CN108088858A - 一种双频宽带微波传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双频宽带微波传感器，包括共面波导传输线及串联加载在共面波导传输线中间导带的两个相同结构的复合支节，该复合支节由一个终端开路的共面波导和两个终端短路的槽线支节组成，两个终端短路的槽线支节与一个终端开路的共面波导并联，复合支节的两端依次通过第一槽线缝隙和第二槽线缝隙与共面波导传输线的两条信号传输缝隙串联，两个相同结构的复合支节上设有用于放置被测样品的测试区域。本发明的测试装置结构简单，灵敏度高，传感器上的槽线缝隙及复合支节均采用传统的刻蚀工艺加工，价格低廉，加工难度低，便于批量生产，可实现在线实时双频宽带检测。
Description
技术领域
本发明属于介电常数测量装置技术领域，具体涉及一种双频宽带微波传感器。
背景技术
随着微波技术的应用在生物学、细胞学、食品化工及电磁兼容等领域内不断取得突破性发展，许多新兴的交叉学科应运而生，如微波化学、电磁场生物医学等。然而，因人们对微波同生物介质或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。生物介质或化学物质的电参数是反映微波与其相互作用的重要参数，如在生物学领域，像蛋白质热变性、双层质膜、单细胞特性以及在微波化学领域内非热效应的研究，都是通过分析生物或化学物质介电特性的变化展开研究的。
一般来说样品的介电特性测量方法可以分为谐振法和非谐振法，谐振法的特点是具有很高的灵敏度和很准的精确度，但是属于窄带测试。非谐振法的特点是设备简单、测试灵敏度低，但是属于宽带测试。非谐振法是实现宽带检测的主要方法，而传输/反射法是非谐振法中应用最为广泛的。在传输/反射法中，基于共面波导传输线的宽带测定方法获得了长足的发展，其基本思路是将被测样品放置在共面波导传输线上，通过测定两端口散射参数信息并结合去嵌入技术或其它算法（如神经网络算法）反演被测样品的介电特性，其优点是超宽带测定，缺点是灵敏度有限，有时候面临复杂的去嵌入技术。为提高测试灵敏度，各种各样的方法被提出，文献“Haase N M N, Fuge G, Trieu H K, et al. MiniaturizedTransmission-Line Sensor for Broadband Dielectric Characterization ofBiological Liquids and Cell Suspensions[J]. IEEE Transactions on MicrowaveTheory & Techniques, 2015, 63(10):3026-3033.”报道通过加载微流通道实现了宽带液体生物介质的介电特性检测，微流通道的加工需要特殊工艺，这增加了加工的难度和代价，不适应广泛推广。
鉴于此，本发明提出了一种基于传输/发射法的双频宽带检测传感器，该装置以共面波导传输线为基础，通过在共面波导传输线的中间导带上加载两个相同结构的复合支节，从而使检测的灵敏度大大提高。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供了一种结构简单且测试灵敏度较高的双频宽带微波传感器，该微波传感器可用于检测流体、粉末及块状固体的介电常数。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种双频宽带微波传感器，其特征在于包括共面波导传输线及串联加载在共面波导传输线中间导带的两个相同结构的复合支节，该复合支节由一个终端开路的共面波导和两个终端短路的槽线支节组成，两个终端短路的槽线支节与一个终端开路的共面波导并联，复合支节的两端依次通过第一槽线缝隙和第二槽线缝隙与共面波导传输线的两条信号传输缝隙串联，两个相同结构的复合支节上设有用于放置被测样品的测试区域，加载两个相同结构的复合支节和槽线缝隙用于增强测试区域的电场从而提高检测的灵敏度，共面波导传输线的输入端口和输出端口分别通过SMA接头与矢量网络分析仪相连。
进一步优选，所述介质基板的材料为罗杰斯R4003C，其相对介电常数为3.38，介质基板的厚度为0.8mm，共面波导传输线中两条信号传输缝隙及中间导带的宽度分别为0.6mm和9.2mm，第二槽线缝隙的宽度和长度分别为0.6mm和1.8mm，终端开路的共面波导长度和缝隙宽度分别为6.02mm和0.6mm，终端短路的槽线支节的长度和缝隙宽度分别为4.47mm和0.6mm，第一槽线缝隙的宽度和长度分别为0.6mm和3.2mm。
