CN108872710B - 一种用于测量介电常数的微型双层磁耦合微波传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于测量介电常数的微型双层磁耦合微波传感器。本发明包括介质基板、顶层SRRs环、底层馈电环；介质基板的底层正中心印刷馈电环并延伸出馈电长脚用于连接SMA连接头；介质基板的顶层正中心印刷耦合SRRs环；沿着SRRs的两条平行的金属条为电场强度最大的区域，该区域放置待测样本最大化传感器对介电常数的灵敏度。该传感器不仅具备对介电常数精确测量的优良性能(高Q值和高灵敏度)，而且具有很高的实用性(超小的电尺寸和强抗干扰能力)。

Description

一种用于测量介电常数的微型双层磁耦合微波传感器
技术领域
本发明属于微波技术领域，提出了一种新型的微型双层磁耦合微波传感器，用于对未知介电常数材料的精确测量。
背景技术
随着微波技术在民用市场的快速普及，微波射频器件在各类电子设备中的使用率日益高涨，同时由于这类器件所使用的介质材料的介电常数对整个器件的性能影响很大，因此对介质材料介电常数的精确测量是十分必要的。
介电常数是反应物质电磁特性的重要物理性质之一，它是物质与电磁场之间相互作用的重要纽带。虽然介电常数是物质的固有参数，但是它并不是一个常数。它是频率的函数，并且跟温度、湿度等外部因素有关，这些外部影响因素增加了测量介电常数的难度。由于介电常数是无法直接测量的物理量，因此只能测量电压、电流、阻抗和散射参数等可测量的物理量，再根据介电常数与这些实际可测量的物理量之间的函数关系来反演出材料的介电常数。为了能对介电常数作出精确测量，就对传感器性能指标提出了较高的要求，一般需要其具有高灵敏度和高品质因数(Q值)。此外，基于实用性考虑，传感器还应具有较小的尺寸和一定的抗干扰能力。现有的测量介电常数的这类产品抗干扰能力基本都很弱，测量必须要在实验室的微波暗室或者低干扰源的条件下进行，本申请结构的设计主要是解决上述问题同时小型化传感器提高实用性。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述所提到的困难，正视挑战，满足对介电常数测量的精准度和实用性的要求，提出了一种基于SRRs(split-ring resonators)的超小型、高Q值、高灵敏度以及强抗干扰的微波传感器。SRRs是一种新型的人工电磁超材料，因其优异的特性近年来被广泛应用于各类微波器件中。
本发明传感器包括介质基板、顶层开口谐振环(简称顶层SRRs环)、底层馈电环；
介质基板的顶层印刷耦合顶层SRRs环，底层印刷底层馈电环；其中底层馈电环向环外延伸出馈电长脚，用于连接SMA连接头；
顶层SRRs环、底层馈电环、介质基板的中心位于同一直线；
所述的顶层SRRs环开口处均向环内延伸；其中顶层SRRs环环内延伸部分为电场强度最大的区域，该区域放置待测样本，最大化传感器对介电常数的灵敏度。
传感器的Q值决定了测量的精度；灵敏度决定了对介电常数测量的分辨率；小型化和抗干扰能力决定了传感器的实用性。
工作过程：本发明是用于对介质介电常数做精确测量而设计的低辐射微型微波传感器，单端口的设计依赖反射系数的频率变化而推算介电常数。本例以介电常数为1时的频率为参考，即传感器上方为空气时测得参考频率，再固定在顶层电场强度最强的区域放置同样大小的待测介质块，当待测介质块介电常数不同时，会与参考频率产生频率差，这个频率差会随着待测介质块介电常数的变化而不同，因此根据具体的频率差即可推算出待测的介质块的介电常数。
本发明的有益效果：本发明传感器具有极高的Q值和灵敏度保证了测量的精准度和高分辨率，同时由于SRRs低辐射的特性，顶层SRRs耦合底层馈电环后，表现出很低的远场辐射效率，大大提高其抗干扰能力，加之超小尺寸的设计使得本发明具有极强的实用性。
附图说明
图1是本发明的整体结构以及参数标注图；其中(a)传感器顶层，(b)传感器底层；
图2是本发明的S参数示意图；
