CN103675466B - 基于srr的复介电常数测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SRR的复介电常数测量装置及测量方法。包括矢量网络分析仪和传感器；所述传感器由金属层，基板和50欧姆的微带线激励的SRR构成，微带线平行位于SRR开口侧，其一端的SMA与矢量网络分析仪连接；被测样品的体积满足瑞利散射条件时，则非接触放置在传感器上；被测样品的体积不满足瑞利散射条件时，则直接放置在传感器上。本发明能测量大体积物体和小体积物体的复介电常数；通过采用50Ω传输线激励的高Q值的SRR同时实现了50Ω的阻抗匹配和高测量灵敏度；通过瑞利散射的原理得到了测量小体积物体时的线性计算公式；通过经验公式能够简便地测量大体积物体的介电常数。

Description

基于SRR的复介电常数测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及复介电常数的测量装置及测量方法，尤其是涉及一种基于SRR的复介电常数测量装置及测量方法。

背景技术

传统的复介电常数测量装置很多对于被测样品具有大小形状的要求，不具有通用性，测量装置和方法一般非常复杂，不具有操作的简便性和灵活性。

本发明将瑞利散射应用到复介电常数的测量，实现了对于较小体积物体复介电常数的非接触测量。

很多复介电常数的测量装置都需要用到矢量网络分析仪，但是很多都没有考虑阻抗匹配、或者不能达到理想的阻抗匹配。

发明内容

为克服目前大多数复介电常数测量装置对于被测样品的大小形状要求严格，不具有通用性的缺点，本发明的目的在于提供一种基于SRR的复介电常数测量装置及测量方法。通过采用50Ω传输线激励的高Q值的SRR同时实现了50欧姆的阻抗匹配和高测量灵敏度；通过瑞利散射的原理得到了测量较小体积被测样品时的线性计算公式；通过经验公式能够简便地测量大物体的介电常数。

本发明采用的技术方案是：

一、一种基于SRR的复介电常数测量装置

发明包括矢量网络分析仪和传感器；所述传感器由三层构成，其底层为金属层，中间层为基板，上层为50欧姆的微带线激励的SRR，微带线平行位于SRR开口侧，微带线一端的SMA与矢量网络分析仪连接，传感器的上方放置被测样品；所述被测样品为体积满足瑞利散射条件的被测样品时，被测样品非接触放置在传感器的上方；所述被测样品为体积不满足瑞利散射条件的被测样品时，被测样品直接放置在传感器的上方。

所述微带线平行位于SRR开口侧，微带线与SRR之间的距离要调节到50欧姆的阻抗匹配要求。

二、一种基于SRR的复介电常数测量方法

1)首先通过仿真和实际测量，确定微带线和SRR的最佳距离，实现50欧姆的阻抗匹配，然后腐蚀基板，得到上述的传感器，微带线一端的SMA与矢量网络分析仪连接；

2)当被测样品相对于波长足够小、满足瑞利散射条件时，满足公式：

${\mathrm{\ΔZ}}_{L,Rayleigh}/{\left(\mathrm{\ω}M\right)}^2\≈\[\mathrm{\β}/{\left(\mathrm{\ω}M\right)}^2\]\·\[({\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_r-1)\·({\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_r+2)\]$

其中，ΔZ_L,Rayleigh为瑞利散射条件下、放上被测样品后的系统阻抗和不放被测样品后的系统阻抗之差，为被测样品的复介电常数，为常虚数，为被测样品所占据的自由空间的场分布，ω为测量装置的谐振的角频率；

测量过程中，在传感器的上方非接触放置介电常数已知的校准样品，通过矢量网络分析仪的测量数据得到ΔZ_L,Rayleigh/(ωM)²的数值，由于校准样品的复介电常数是已知的，通过上述公式算出β/(ωM)²的值；然后在传感器的正面一侧放上相同体积的被测样品，通过矢量网络分析仪的测量数据以及校准得到的β/(ωM)²的值，从而反演得到被测样品的复介电常数。

二、另一种基于SRR的复介电常数测量方法

1)首先通过仿真和实际测量，确定微带线和SRR的最佳距离，实现50欧姆的阻抗匹配，然后腐蚀基板，得到上述的传感器，微带线一端的SMA与矢量网络分析仪连接；

2)当被测样品不满足瑞利散射条件时，满足经验公式：

Δ(1/f²)＝A(ε-1)