进一步优选，所述被测样品为块状固体可直接放置在测试区域，被测样品为流体或固体粉末可通过弓字型微流管加载在测试区域，该弓字型微流管通过导电胶粘贴在测试区域。
本发明所述的双频宽带微波传感器的测量方法，其特征在于具体过程为：微波信号由输入端口输入，经测试区域，最后到达输出端口，通过第一槽线缝隙和第二槽线缝隙串联加载的两个相同结构的复合支节使测试区域具有很强的电场，提高检测的灵敏度，将被测样品放置于测试区域，相当于在共面波导传输线上引入不连续结构，这种不连续结构将构造成共面波导传输线两端口散射参数，且散射参数的变化情况携带有被测样品介电特性的信息，最后采用神经网络方法，基于测试的包含测试样品的散射参数信息反演被测样品的介电常数。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：测试装置结构简单，灵敏度高，传感器上的槽线缝隙及复合支节均采用传统的刻蚀工艺加工，价格低廉，加工难度低，便于批量生产，可实现在线实时双频宽带检测。本发明提出的传感器因串联加载两个相同结构的复合支节使测试区域具有很强的电场，较传统共面波导传输线测量，其灵敏度大大提高，可用于检测微小的样品。
附图说明
图1是本发明传感器的结构示意图；
图2是本发明传感器中微流管的结构示意图；
图3是本发明传感器的散射参数；
图4是本发明传感器测试区域的场分布示意图。
图中：1-介质基板，2-金属层，3-共面波导传输线，4-信号传输缝隙，5-中间导带，51-金属地，6-第二槽线缝隙，61-终端短路的槽线支节，62-第一槽线缝隙，7-复合支节，71-终端开路的共面波导，8-输入端口，9-输出端口，T-测试区域。
具体实施方式
结合附图详细描述本发明的具体内容。如图1所示，本发明所述的传感器由双层板构成，其底层为介质基板1，上层为金属层2，在金属层2上刻蚀有共面波导传输线3，其包括两条信号传输缝隙4、中间导带5和金属地51，在中间导带5且远离两端馈线部分串联加载有第二槽线缝隙6，第二槽线缝隙6的另一端分别与两个相互对称且结构相同的复合支节7相连，复合支节7由一个终端开路的共面波导71和两个终端短路的槽线支节61组成，两个结构相同的复合支节7属并联关系，第二槽线缝隙6与两个复合支节7之间通过第一槽线缝隙62相连，微波信号在第一槽线缝隙62分为两路在两个复合支节7上传输，测试区域T位于两个相同结构的复合支节7上，共面波导传输线3的输入端口8和输出端口9分别通过SMA接头与矢量网络分析仪相连。
如图1所示，微波信号由输入端口输入，一部分经第二槽线缝隙和第一槽线缝隙到达两个相互对称且结构相同的复合支节上，另一部分经共面波导传输线到达输出端口；第二槽线缝隙及两个相互对称且结构相同的复合支节的尺寸可以决定传感器的工作频带，同时增强测试区域的电场，但是以牺牲主传输线的工作频带为代价的，复合支节由一个终端开路的共面波导和两个终端短路的槽线支节组成，其结构如图1所示。
所述被测样品是固体可直接放置在测量装置的测试区域上；如果被测样品是流体或者固体粉末，可通过一个弓字型塑料管放置在测试区域，该弓字型塑料管的结构如图2所示，其尺寸可自由定制，本发明选择的管子的直径为2mm，高度为3mm，中间部分长度为3mm，可通过导电胶粘贴在测量装置的测试区域。
所述介质基板的材料为罗杰斯R4003C，其相对介电常数为3.38，介质基板的厚度为0.8mm，共面波导传输线中两条信号传输缝隙及中间导带的宽度分别为0.6mm和9.2mm，第二槽线缝隙的宽度和长度分别为0.6mm和1.8mm，终端开路的共面波导长度和缝隙宽度分别为6.02mm和0.6mm，终端短路的槽线支节的长度和缝隙宽度分别为4.47mm和0.6mm，第一槽线缝隙的宽度和长度分别为0.6mm和3.2mm。
