CN107490727A - 一种复合微波传感器以及被测物的介电常数测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种复合微波传感器，包括底层的金属地、中间层的介质以及顶层的输入端口、输出端口Ⅰ、分支线耦合器、功分器、开口谐振环、微带线Ⅰ和微带线Ⅱ，输入端口和输出端口Ⅰ与矢量网络分析仪相连通；分支线耦合器的输出侧设有隔离端口和输出端口Ⅰ；功分器的输入端与输入端口相连通，输出端口Ⅱ和输出端口Ⅲ分别通过一条微带线与环形定向耦合器相连通；开口谐振环设置在功分器、分支线耦合器以及两条微带线之间。本发明有效消除了背景噪声，实现了弱背景信号下的测试，保证了被测物微小的扰动即可引起传感器谐振频率很大的偏移，因此本发明提出的复合微波传感器用于介电常数测量时具有更高的灵敏度和精确度，可用于介电常数微小变化的高灵敏度测试中。
Description
技术领域
本发明涉及一种微波频率下物质参数测量技术，特别涉及一种基于开口谐振环(SRR)及相消型电路的测量介质材料介电特性的高灵敏度复合微波传感器，属于微波测量技术领域。
背景技术
随着微波技术在越来越多的行业被广泛的应用，材料的介电常数测量也得到了长足的发展。如医学、食品、化工及气象学等领域都是通过材料的介电特性的测定获得所需要的各种参数的，像湿度、温度、密度等。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。谐振法因具备较高的灵敏度和精确度而得到了广型泛的应用，传统的谐振法是采用矩形或者圆形谐振腔作为主要测试装置，通过分析空腔及加载被测物的腔的品质因数(Q)的变化反推被测物的复介电常数。谐振法是基于微扰法进行的测试，只适合单频率点测试，多频率点测试需要不同的谐振腔，这大大增加了测试成本，且该方法无法与其它微波电路集成。而微波平面电路技术因加工方便价格低廉，相较金属谐振腔优势明显而被广泛应用在材料介电常数的测量中。例如，研究人员采用基片集成波导技术，通过微带线激励基片集成波导谐振腔TE101模式来实现材料介电常数的测量，但是由于微带线等平面传输线在激励基片集成波导谐振器时存在背景噪声而影响了测量的精确度。且基片集成波导谐振腔需要在介质板上加工金属通孔，这增加了加工的代价和难度。
发明内容
根据现有技术的不足，提供一种结构简单、使用方便、易集成的测量材料介电常数的新型结构的高灵敏度的复合微波传感器。该复合微波传感器是基于开口谐振环(SRR)及相消型电路进行设计的。
本发明按以下技术方案实现：
一种复合微波传感器，该微波传感器为两端口器件，所述微波传感器包括：
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；
一个分支线耦合器，其输出侧设有隔离端口以及所述输出端口Ⅰ；
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分别通过一条微带线与环形定向耦合器相连通；
一个开口谐振环，设置在功分器、分支线耦合器以及两条微带线之间。
优选的是，所述输出端口Ⅱ通过微带线Ⅰ与分支线耦合器的端口Ⅰ相连通；所述输出端口Ⅲ通过微带线Ⅱ与分支线耦合器的端口Ⅱ相连通。
优选的是，所述微带线Ⅰ与微带线Ⅱ之间有λ/4的程差。
优选的是，所述微带线Ⅰ与端口Ⅰ之间设有一条弯曲微带线，通过此弯曲微带线实现微带线Ⅰ与微带线Ⅱ之间的λ/4程差。
优选的是，经所述微带线Ⅰ和微带线Ⅱ的信号到达输出端口Ⅰ时有λ/2的程差，分别由弯曲微带线和分支线耦合器的端口Ⅰ与端口Ⅱ之间的距离产生。
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。
优选的是，所述隔离端口与50欧姆的匹配负载相连。
一种被测物的介电常数测量方法，该方法为：测试时，将复合微波传感器的输入端口和输出端口Ⅰ分别与矢量网络分析仪相连，待测物放置在开口谐振环的测量区，此处是整个微波传感器中电场最强的地方，通过分析空载及负载谐振频率的变化反推被测物的介电常数。