其中，f为装置的谐振频率，ε为被测样品的介电常数，A为比例系数；

测量过程中，首先不放置被测样品，从矢量网络分析仪中读出装置的谐振频率f₀，然后在传感器的上方直接放置介电常数已知的校准样品，通过矢量网络分析仪得到新的谐振频率f₁，由于校准样品的介电常数是已知的，通过上述公式得到比例系数A；这时在传感器的上方直接放置相同体积的被测样品，通过矢量网络分析仪读出新的谐振频率f_x，已知Δ(1/f²)和比例系数A，通过上述公式反演得到被测样品的介电常数。

本发明具有的有益效果是：

本发明不仅能够测量大体积物体的介电常数，而且实现了对于小体积物体复介电常数的非接触测量；通过采用50Ω传输线激励的高Q值的SRR同时实现了50欧姆的阻抗匹配和高测量灵敏度；通过瑞利散射的原理得到了测量小体积物体时的线性计算公式；通过经验公式能够简便地测量大体积物体的介电常数。本发明装置简便，适用于各种体积被测样品的测量，具有很大的灵活性和实用性。

附图说明

图1是传感器的结构主视图。

图2是图1的左视图。

图3是50Ω微带线激励的SRR结构的等效电路图。

图4是测量小体积物体的等效电路图。

图5是测量小体积物体的示意图。

图6是测量大体积物体的示意图。

图中：1、上层，2、中间层，3、底层，4、被测样品，5、矢量网络分析仪，6、传感器。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1、图2所示，本发明包括矢量网络分析仪(可在市面选购)5和传感器6；所述传感器6由三层构成，其底层3为金属层，中间层2为基板，上层1为50欧姆的微带线激励的SRR，微带线平行位于SRR开口侧，微带线一端的SMA(Sub-Miniature-A)与矢量网络分析仪5连接，传感器6的上方放置被测样品4。所述被测样品4为体积满足瑞利散射条件的被测样品4时，被测样品4非接触放置在传感器6的上方，如图5所示；所述被测样品4为体积不满足瑞利散射条件的被测样品时，被测样品直接放置在传感器6的上方，如图6所示。

所述微带线平行位于SRR开口侧，微带线与SRR之间的距离要调节到50欧姆的阻抗匹配要求。

50Ω传输线激励的SRR结构的等效电路如图3所示，系统的阻抗为：

Z＝1/jωC₀+jωL₀+(ωS)²/(R_ring+jωL_ring+1/jωC_ring)(1)

其中，S为50Ω传输线与SRR的耦合系数，C₀为50Ω传输线的电阻，L₀为50Ω传输线的电感，ω为装置的谐振角频率，R_ring为SRR的电阻，L_ring为SRR的电感，C_ring为SRR的电容。通过调节50Ω传输线与SRR的距离，可以改变S，从而实现50欧姆的阻抗匹配。

如图4所示，放上被测样品后的系统阻抗和不放被测样品后的系统阻抗之差ΔZ_L可以表示为：

${\mathrm{\ΔZ}}_L=\[\left(j\mathrm{\ω}\right)/I^2\]\·\∫\∫{\∫}_V{\stackrel{\‾}{E}}_{inc}\left(\stackrel{\‾}{r}\right)\·\[({\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_r-1)\·{\stackrel{\‾}{E}}_{tot}\left(\stackrel{\‾}{r}\right)\]dV---\left(2\right)$

其中，为不放被测样品时的电场，为放上被测样品后的电场；I为SRR中的电流，为被测样品所占据的自由空间的场分布。

当被测样品相对于波长足够小、满足瑞利散射条件时，满足公式：

${\stackrel{\‾}{E}}_{tot}\left(\stackrel{\‾}{r}\right)\≈\[3/({\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_r+2)\]{\stackrel{\‾}{\·E}}_{inc}\left(\stackrel{\‾}{r}\right)---\left(3\right)$

将公式(3)代入公式(2)可以得到下列公式：

${\mathrm{\ΔZ}}_{L,Rayleigh}/{\left(\mathrm{\ω}M\right)}^2\≈\[\mathrm{\β}/{\left(\mathrm{\ω}M\right)}^2\]\·\[({\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_r-1)\·({\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_r+2)\]---\left(4\right)$

其中，ΔZ_L,Rayleigh为瑞利散射条件下、放上被测样品后的系统阻抗和不放被测样品后的系统阻抗之差，为被测样品的复介电常数，对于特定的测量环境为常虚数。

如图5所示，当被测样品相对于波长足够小、满足瑞利散射条件时，满足公式(4)可以通过瑞利散射实现非接触的复介电常数的测量。首先通过仿真和实际测量，确定微带线和SRR的最佳距离，实现50欧姆的阻抗匹配，然后腐蚀基板，得到上述的传感器，微带线一端的SMA与矢量网络分析仪连接；测量过程中，在传感器的上方非接触放置介电常数已知的校准样品，通过矢量网络分析仪的测量数据得到ΔZ_L,Rayleigh/(ωM)²的数值，由于校准样品的复介电常数是已知的，通过上述公式可以算出β/(ωM)²的值；然后在传感器的正面一侧放上相同体积的待测样品，通过矢量网络分析仪的测量数据以及校准得到的β/(ωM)²的值，从而反演得到被测样品的复介电常数。

