4的自相關(guān)信號(hào)，此時(shí)可認(rèn)為CIDT對(duì)激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生了響應(yīng)；而當(dāng)CIDT被非自相關(guān)信號(hào)(互相關(guān)信號(hào))激勵(lì)時(shí)，得到的回波信號(hào)如圖3b所示，產(chǎn)生的互相關(guān)信號(hào)小峰最大幅值為自相關(guān)回波信號(hào)主峰幅值的0.375倍，則此時(shí)可認(rèn)為CIDT沒(méi)有響應(yīng)激勵(lì)信號(hào)。正是CIDT的相關(guān)特性及其對(duì)不同激勵(lì)信號(hào)的不同響應(yīng)狀態(tài)，使得其獨(dú)具價(jià)值。

(a)自相關(guān)特性

(b)互相關(guān)特性圖3 CIDT的相關(guān)特性Fig.3 Correlation properties of CIDT

(a)器件結(jié)構(gòu)示意圖

(b)器件實(shí)物圖圖4 基于CIDT的SAW實(shí)際器件Fig.4 SAW device based on CIDT

2 相關(guān)叉指換能器的半物理仿真模型

為了采用ADS軟件半物理仿真CIDT的相關(guān)性能，一是需要構(gòu)建基于CIDT的SAW實(shí)際器件物理模型，二是需要構(gòu)建PSK激勵(lì)信號(hào)源?；贑IDT的SAW實(shí)際器件如圖4所示。該SAW器件具有兩個(gè)端口，一端為CIDT，另一端為IDT。IDT可實(shí)現(xiàn)對(duì)激勵(lì)信號(hào)的電聲轉(zhuǎn)換，激發(fā)出的SAW沿壓電基底表面?zhèn)鞑ィ?jīng)CIDT進(jìn)行相關(guān)調(diào)制及聲電轉(zhuǎn)換后，將回波信號(hào)輸出。為了觀測(cè)CIDT對(duì)不同激勵(lì)信號(hào)的輸出以分析其相關(guān)性能，激勵(lì)信號(hào)和回波信號(hào)之間需要存在一定的時(shí)間差，因此設(shè)計(jì)SAW器件時(shí)需要保證CIDT與IDT兩個(gè)端口之間具有一定的間距。此外需要注意的是，實(shí)際器件CIDT采用的相位編碼序列為{1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1}，其編碼序列長(zhǎng)度較短，為保證聲電轉(zhuǎn)換能力，實(shí)際器件每個(gè)碼元對(duì)應(yīng)了28對(duì)叉指(與前文仿真時(shí)1個(gè)碼元對(duì)應(yīng)1對(duì)叉指有所不同)，將1個(gè)碼元對(duì)應(yīng)至CIDT的叉指對(duì)數(shù)目稱(chēng)作碼元長(zhǎng)度。

為在ADS中構(gòu)建SAW器件的物理模型，首先通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得實(shí)物器件的S參數(shù)文件[8-9]。為保證模型的準(zhǔn)確性，所測(cè)S參數(shù)包含S11、S12、S22和S21參數(shù)，且所有參數(shù)由復(fù)數(shù)形式表示，各取10001個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。然后利用ADS中的S2P模塊調(diào)用SAW器件的S參數(shù)文件，即可構(gòu)建出該二端口網(wǎng)絡(luò)，如圖5所示。

圖5 ADS中SAW器件的物理模型Fig.5 Physical model of SAW device in ADS

然后，利用ADS中的VtRF_Pulse及VSum模塊構(gòu)建PSK激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路，如圖6所示。針對(duì)SAW器件的CIDT相位編碼序列{1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1}，將PSK自相關(guān)激勵(lì)信號(hào)分為4個(gè)碼塊，碼塊以變相處為分界線，分為{1 1}、{-1 -1 -1}、{1}和{-1 -1}。每個(gè)碼塊通過(guò)設(shè)置一個(gè)VtRF_Pulse模塊的載波頻率Freq、脈沖寬度Width、初始相位Phase、起始時(shí)間Delay來(lái)模擬。4個(gè)碼塊對(duì)應(yīng)4個(gè)VtRF_Pulse模塊，各模塊參數(shù)設(shè)置情況如表1所示。其中，載波頻率由SAW實(shí)際器件的特征頻率決定，脈沖寬度由該碼塊碼元個(gè)數(shù)、碼元長(zhǎng)度和特征頻率倒數(shù)的乘積共同決定，設(shè)置初始相位使相鄰碼塊之間的相位差為180°。最終的PSK信號(hào)由VSum模塊將各碼塊進(jìn)行時(shí)域拼接而成，可通過(guò)設(shè)置各碼塊起始時(shí)間保證時(shí)域拼接準(zhǔn)確。

圖6 ADS中構(gòu)建的PSK激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路Fig.6 PSK excitation signal generating circuit in ADS

表1 不同VtRF_Pulse模塊參數(shù)設(shè)置情況

最后，利用瞬態(tài)仿真控制器設(shè)置仿真時(shí)間后，便可仿真實(shí)際物理器件在不同激勵(lì)信號(hào)作用下的響應(yīng)信號(hào)。

