CN107462774B - 一种介电特性测试装置以及测量方法 - Google Patents

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Abstract

一种新型介电特性测试装置以及测量方法，测试装置包括底面覆铜板，介质、输入端口、输出端口Ⅰ、功分器、环形定向耦合器、基片集成波导圆形谐振器，支路Ⅰ和支路Ⅱ；输入端口和输出端口Ⅰ与矢量网络分析仪相连通；环形定向耦合器的输出端与输出端口Ⅰ相连通；功分器的输入端与输入端口相连通，功分器的输出端口Ⅱ通过支路Ⅰ与环形定向耦合器的差端口相连通，功分器的输出端口Ⅲ通过支路Ⅱ环形定向耦合器的和端口相连通。输出端口Ⅱ和输出端口Ⅲ之间粘贴有隔离电阻。本发明不但消除了背景噪声，还使测量区域的电场大大增强，这些措施使测试灵敏度和精确度大大提高，因此极微小的待测物所引起的信号也可被捕捉。

Description

一种介电特性测试装置以及测量方法
技术领域
本发明涉及一种电介质介电常数的微波测量系统，属于微波测量技术领域，更具体地说，是涉及一种基于相消型电路及谐振法的介电常数的测量装置及测量方法。
背景技术
材料的介电常数的无线测试一直是微波工程研究的基础和热点问题。随着微波技术的不断发展,许多新兴的交叉学科应运而生，如微波化学、电磁场生物医学。然而，因人们对微波同生物介质或者化学物质相互作用机理研究不足，导致了微波技术在上述领域内的应用依然面临很多技术壁垒。而材料的介电特性是反映微波与其相互作用的重要参数。因此微波频率下，电介质介电常数的高灵敏度测试技术获得了越来越广泛的研究。近年来，对于材料介电特性的研究逐步步入器件研制阶段，国内外最新研究显示，通过对某混合晶状体在不同外场作用下介电特性的研究开发了频率可调谐的微波介质谐振器。
用来测量介电常数的方法有很多，主要可以分为谐振法和非谐振法。谐振法的优点是具有很高的精度；而非谐振法中应用最为广泛的是传输/反射法，该方法的优点是测试结构相对简单，缺点是无法避免强烈的背景噪声，对捕捉小尺寸样本引起的微弱信号的灵敏度不高。为消除背景噪声,提高灵敏度,基于传输法的相消型电路得到了广大研究者的关注,其基本物理思想是依据微波传输特性设计测试电路，使信号从输入端口输入，到达输出端口时传输信号接近零，因此该方法又称近零传输法。
本发明采用谐振法及近零传输法相结合的方式设计了高灵敏度的测试装置，充分利用了谐振法及近零的传输法的优点，大大提高了测试灵敏度及精度。
发明内容
根据现有技术的不足，本发明提供一种使用方便、价格低廉、易于集成的介电常数高灵敏度测试装置。
本发明按以下技术方案实现：
一种介电特性测试装置，该介电特性测试装置包括：
一个输入端口和一个输出端口Ⅰ，两端口与矢量网络分析仪相连通；
一个环形定向耦合器，其输出端与输出端口Ⅰ相连通；
一个功分器，其输入端与输入端口相连通；其输出端口Ⅱ和输出端口Ⅲ分别通过一条支路与环形定向耦合器相连通；
一个基片集成波导圆形谐振器，连接在两支路之间，用于样品放置区域。
优选的是，所述基片集成波导圆形谐振器的两边有金属化通孔，用来实现类似金属波导的场传播模式。
优选的是，所述输出端口Ⅱ通过支路Ⅰ与环形定向耦合器的差端口相连通；所述输出端口Ⅲ通过支路Ⅱ环形定向耦合器的和端口相连通。
优选的是，所述环形定向耦合器的和端口距输出端口Ⅰ的距离为λ/4；所述环形定向耦合器的差端口距输出端口Ⅰ的距离为3λ/4，使得支路Ⅰ和支路Ⅱ的信号具有相反的信号(λ指的是工作波长,本发明中指频率为4GHz对应的波长)。
优选的是，与所述环形定向耦合器的和端口及差端口相距均为λ/4的端口接地(λ指的是工作波长,本发明中指频率为4GHz对应的波长)。
优选的是，所述输出端口Ⅱ和输出端口Ⅲ之间粘贴有隔离电阻。
优选的是，所述隔离电阻的阻值为100欧姆，所述输出端口Ⅱ和输出端口Ⅲ的阻抗均为50欧姆。
优选的是，所述功分器采用3dB威尔金森功分器；所述基片集成波导圆形谐谐振器的模式为TE111模，其中TE111模是圆形谐振器的主模。