如图6所示，当被测样品不满足瑞利散射条件时，满足经验公式：

Δ(1/f²)＝A(ε-1)(5)

其中，f为装置的谐振频率，ε为被测样品的介电常数，A为比例系数。

测量过程中，首先不放置被测样品，从矢量网络分析仪中读出装置的谐振频率f₀，然后在传感器的上方直接放置介电常数已知的校准样品，通过矢量网络分析仪得到新的谐振频率f₁，由于校准样品的介电常数是已知的，通过公式(5)可以得到比例系数A；这时在传感器的上方直接放置相同体积的待测物体，通过矢量网络分析仪读出新的谐振频率f_x，已知Δ(1/f²)和比例系数A，通过上述公式反演得到被测样品的介电常数。

Claims (4)

1.一种基于SRR的复介电常数测量装置，其特征在于：包括矢量网络分析仪(5)和传感器(6)；所述传感器(6)由三层构成，其底层(3)为金属层，中间层(2)为基板，上层(1)为50欧姆的微带线激励的SRR，微带线平行位于SRR开口侧，微带线一端的SMA与矢量网络分析仪(5)连接，传感器(6)的上方放置被测样品(4)；所述被测样品(4)为体积满足瑞利散射条件的被测样品时，被测样品非接触放置在传感器(6)的上方；所述被测样品(4)为体积不满足瑞利散射条件的被测样品时，被测样品直接放置在传感器(6)的上方。

2.根据权利要求1所述的一种基于SRR的复介电常数测量装置，其特征在于：所述微带线平行位于SRR开口侧，微带线与SRR之间的距离要调节到50欧姆的阻抗匹配要求。

3.根据权利要求1所述装置的一种基于SRR的复介电常数测量方法，其特征在于：

1)首先通过仿真和实际测量，确定微带线和SRR的最佳距离，实现50欧姆的阻抗匹配，然后腐蚀基板，得到上述的传感器，微带线一端的SMA与矢量网络分析仪连接；

2)当被测样品相对于波长足够小、满足瑞利散射条件时，满足公式：

${\mathrm{\ΔZ}}_{L,Rayleigh}/{\left(\mathrm{\ω}M\right)}^2\≈\[\mathrm{\β}/{\left(\mathrm{\ω}M\right)}^2\]\·\[({\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_r-1)\·({\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_r+2)\]$

其中，ΔZ_L,Rayleigh为瑞利散射条件下、放上被测样品后的系统阻抗和不放被测样品后的系统阻抗之差，为被测样品的复介电常数，为常虚数，为被测样品所占据的自由空间的场分布，ω为测量装置的谐振的角频率；

测量过程中，在传感器的上方非接触放置介电常数已知的校准样品，通过矢量网络分析仪的测量数据得到ΔZ_L,Rayleigh/(ωM)²的数值，由于校准样品的复介电常数是已知的，通过上述公式算出β/(ωM)²的值；然后在传感器的正面一侧放上相同体积的被测样品，通过矢量网络分析仪的测量数据以及校准得到的β/(ωM)²的值，从而反演得到被测样品的复介电常数。

4.根据权利要求1所述装置的一种基于SRR的复介电常数测量方法，其特征在于：

1)首先通过仿真和实际测量，确定微带线和SRR的最佳距离，实现50欧姆的阻抗匹配，然后腐蚀基板，得到上述的传感器，微带线一端的SMA与矢量网络分析仪连接；

2)当被测样品不满足瑞利散射条件时，满足经验公式：

Δ(1/f²)＝A(ε-1)

其中，f为装置的谐振频率，ε为被测样品的介电常数，A为比例系数；

测量过程中，首先不放置被测样品，从矢量网络分析仪中读出装置的谐振频率f₀，然后在传感器的上方直接放置介电常数已知的校准样品，通过矢量网络分析仪得到新的谐振频率f₁，由于校准样品的介电常数是已知的，通过上述公式得到比例系数A；这时在传感器的上方直接放置相同体积的被测样品，通过矢量网络分析仪读出新的谐振频率f_x，已知Δ(1/f²)和比例系数A，通过上述公式反演得到被测样品的介电常数。