优选的是，当微波传感器用于测试液体物质时，需在开口谐振环电场最强的地方加载器皿，用于盛放被测物，器皿是粘贴在测量区的塑料管或者是打孔加载的石英玻璃管。
本发明有益效果：
本发明提供的新型结构的复合微波传感器用于测量介电常数的测量系统中，在测量相同的待测物，在保持相同的体积的实验条件下，根据传感器实际尺寸，采用FEM数值计算分别对复合传感器和微带线激励的SRR测量装置进行计算，结果显示复合传感器在捕捉被测物介电常数微小变化方面具有很高的灵敏度，因而介电常数的测量结果更加精确，更加可靠，且该传感器属平面结构，易于集成，制作过程无需打孔，测试时无需任何参考物，可适应于液体、粉末及块状固体的测试，具有广泛的实用性。
附图说明：
图1是本发明的结构示意图；
图2是开口谐振环结构示意图；
图3是空载时传感器两端口散射参数；
图4是负载时谐振频率相对于空载时变化情况；
图5是不同体积的被测物引起的谐振频率的偏移情况。
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，一种复合微波传感器，该微波传感器为两端口器件，由底层的金属地1、中间层的介质2以及顶层的测量装置组成；测量装置包括输入端口3、输出端口Ⅰ4、分支线耦合器6、功分器5、开口谐振环9、50欧姆的微带线Ⅰ7以及50欧姆的微带线Ⅱ8。
输入端口3和输出端口Ⅰ4与矢量网络分析仪相连通；分支线耦合器6的输出侧设有隔离端口16以及输出端口Ⅰ4；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通过微带线Ⅰ7与分支线耦合器6的端口Ⅰ12相连通；功分器5的输出端口Ⅲ11通过微带线Ⅱ8与分支线耦合器6的端口Ⅱ13相连通。开口谐振环9设置在功分器5、分支线耦合器6以及两条微带线之间。特别地，微带线Ⅰ7与微带线Ⅱ8之间有λ/4的程差，通过微带线Ⅰ7与端口Ⅰ12之间设有一条弯曲微带线15实现微带线Ⅰ7与微带线Ⅱ8之间的λ/4程差(λ指的是工作波长，本发明中指频率为3GHz对应的波长)。隔离端口16与50欧姆的匹配负载17相连。输出端口Ⅱ10和输出端口Ⅲ11之间粘贴有隔离电阻14。隔离电阻14的阻值为100欧姆。
理想情况下，信号由微波传感器的输入端口3输入，经3dB功分器5分成两路相同信号，这两路信号共同激励开口谐振环9，部分信号经微带线Ⅰ7和微带线Ⅱ8传输到分支线耦合器6的端口Ⅰ12和端口Ⅱ13，最后到达输出端口Ⅰ4。经微带线7Ⅰ7和微带线Ⅱ8的信号到达输出端口Ⅰ4时有λ/2的程差(λ指的是工作波长,本发明中指频率为3GHz对应的波长)，分别由弯曲微带线15和分支线耦合器6的端口Ⅰ12与端口Ⅱ13之间的距离产生，这样在工作频率上，到达传感器输出端口Ⅰ4的两路信号因幅度相同相位相反而相互抵消，因此传输线的背景噪声被消除，实现了弱背景信号的检测的目的，而开口谐振环9上具有很强的场，这可保证足够强的电磁波作用于被测物，从而实现高灵敏度测试。
图2是开口谐振环结构示意图，测试时，将复合微波传感器的输入端口3和输出端口Ⅰ4分别与矢量网络分析仪相连，待测物放置在开口谐振环9的测量区19，此处是整个微波传感器中电场最强的地方，通过分析空载及负载谐振频率的变化反推被测物的介电常数。当微波传感器用于测试液体物质时，需在开口谐振环9电场最强的地方加载器皿18，用于盛放被测物，器皿18是粘贴在测量区19的塑料管或者是打孔加载的石英玻璃管。
传感器的散射参数采用FEM数值算法进行计算，结果如图3所示，从图3可以看出，在空载情况下，在中心频率3GHz处，本发明提出的复合微波传感器的传输参数达到了-63dB，反射系数约为-25dB以下，这验证了我们提出的理论，即信号到达传感器的输出端口Ⅰ4如图1所示时几乎为零。
测试过程中，将复合微波传感器的输入端口3和输出端口Ⅰ4分别与矢量网络分析仪相连，将不同摩尔浓度(X1)的乙醇溶液放置在传感器的测试区，检测到的谐振频率的变化情况如图5所示，可以看出被测物浓度的微小变化即可看到传感器谐振频率很明显的偏移，从谐振频率的变化情况可反映被测物介电特性的变化。图4也说明该复合微波传感器可以检测的乙醇溶液的最小摩尔浓度变化为0.05。可见本发明提出的复合微波传感器具备捕捉介电常数微小变化的能力，这可使其应用于细胞学、电磁场生物医学等领域。