一种介电特性测试方法，该方法为：根据微波传输的特点，信号由测试装置的输入端口输入，经功分器被分成两路相同的信号，这两路信号共同激励基片集成波导圆形谐振器，部分信号再继续向前传输并等幅同相到达环形定向耦合器的和端口和差端口，最终从测试装置的输出端口Ⅰ输出，环形定向耦合器的端口接地或者接匹配负载。
理想情况下，基片集成波导圆形谐振器部分具有很强的电场，这保证了测试装置可敏感捕获微量样本引起的微弱的射频信号，而两支路二分之一波长差保证了传输到输出端口的信号接近为零，这有效消除了测试装置的背景信号，从而实现弱背景信号的测试，大大提高了测试灵敏度。
为便于测试及提高灵敏度，在基片集成波导圆形谐振器上加载盛放液体样本的容器；如果被测物为块状固体或者粉末，则无需加装任何器皿，可直接将被测物放置于基片集成波导圆形谐振器上进行测试；最后由矢量网络分析仪与该装置组成的测试系统获得不同测试物下对应的谐振频率，最后由电磁场理论并结合神经网络方法提取被测物的介电常数。
本发明有益效果：
本发明提供的介电常数微波测量装置将谐振法与近零传输法有效地结合在一起，不但消除了背景噪声，还使测量区域的电场大大增强，这些措施使测试灵敏度和精确度大大提高，因此极微小的待测物所引起的信号也可被捕捉。该方法不但可用于测试液体，也可测试粉末和块状固体。且该装置易于集成，具有与其他装置组合成微型分析系统的潜质，可用于微波化学、分析化学及电磁场生物医学等领域。
附图说明：
图1是本发明的结构示意图，
图2是基片集成波导谐振器示意图，
图3是本发明测量系统示意图，
图4是本装置在加载被测物前后谐振频率示意图。
具体实施方式
下面结合附图用具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种介电特性测试装置，包括底面覆铜板1，介质2以及介质2上的测试部件，测试部件包括输入端口3、输出端口Ⅰ4、功分器5、环形定向耦合器6、基片集成波导圆形谐振器7，支路Ⅰ9和支路Ⅱ8。
输入端口3和输出端口Ⅰ4与矢量网络分析仪相连通；环形定向耦合器6的输出端与输出端口Ⅰ4相连通；功分器5的输入端与输入端口3相连通，功分器5的输出端口Ⅱ10通过支路Ⅰ9与环形定向耦合器6的差端口14相连通，功分器5的输出端口Ⅲ11通过支路Ⅱ8环形定向耦合器6的和端口13相连通。输出端口Ⅱ10和输出端口Ⅲ11之间粘贴有隔离电阻12。隔离电阻12的阻值为100欧姆，输出端口Ⅱ10和输出端口Ⅲ11的阻抗均为50欧姆。
在支路Ⅰ9和支路Ⅱ8之间并接一个基片集成波导圆形谐振器7，用于样品放置区域。基片集成波导圆形谐振器7的两边有金属化通孔17，用来实现类似金属波导的场传播模式，基片集成波导圆形谐振器7的模式为TE111模，其中TE111模是圆形谐振器的主模。
环形定向耦合器6的和端口13距输出端口Ⅰ4的距离为λ/4；环形定向耦合器6的差端口14距输出端口Ⅰ4的距离为3λ/4，使得支路Ⅰ9和支路Ⅱ8的信号具有相反的信号。与环形定向耦合器6的和端口13及差端口14相距均为λ/4的端口15接地16，其中λ指的是工作波长,本发明中指频率为4GHz对应的波长。
理想情况下，信号由图1所示的输入端口3输入，经3dB功分器5，被分成两路相同的信号，这两路信号分别经两支路Ⅰ9和支路Ⅱ8向前传输，部分汇聚在基片集成波导圆形谐振器7中，使该部分具有强烈的电场，部分经环形定向耦合器6到达输出端口Ⅰ4；而与两支路Ⅰ9和支路Ⅱ8相连的环形定向耦合器6的和端口13和差端口14距输出端口Ⅰ4有λ/2的程差，因此传输到输出端口Ⅰ4的信号几近为零。
如图2所示，基片集成波导圆形谐振器7通过微带线Ⅰ18和微带线Ⅱ19并接在支路Ⅰ9和支路Ⅱ之间，基片集成波导圆形谐振器7的两边有金属化通孔17，测试时将待测物放置在测量区上，测量区位于谐振器的中心部位，测试时，被测物可直接放置在测量区。
本实施例用有限元(FEM)数值方法对整个测试装置进行模拟，按照实际尺寸建造如图1所示的模型结构，分别仿真出测试装置在不加载任何待测物时整个装置的散射参数示意图(如图3所示)，从图3可以看出，测试装置的输出端口Ⅰ4的信号在工作频率4GHz为-65dB端口处的场非常微弱，即传输线上的背景噪声几乎被消除。因此在测量区域会有很强的场作用于被测物,即使很微小的被测物也可被测试装置敏感感知。
