CN108226651B - 测量区域电场增强型介电常数测量装置 - Google Patents

测量区域电场增强型介电常数测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种测量区域电场增强型介电常数测量装置，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对称结构的复合支节I和复合支节II，复合支节I由一个直角弯折槽线缝隙组成，复合支节I上设有用于放置测试样品的测试区域，复合支节II由一个三重结构的支节构成，该三重结构的支节由一个终端开路的共面波导和两个终端短路的槽线构成。本发明的测量装置结构简单，灵敏度高，属于宽带测量，测量装置上的两个复合支节I和复合支节II也可采用传统的刻蚀工艺加工，其价格低廉，加工难度低，便于批量生产，可实现在线实时宽带检测。

Description

测量区域电场增强型介电常数测量装置
技术领域
本发明属于微波测量装置技术领域，具体涉及一种测量区域电场增强型介电常数测量装置。
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，其基本思路是将测试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）反演测试样品的介电特性。其优点是超宽带测定，缺点是灵敏度有限，有时候会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/发射法的宽带检测测量装置，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对称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灵敏度较高的测量区域电场增强型介电常数测量装置。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，测量区域电场增强型介电常数测量装置，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对称结构的复合支节I和复合支节II，复合支节I由一个直角弯折槽线缝隙组成，其直角弯折的个数为5个，复合支节I上设有用于放置测试样品的测试区域，复合支节II由一个三重结构的支节构成，该三重结构的支节由一个终端开路的共面波导和两个终端短路的槽线构成，其中终端开路的共面波导与两个终端短路的槽线并联，复合支节II用于增强复合支节I上的电场强度并调节工作频带，复合支节I和复合支节II之间设有间距用于保证信号正常传输而不受串扰，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，所述共面波导传输线及复合支节I和复合支节II均采用传统刻蚀工艺在金属层上刻蚀而成，该金属层设置于介质基板上，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0.15mm和2.3mm，复合支节I和复合支节II中各支节的缝隙宽度均为0.15mm，复合支节II中终端短路的槽线与终端开路的共面波导之间的距离为0.5mm，复合支节I中直角弯折槽线缝隙的长度为2.7mm，复合支节II中终端开路的共面波导的长度为3mm。
进一步优选，所述测试样品为固体可直接放置在复合支节I的测试区域，测试样品为流体或固体粉末可通过弓字型管加载在复合支节I的测试区域，该弓字型管通过导电胶粘贴在复合支节I的测试区域。
本发明所述的基于共面波导并串联加载电容的介电常数测量装置的测量方法，其特征在于具体过程为：微波信号由输入端口输入，经复合支节I和复合支节II，最后到达输出端口，串联加载的复合支节I和复合支节II使测试区域具有很强的电场，且在工作频带内满足阻抗匹配，将测试样品放置于复合支节I的测试区域，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测试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测试样品的介电常数。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：测量装置结构简单，灵敏度高，属于宽带测量，测量装置上的两个复合支节I和复合支节II也可采用传统的刻蚀工艺加工，其价格低廉，加工难度低，便于批量生产，可实现在线实时宽带检测。本发明提出的测量装置因加载的两不同的复合支节I和复合支节II，使测试区域具有很强的电场较传统传输线测量，其灵敏度大大提高，甚至可用来测量微小样品的介电常数。
附图说明
图1是本发明测量装置的结构示意图；
图2是本发明测量装置中弓字型管的结构示意图；
图3是本发明加载复合支节I与加载复合支节I、II的反射系数对比图；
图4是本发明加载复合支节I与加载复合支节I、II的传输系数对比图。
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-直角弯折槽线缝隙，7-终端开路的共面波导，71-终端短路的槽线，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，本发明所述的测量装置由双层板构成，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加载有两个对称结构的复合支节I和复合支节II，所述复合支节I由一个直角弯折槽线缝隙6组成，其直角弯折的个数为5个，复合支节II由一个终端开路的共面波导7和两个终端短路的槽线71组成，复合支节I和复合支节II与共面波导传输线呈并联关系，复合支节I与复合支节II之间的距离为4.2mm，复合支节II中终端开路的共面波导7和两个终端短路的槽线71呈并联关系，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，经复合支节I和复合支节II，最后到达输出端口，测试区域T位于复合支节I上；复合支节II的作用是调配测量装置的工作频带，同时增强测试区域的电场，复合支节I和复合支节II应保持一定的距离以保证信号正常传输，避免信号串扰，本发明中复合支节I和复合支节II的距离为4.2mm。整个装置的工作频带由复合支节I和复合支节II的距离以及组成复合支节I和复合支节II中各支节的尺寸决定。
所述测试样品是固体可直接放置在复合支节I的测量区域T上；所述测试样品是流体或者固体粉末可通过一个弓字型管放置在复合支节I的测试区域T上，弓字型管的形状如图2所示，其尺寸可自由定制，本发明选择的弓字型管的直径为2mm，高度为3mm，中间部分长度为3mm，弓字型管的材料可选择塑料管，其可通过导电胶粘贴在复合支节I的测试区域。
如图1所示的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，共面波导传输线的两条信号传输缝隙的宽度均为0.15mm，共面波导传输线的中间导带的宽度为2.3mm，其上串联加载的复合支节I和复合支节II中各支节的缝隙宽度均为0.15mm，复合支节II上终端短路的槽线与终端开路的共面波导之间的距离为0.5mm，复合支节I上弯折型槽线缝隙的长度为2.7mm，复合支节II上终端开路的共面波导的长度为3mm，复合支节I和复合支节II的支节距共面波导传输线两条信号传输缝隙的距离为0.2mm。测试时将测量装置的输入端口和输出端口分别与矢量网络分析仪相连。
图3和图4是提出的测量装置加载复合支节I和同时对称于X轴如图1所示加载复合支节I、II的散射参数对比，从图中可以看出，加载复合支节I、II后，改善了反射系数，稍微增宽了工作频带，使得工作频率展宽为5-13GHz。从图3图4中也可以看出，该测量装置在5-13GHz其反射系数S11小于-15dB，传输系数S21在-2dB以上，即该测量装置的工作频率为5-13GHz，属于宽带检测。其测试区域即测量装置如图1所示复合支节I的T区域的电场分布显示该测试区域电场是整个测量装置中最强的并达到了105V，因此将测试样品加载在测试区域，其引起的信号可被测量装置敏感捕获到。并且本发明提出的测量装置的尺寸为19.8mm*12.5mm*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、特点加工出十分合理的尺寸。
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关注，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，即当将测试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测试样品的介电常数。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，特在其上串联加载了两个不同的复合支节I和复合支节II，复合支节I由弯折型槽线缝隙组成，复合支节II由一个终端开路的共面波导和两个终端短路的槽线组成，按照这种方式设计的测量装置可使测试区域电场大大增强，使测试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介电常数测量装置，依据上述尺寸，带宽为5-13GHz。
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 (1)