图3给出了所述传感器的散射参数信息，从中可以看出，该传感器在5-10GHz和15-22GHz其反射系数S11小于-15dB，传输系数S21在-2dB以上，即该传感器的工作频率为5-10GHz和15-22GHz，属于双频宽带检测。其测试区域即传感器的两个相同的复合支节如图1所示的测试区域T部分的电场分布是整个装置中最强的，通过FEM数值计算方法计算出其强度达到了105V，因此将被测样品加载在测试区域，其引起的信号可被传感器敏感捕获到。且本发明提出的传感器的尺寸为27.1mm*25.4mm*0.8mm，可以很方便地与其它电路设备集成为微分析系统。特别地，该发明所提出的传感器由共面波导传输线组成，其最大的优点是可以根据其阻抗特性需要合理安排传感器的尺寸，该阻抗特性为共面波导传输线的阻抗由中间导带和两条信号传输缝隙的比值决定，因此该发明可根据所测样品的属性、特点加工出更加合理的尺寸。
图4给出了传感器对聚四氟乙烯的测量结果，即将8mm*6mm*1mm大小的聚四氟乙烯放置在测量区域，如图1中的测试区域T部分，其引起的散射参数的信息如图4所示，对比图3和4，可以看出，低损耗的被测物质即可引起传感器上散射参数的明显变化，本发明正是通过这种变化再结合神经网络方法反演被测物的介电常数的。
研究表明，共面波导传输线在介电常数测量方面得到了广大研究者的喜爱，其典型特点是超宽带和较好的灵敏度。其测量原理是，当电磁波沿共面波导传播时，如遇到周围有其它介质，则共面波导的两端口散射参数将发生变化，且对于不同的介质，散射参数的变化信息也不一样。即当将不同被测样品放置在共面波导传输线上时，相当于在传输线上引入了不连续性结构，这种不连续性结构将造成共面波导传输线两端口散射参数，且散射参数的变化情况携带的有样品介电特性的信息，最后采用神经网络方法，基于测试的包含样品的散射参数信息反演被测样品的介电常数。本发明正是基于上述的微波传输原理实现样品介电特性检测的。由于共面波导传输线信号最强的部分为两条信号传输缝隙，而针对大多数样品必须放置在共面波导的中间导带上，为增强其电场，特在其上加载了两个相同直角弯折型缝隙复合支节。按照这种方式设计的测量装置，可使测量区域电场大大增强，使被测样品可以充分被电磁波影响，从而提高了检测灵敏度，这是以牺牲带宽为代价的，既便如此本发明依然是宽带双频介电常数测量装置，依据上述尺寸，带宽为5-10GHz和15-22GHz。
以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。
Claims (4)
1.一种双频宽带微波传感器，其特征在于包括共面波导传输线及串联加载在共面波导传输线中间导带的两个相同结构的复合支节，该复合支节由一个终端开路的共面波导和两个终端短路的槽线支节组成，其中两个终端短路的槽线支节与一个终端开路的共面波导并联，复合支节的两端依次通过第一槽线缝隙和第二槽线缝隙与共面波导传输线的两条信号传输缝隙串联，两个相同结构的复合支节上设有用于放置被测样品的测试区域，加载两个相同结构的复合支节和槽线缝隙用于增强测试区域的电场从而提高检测的灵敏度，共面波导传输线的输入端口和输出端口分别通过SMA接头与矢量网络分析仪相连。
2.根据权利要求1所示的双频宽带微波传感器，其特征在于：所述介质基板的材料为罗杰斯R4003C，其相对介电常数为3.38，介质基板的厚度为0.8mm，共面波导传输线中两条信号传输缝隙及中间导带的宽度分别为0.6mm和9.2mm，第二槽线缝隙的宽度和长度分别为0.6mm和1.8mm，终端开路的共面波导长度和缝隙宽度分别为6.02mm和0.6mm，终端短路的槽线支节的长度和缝隙宽度分别为4.47mm和0.6mm，第一槽线缝隙的宽度和长度分别为0.6mm和3.2mm。
3.根据权利要求1所示的双频宽带微波传感器，其特征在于：所述被测样品为块状固体可直接放置在测试区域，被测样品为流体或固体粉末可通过弓字型微流管加载在测试区域，该弓字型微流管通过导电胶粘贴在测试区域。
4.一种权利要求1-3中任意一项所述的双频宽带微波传感器的测量方法，其特征在于具体过程为：微波信号由输入端口输入，经测试区域，最后到达输出端口，通过第一槽线缝隙和第二槽线缝隙串联加载的两个相同结构的复合支节使测试区域具有很强的电场，提高检测的灵敏度，将被测样品放置于测试区域，相当于在共面波导传输线上引入不连续结构，这种不连续结构将构造成共面波导传输线两端口散射参数，且散射参数的变化情况携带有被测样品介电特性的信息，最后采用神经网络方法，基于测试的包含测试样品的散射参数信息反演被测样品的介电常数。
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