本发明关于材料介电特性的微波测试系统，其测试原理是通过分析测试装置加载被测物前后谐振频率的变化情况提取其介电常数，与传统谐振法相比，该方法将近零传输与谐振法有机结合在一起，有效地消除了背景噪声，大大提高了测试灵敏度和精确度，因此该发明可敏感感知极微弱的信号。
实验过程中，将整个测试装置的输入端口3和输出端口Ⅰ4与矢量网络分析仪相连构成测试系统，被测物选择不同浓度的200纳升的乙醇溶液，图4显示了测试装置在加载被测物前后谐振频率的变化情况，可以看出极微量的被测物的浓度的微小变化便可引起谐振频率的明显的偏移，且不同被测物引起的传输参数的幅度的变化也很明显。从图4可以看出，在测试装置加载不同浓度的乙醇溶液时，传输参数的幅度在-30dB以下，即使很微小的摩尔浓度变化(0.05)也可被显示在谐振频率的偏移和传输参数的幅度的变化上，这是因为测量区域具有很强的电场，即使很微小变化的被测物也会影响整个装置的谐振频率及两支路信号相消的程度。
本发明提出的基于传输法及谐振法相结合的介电常数微波测量装置，全部采用微带线结构，便于实现小型化制作，易于集成，测试装置随包含两条支路，但是无需任何参考物，且与传统的相消型测试装置相比，两支路不但消除了传输线中的背景噪声，且将大部分微波能量传输到谐振器中，使其聚集了很强的振荡场，这大大增强了该装置捕捉微弱信号的能力,从而实现弱背景信号下的强测试，因此该装置可实现极微量样本介电特性的测试。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种介电特性测试装置，其特征在于，该介电特性测试装置包括：
一个输入端口(3)和一个输出端口Ⅰ(4)，两端口与矢量网络分析仪相连通；
一个环形定向耦合器(6)，其输出端与输出端口Ⅰ(4)相连通；
一个功分器(5)，其输入端与输入端口(3)相连通；其输出端口Ⅱ(10)和输出端口Ⅲ(11)分别通过一条支路与环形定向耦合器(6)相连通；
一个基片集成波导圆形谐振器(7)，连接在两支路之间，用于样品放置区域；
所述输出端口Ⅱ(10)通过支路Ⅰ(9)与环形定向耦合器(6)的差端口(14)相连通；所述输出端口Ⅲ(11)通过支路Ⅱ(8)环形定向耦合器(6)的和端口(13)相连通；
所述环形定向耦合器(6)的和端口(13)距输出端口Ⅰ(4)的距离为λ/4；
所述环形定向耦合器(6)的差端口(14)距输出端口Ⅰ(4)的距离为3λ/4，使得支路Ⅰ(9)和支路Ⅱ(8)的信号具有相反的信号；
与所述环形定向耦合器(6)的和端口(13)及差端口(14)相距均为λ/4的端口(15)接地(16)。
2.根据权利要求1所述的一种介电特性测试装置，其特征在于：所述基片集成波导圆形谐振器(7)的两边有金属化通孔(17)，用来实现类似金属波导的场传播模式。
3.根据权利要求1所述的一种介电特性测试装置，其特征在于：所述输出端口Ⅱ(10)和输出端口Ⅲ(11)之间粘贴有隔离电阻(12)。
4.根据权利要求3所述的一种介电特性测试装置，其特征在于：所述隔离电阻(12)的阻值为100欧姆，所述输出端口Ⅱ(10)和输出端口Ⅲ(11)的阻抗均为50欧姆。
5.根据权利要求1所述的一种介电特性测试装置，其特征在于：所述功分器(5)采用3dB威尔金森功分器；
所述基片集成波导圆形谐振器(7)的模式为TE111模。
6.一种基于权利要求1所述的介电特性测试装置的测量方法，其特征在于：
根据微波传输的特点，信号由测试装置的输入端口(3)输入，经功分器(5)被分成两路相同的信号，这两路信号共同激励基片集成波导蝶形谐振器(7)，部分信号再继续向前传输并等幅同相到达环形定向耦合器(6)的和端口(13)和差端口(14)，最终从测试装置的输出端口Ⅰ(4)输出，环形定向耦合器(6)的端口(15)接地或者接匹配负载。
7.根据权利要求6所述的一种介电特性测量方法，其特征在于：为便于测试及提高灵敏度，在基片集成波导蝶形谐振器(7)上加载盛放液体样本的容器；如果被测物为块状固体或者粉末，则无需加装任何器皿，可直接将被测物放置于基片集成波导蝶形谐振器(7)上进行测试；
最后由矢量网络分析仪与该装置组成的测试系统获得不同测试物下对应的谐振频率，最后由电磁场理论并结合神经网络方法提取被测物的介电常数。