3 相關(guān)叉指換能器的半物理仿真結(jié)果分析

根據(jù)上述半物理仿真模型，得到相位編碼為{1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1}的CIDT的SAW器件在自相關(guān)和互相關(guān)激勵(lì)信號(hào)作用下的輸出響應(yīng)，如圖7所示。為驗(yàn)證ADS半物理仿真結(jié)果可用于分析CIDT的相關(guān)性能，給出了該SAW器件基于δ函數(shù)模型的MATLAB理論仿真結(jié)果和自制閱讀器實(shí)測(cè)結(jié)果，分別如圖8和圖9所示。其中，自制閱讀器產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)的原理框圖及對(duì)應(yīng)的實(shí)物分別如圖10a、圖10b所示。

(a)自相關(guān)響應(yīng)

(b)互相關(guān)響應(yīng)圖7 ADS半物理仿真結(jié)果Fig.7 ADS semi-physical simulation results

(a)自相關(guān)響應(yīng)

(b)互相關(guān)響應(yīng)圖8 MATLAB理論仿真結(jié)果Fig.8 MATLAB theoretical simulation results

(a)CIDT自相關(guān)響應(yīng)

(b)CIDT互相關(guān)響應(yīng)圖9 閱讀器實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.9 Reader measurement results

(a)原理框圖

(b)實(shí)物圖圖10 閱讀器原理框圖與實(shí)物圖Fig.10 Principle block diagram and physical map of reader

比較圖7～圖9可知，半物理仿真、理論仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形均相似。實(shí)際器件半物理仿真和閱讀器實(shí)測(cè)波形與理論仿真波形相比，自相關(guān)和互相關(guān)響應(yīng)均有所惡化，這可能是由于實(shí)際制作器件與理論設(shè)計(jì)方案有所差距。究其原因，一是MATLAB理論仿真模型使用了δ函數(shù)簡(jiǎn)化模型，沒(méi)有考慮實(shí)際器件的叉指換能器二階效應(yīng)等復(fù)雜問(wèn)題；二是實(shí)際器件制作存在誤差。但是，實(shí)際器件半物理仿真與閱讀器實(shí)測(cè)波形十分相似，因此可利用ADS替代閱讀器來(lái)定性測(cè)試和分析實(shí)物的相關(guān)性能，剔除性能較差的實(shí)物器件，選擇較優(yōu)的實(shí)物器件。表2給出了相位編碼、MALAB理論仿真模型、ADS半物理仿真模型及閱讀器實(shí)物測(cè)試得到的CIDT相關(guān)性能對(duì)比，進(jìn)一步證明了上述結(jié)論。

表2 不同模型下CIDT的相關(guān)性能對(duì)比

雖然本文只是針對(duì)特定相位編碼{1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1}的CIDT的SAW器件進(jìn)行半物理仿真，但實(shí)際研究時(shí)，我們對(duì)不同編碼及不同規(guī)格的SAW CIDT器件均進(jìn)行了理論、仿真及實(shí)驗(yàn)對(duì)比，其結(jié)果均與文中給出的特定編碼方案、特定結(jié)構(gòu)的SAW CIDT器件結(jié)果類(lèi)似。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了聲表面波相關(guān)叉指換能器原理，提出了采用ADS軟件半物理仿真基于相關(guān)叉指換能器的聲表面波器件相關(guān)性能的方法，由此建立了仿真模型，并將仿真結(jié)果與相位編碼、MATLAB理論仿真模型及閱讀器實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。研究結(jié)果表明，基于ADS的聲表面波相關(guān)叉指換能器半物理仿真方法可用于驗(yàn)證實(shí)物器件的相關(guān)性能，且該方法靈活、簡(jiǎn)便、成本低。

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Semi-physicalSimulationofSAWCIDTs

CHEN Zhijun ZHONG Yueyun CHEN Tao PENG Fuqiang CHEN Zhaoxing

College of Automation Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing，211106

In order to test the correlation properties of the physical CIDT devices more conveniently and flexibly, a semi-physical simulation method of the SAW CIDT was proposed based on ADS software. This method abstracted the physic devices by their S-parameters from actual tests and established the virtual excitation signal generating circuits in the ADS. By using the transient simulation function of the ADS, the different responses of the physical devices to the various excitation signals were studied. Compared with the theoretical simulation by the MATLAB and the experimental results by the reader, the semi-physical simulation by the ADS was confirmed to be feasible to study the correlation properties of the CIDTs.

surface acoustic wave(SAW)； correlation inter-digital transducer(CIDT)； semi-physical simulation； auto-correlation

TN65

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.23.007

2016-07-29

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51475240,61301248);航空科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014ZD52053)

(編輯蘇衛(wèi)國(guó))

陳智軍，男，1976年生。南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院副教授、碩士研究生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)槁暡▊鞲信c識(shí)別技術(shù)。E-mail: zjchen@nuaa.edu.cn。鐘悅蕓，女，1991年生。南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院碩士研究生。陳濤，男，1991年生。南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院碩士研究生。彭福強(qiáng)，男，1993年生。南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院碩士研究生。陳趙興，男，1993年生。南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院碩士研究生。