图3是本发明的电场分布示意图；
图4是本发明的远场辐射效率示意图；
图5是本发明的反射系数与待测介质块介电常数的关系示意图；
图中：1.介质基板；2.顶层SRRs环；3.场强最大的区域；4.底层馈电环。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的传感器作进一步说明。
如图1所示，本发明的传感器包括介质基板(1)、顶层SRRs环(2)、底层馈电环(4)；介质基板(1)的底层正中心印刷馈电环(4)并延伸出馈电长脚用于连接SMA连接头；介质基板(1)的顶层正中心印刷耦合SRRs环(2)；沿着SRRs的两条平行的金属条为电场强度最大的区域(3)，该区域放置待测样本最大化传感器对介电常数的灵敏度。
本发明的传感器的设计是在三维电磁仿真软件HFSS环境下进行的，相关的尺寸是通过软件优化所确定，如下表I所示：
TABLE Ⅰ
Detail parameters of the two-layer resonator
Figure BDA0001650442440000031
其中微波介质基板是大小为40×40×1mm3的高频板F4B(介电常数2.2，磁导率1，损耗正切0.003)，所有参数单位为毫米。
如图2所示的S参数图，传感器的中心谐振频率为0.502GHz，实现了超小的相对尺寸设计，相应的电尺寸达到了0.067λ0×0.067λ0(λ0是中心频率在自由空间中的波长)。传感器-10dB带宽为2MHz，相应的Q值约为250，实现了传感器的高Q值特性。
如图3所示的电场分布图，底层馈电环的电场分布均匀且相对微弱，表明此时工作在电小模式，同时也印证了上述超小的电尺寸。顶层SRRs相对于底层馈电环有着更强的场强，其中最强的区域沿着SRRs环的两条平行的金属条上，因此待测介质块放置在该区域为优选，可以极大的提高传感器对介电常数的灵敏度。
如图4所示的远场辐射效率图，由于SRRs低辐射的特性，在与底层环耦合后表现出很低的远场辐射效率，这大大降低了测量过程中反射波对测量的干扰，增加了传感器的抗干扰能力，提高在实际操作中的精度。
如图5所示的反射系数与待测介质块介电常数的关系图，在电场强度最大的区域(本次选择顶层中心位置)放置一个10×10×10mm3待测介质块，图中显示反射系数对介质块介电常数的变化非常敏感，当待测介质块介电常数由1变为10时，传感器相应的谐振频率由502.4MHz变为380.6MHz，相对频率偏移达到24.24％，表现出对介电常数极好的灵敏度。
以上结果显示，本发明的传感器不仅具备对介电常数精确测量的优良性能(高Q值和高灵敏度)，而且具有很高的实用性(超小的电尺寸和强抗干扰能力)。
本发明的微波传感器具备优良的性能，此外结构简单，双层PCB板印刷设计、超小的电尺寸和强抗干扰能力，使其具备在非实验室条件下作精确测量的能力，具有极强的实用性，可广泛推广使用。
上述实例并非是对于本发明的限制，本发明也并非仅限于上述实例，只要符合本发明方法的要求，均属于本发明方法的保护范围。

Claims (1)

1.一种介电常数测量方法，其特征在于以介电常数为1时的频率为参考，即传感器上方为空气时测得参考频率，再固定在微型双层磁耦合微波传感器顶层电场强度最强的区域放置同样大小的待测介质块，当待测介质块介电常数不同时，会与参考频率产生频率差，这个频率差会随着待测介质块介电常数的变化而不同，因此根据具体的频率差即可推算出待测介质块的介电常数；
上述微型双层磁耦合微波传感器包括介质基板、顶层SRRs环、底层馈电环；
介质基板的顶层印刷耦合顶层SRRs环，底层印刷底层馈电环；其中底层馈电环向环外延伸出馈电长脚，用于连接SMA连接头；
顶层SRRs环、底层馈电环、介质基板的中心位于同一直线；
所述的顶层SRRs环开口处均向环内延伸；其中顶层SRRs环环内延伸部分为电场强度最大的区域。
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