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108490270B (zh) 2018-07-02 2020-01-24 京东方科技集团股份有限公司 液晶介电常数的测量装置、测量系统、测量方法
CN109828157B (zh) * 2019-01-30 2020-12-25 东南大学 一种介质基片介电常数测量机构及其测量方法
CN110470677B (zh) * 2019-09-11 2022-03-01 河南师范大学 一种基于近零传输法的电小尺寸样本介电特性检测装置
CN111487471B (zh) * 2020-04-29 2022-04-22 延安大学 一种介电常数感测装置、系统及方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5123027A (en) * 1990-06-13 1992-06-16 Northrop Corporation Regenerative passive resonator
US7064633B2 (en) * 2002-07-13 2006-06-20 The Chinese University Of Hong Kong Waveguide to laminated waveguide transition and methodology
CN1828314A (zh) * 2006-04-13 2006-09-06 东南大学 微波介质基片介电常数的基片集成波导测量方法
CN103901278A (zh) * 2014-03-28 2014-07-02 电子科技大学 基于基片集成波导圆形谐振腔的材料复介电常数测量方法
CN106654495A (zh) * 2016-12-19 2017-05-10 中国电子科技集团公司第二十研究所 一种x波段基于基片集成波导同轴腔的滤波功分器
CN106785290A (zh) * 2017-01-23 2017-05-31 东南大学 一种基于四分之一模基片集成波导圆形腔的滤波功分器

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5123027A (en) * 1990-06-13 1992-06-16 Northrop Corporation Regenerative passive resonator
US7064633B2 (en) * 2002-07-13 2006-06-20 The Chinese University Of Hong Kong Waveguide to laminated waveguide transition and methodology
CN1828314A (zh) * 2006-04-13 2006-09-06 东南大学 微波介质基片介电常数的基片集成波导测量方法
CN103901278A (zh) * 2014-03-28 2014-07-02 电子科技大学 基于基片集成波导圆形谐振腔的材料复介电常数测量方法
CN106654495A (zh) * 2016-12-19 2017-05-10 中国电子科技集团公司第二十研究所 一种x波段基于基片集成波导同轴腔的滤波功分器
CN106785290A (zh) * 2017-01-23 2017-05-31 东南大学 一种基于四分之一模基片集成波导圆形腔的滤波功分器

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Miniaturized Substrate Integrated Waveguide (SIW);Arani Ali Khan 等;《IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTS LETTERS》;20161130;第26卷(第11期);第888-890页 *
介电常数微弱变化的高灵敏度测试技术;刘伟娜;《微波学报》;20140228;第30卷(第1期);第77-79页 *

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