为验证本发明所提出的复合微波传感器用于测试液体物质时所需的最小体积，特将不同体积不同浓度的乙醇溶液放置在传感器的测量区19进行检测，结果显示在图5中，该图中横坐标显示的不同的介电常数代表着不同浓度的乙醇溶液，其数据转换来源于相关的文献资料。可以看出，对于相同放入测试物，不同的体积引起的谐振频率的偏移情况是不同的，越大的体积引起的频率的偏移量也越大，但是当被测物的体积达到140纳升时，相同被测物的体积的变化将不再影响谐振频率的偏移，因此本发明提出的测试方法所需的最小体积为140纳升。
本发明提出的基于SRR及近零传输的测量介质材料介电特性的高灵敏度复合微波传感器，全部采用微带线结构，便于实现小型化制作，易于集成，无需焊接引线，无需任何参考物，且与传统的谐振法相比，该方法有效消除了背景噪声，实现了弱背景信号下的测试，这保证了被测物微小的扰动即可引起传感器谐振频率很大的偏移，因此本发明提出的复合微波传感器用于介电常数测量时具有更高的灵敏度和精确度，可用于介电常数微小变化的高灵敏度测试中。
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 (10)
1.一种复合微波传感器，该微波传感器为两端口器件，其特征在于，所述微波传感器包括：
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；
一个分支线耦合器(6)，其输出侧设有隔离端口(16)以及所述输出端口Ⅰ(4)；
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)分别通过一条微带线与环形定向耦合器(6)相连通；
一个开口谐振环(9)，设置在功分器(5)、分支线耦合器(6)以及两条微带线之间。
2.根据权利要求1所述的一种复合微波传感器，其特征在于：所述输出端口Ⅱ(10)通过微带线Ⅰ(7)与分支线耦合器(6)的端口Ⅰ(12)相连通；
所述输出端口Ⅲ(11)通过微带线Ⅱ(8)与分支线耦合器(6)的端口Ⅱ(13)相连通。
3.根据权利要求2所述的一种复合微波传感器，其特征在于：所述微带线Ⅰ(7)与微带线Ⅱ(8)之间有λ/4的程差。
4.根据权利要求3所述的一种复合微波传感器，其特征在于：所述微带线Ⅰ(7)与端口Ⅰ(12)之间设有一条弯曲微带线(15)，通过此弯曲微带线(15)实现微带线Ⅰ(7)与微带线Ⅱ(8)之间的λ/4程差。
5.根据权利要求4所述的一种复合微波传感器，其特征在于：经所述微带线Ⅰ(7)和微带线Ⅱ(8)的信号到达输出端口Ⅰ(4)时有λ/2的程差，分别由弯曲微带线(15)和分支线耦合器(6)的端口Ⅰ(12)与端口Ⅱ(13)之间的距离产生。
6.根据权利要求1所述的一种复合微波传感器，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(14)。
7.根据权利要求6所述的一种复合微波传感器，其特征在于：所述隔离电阻(14)的阻值为100欧姆。
8.根据权利要求1所述的一种复合微波传感器，其特征在于：所述隔离端口(16)与50欧姆的匹配负载(17)相连。
9.一种基于权利要求1所述的复合微波传感器的被测物的介电常数测量方法，其特征在于：
测试时，将复合微波传感器的输入端口(3)和输出端口Ⅰ(4)分别与矢量网络分析仪相连，待测物放置在开口谐振环(9)的测量区(19)，此处是整个微波传感器中电场最强的地方，通过分析空载及负载谐振频率的变化反推被测物的介电常数。
10.根据权利要求9所述的一种被测物的介电常数测量方法，其特征在于：当微波传感器用于测试液体物质时，需在开口谐振环(9)电场最强的地方加载器皿(18)，用于盛放被测物，器皿(18)是粘贴在测量区(19)的塑料管或者是打孔加载的石英玻璃管。
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