1.一种测量区域电场增强型介电常数测量装置的测量方法，其特征在于：所述测量区域电场增强型介电常数测量装置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对称结构的复合支节I和复合支节II，复合支节I由一个直角弯折槽线缝隙组成，其直角弯折的个数为5个，复合支节I上设有用于放置测试样品的测试区域，复合支节II由一个三重结构的支节构成，该三重结构的支节由一个终端开路的共面波导和两个终端短路的槽线构成，其中终端开路的共面波导与两个终端短路的槽线并联，复合支节II用于增强复合支节I上的电场强度并调节工作频带，复合支节I和复合支节II之间设有间距用于保证信号正常传输而不受串扰，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，共面波导传输线上并联加载的两个对称结构的复合支节I和复合支节II满足50Ω阻抗匹配的要求；
所述共面波导传输线及复合支节I和复合支节II均采用传统刻蚀工艺在金属层上刻蚀而成，该金属层设置于介质基板上，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0.15mm和2.3mm，复合支节I和复合支节II中各支节的缝隙宽度均为0.15mm，复合支节II中终端短路的槽线与终端开路的共面波导之间的距离为0.5mm，复合支节I中直角弯折槽线缝隙的长度为2.7mm，复合支节II中终端开路的共面波导的长度为3mm；
所述测试样品为固体可直接放置在复合支节I的测试区域，测试样品为流体或固体粉末可通过弓字型管加载在复合支节I的测试区域，该弓字型管通过导电胶粘贴在复合支节I的测试区域；
具体测量过程为：微波信号由输入端口输入，经复合支节I和复合支节II，最后到达输出端口，串联加载的复合支节I和复合支节II使测试区域具有很强的电场，将测试样品放置于复合支节I的测试区域，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测试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测试样品的介电常数。
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