用于高温无线监测的倍频微带天线传感器的设计与测试

为什么远距监测温度很重要

从喷气发动机到电动汽车电池和地下管道，现代技术中许多最高温、最关键的部件都难以接近且触碰危险。准确了解这些部件的温度对于防止火灾、爆炸和代价高昂的失效至关重要，但在如此恶劣的环境中敷设电缆或安装电子设备几乎不可能。本文描述了一种新型微小无线“热感器”，可耐受高达800 °C的温度，无需电源或易碎芯片，并且仍能通过空气可靠地传递温度信息。

感知热量的小金属贴片

该器件的核心是印在氧化铝陶瓷薄板上的平面金属图案，称为微带贴片。该结构对特定微波频率有自然响应，就像音叉在单一音调时会振响一样。随着温度变化，陶瓷的电学特性发生偏移，贴片的首选微波频率也以可预测的方式移动。通过追踪这一频移，系统可以在无电池、无导线且热区无直接接触电子元件的情况下“读取”温度。

把噪声变成清晰信号

仅仅向热体反射微弱的微波回波，在反射和干扰众多的工业环境中往往不够。为清晰化信号，研究者在传感器中加入了一枚高温肖特基二极管，并设计了巧妙的倍频电路。外部装置发射某一频率的微波信号；在传感器内，二极管将其中一部分能量转换为恰好为原频率两倍的信号。对该更高频率调谐的贴片随后将改制后的波重新辐射回空中。由于环境主要反射原始频率，返回的倍频信号显著突出，从而提高信噪比，使检测变得更容易。

为高温打造的天线

传统的金属喇叭天线和普通芯片在高温下会迅速失效。为避免这一薄弱环节，作者使用耐高温的铂导体在坚固的氧化铝陶瓷上设计了感应贴片和询问天线。他们通过精细仿真优化贴片形状，使一个在约1 GHz响应，另一个在约2 GHz响应，确保能量在传感器之间高效传输。他们还优化了一种紧凑的共面波导天线，用以取代笨重的喇叭，更适合炉子、发动机或电池组附近的狭小空间。

将传感器置于高温测试

团队随后在高温炉中测试了完整系统。传感器瓷片被安装在炉内，两个较冷的询问天线放置在外部、离最高温区仅10厘米。随着炉温从室温升至约800 °C，研究者记录了传感器首选频率的变化。他们发现器件在20厘米范围内仍能可靠传输，并在10厘米处表现最佳。频移与温度平滑跟踪，且在更高温度时灵敏度更高，最优设计达到相当于每摄氏度181千赫的温度响应。在整个范围内，频率误差保持在约0.3%以下，重复加热循环显示出几乎相同的行为。

对实际安全性的意义

简而言之，作者制造出一种坚固、邮票大小的标签，可贴附在高温部件上并无线报告其温度，即便普通电子设备会失效。通过使用巧妙的倍频方法，他们将真实的温度信号与背景杂波分离，扩展了比早期无芯片设计更远的有效监测距离，同时保持在800 °C下的耐受性。这一方法将有助于更容易地连续监测喷气发动机喷嘴、高功率电池和工业管道，帮助工程师在发生灾难前发现危险的过热情况。

引用: Dong, H., Guo, L., Zhen, C. et al. Design and testing of frequency-doubling microstrip antenna sensor for wireless monitoring of high temperatures. Microsyst Nanoeng 12, 109 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01174-8

关键词: 高温传感, 无线无源传感器, 微带天线, 频率倍增, 肖特基二极管