CN109188100A - 基于基片集成波导的介电系数测量探头及测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及介电系数测量技术。本发明公开了一种基于基片集成波导的介电系数测量探头及测量系统。本发明基于基片集成波导的介电系数测量探头，包括基片集成波导，所述基片集成波导宽壁上设置有测量孔。本发明的介电系数测量系统，包括上述基于基片集成波导的介电系数测量探头以及测量仪；所述介电系数测量探头通过传输线与测量仪连接；所述测量仪为矢量网络分析仪，基于人工神经网络，根据S参数计算被测介质的介电系数。本发明的有益效果是，基片集成波导结构易于加工，实测模型与仿真模型一致性好，可利用神经网络对微波测量仪的测量数据进行反演，直接得到待测物的介电系数及相关参数，测试具有实时、准确的特点。

Description

基于基片集成波导的介电系数测量探头及测量系统

技术领域

本发明涉及介电系数测量技术，特别涉及微波频率下电介质介电系数的测量技术，具体而言，涉及一种介电系数测量探头及其构成的介电系数材料系统。

背景技术

自20世纪80年代以来，微波能的应用几乎扩展到了化学、材料、医学等各个领域。微波能的应用实际上都直接或间接地与材料的介电特性相关。

而无论从理论上还是工程应用上来说，材料的介电特性都是一个非常重要的参量，介电系数的测量，特别是在线测量与计算就显得非常重要。

完成介电系数在线测量装置的设计和基于优化算法的测量方法研究，解决了材料介电系数在线测量的问题，为微波的应用研究打下了基础。人们通过测量材料的介电系数了解材料的介电特性，由此，产生了各种微波测量方法用于材料介电系数的测量。

传统的同轴传输线等测量探头结构，由于加工精度要求较高，常会遇到仿真模型与加工模型差异大，为实际测量带来较大误差，很难满足较高精度宽频带介电系数的测量。

近年来，基片集成波导SIW(Substrate Integrated Waveguide)这种新型的波导结构已经用于微波器件的设计中。SIW结构简单，易于加工，实测模型更接近仿真模型，便于提高测量精度，更易于实际应用与推广。

基片集成波导基本结构如图1和图2所示，是将厚度为h的介质基片2上表面1和下表面3的导电层，通过两排金属化孔13(也称为过孔)连接起来构成的。实际应用中，通常采用双面电路板(PCB)进行加工制作，基片集成波导两端还分别设置有过渡段和接口段，用于匹配和连接其他传输线或设备。

考虑到加工，衰减及能量泄漏等特性，通常金属化孔13的直径d和间隔s满足条件：s/d﹤2，d/w﹤0.1，基片集成波导就可以正常工作。该基片集成波导可以等效为宽壁为a窄壁为b的矩形波导，频率高于截止频率的微波信号都能通过该基片集成波导。其等效公式可以表示为：a＝w-1.08d²/s+0.1d²/w；b＝h，如图3所示。集成基片波导的上表面1和下表面3的导电层又称为上宽壁和下宽壁。

基片集成波导作为二端器件，实际应用中通过调整过渡段和接口段的尺寸，可以适应不同阻抗的外部设备连接端口。

另一方面，在介电系数测量方法中，非谐振法相对简单，特别是基于人工神经网络计算模型的介电系数测量和计算已经非常成熟，该方法通过训练建立神经网络，根据读取材料的微波散射参数S₁₁和S₂₁的幅度和相位值，计算材料的介电系数，这种非传统的介电系数计算方法已得了越来越广泛的应用。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种基于基片集成波导的介电系数测量探头及测量系统，以解决现有技术测量装置加工精度不高、测量误差大、不能满足宽频带介电系数测量的问题。

为了实现上述目的，根据本发明具体实施方式的一个方面，提供了一种基于基片集成波导的介电系数测量探头，包括基片集成波导，其特征在于，所述基片集成波导宽壁上设置有测量孔。

进一步的，所述测量孔深度达到对面宽壁。

进一步的，所述测量孔为通孔。

进一步的，所述测量孔数量≥2。

进一步的，所述测量孔均匀分布在宽壁上。

进一步的，分布在上下宽壁的测量孔相间排列。

进一步的，所述测量孔位于所述宽壁中心线上并与宽壁垂直。

进一步的，所述测量孔为圆形测量孔。

进一步的，所述基片集成波导有一段为弧形。

进一步的，所述弧形为圆弧形。

进一步的，所述圆弧形为半圆弧形。

根据本发明具体实施方式的一个方面，提供了一种介电系数测量系统，其特征在于，包括上述任意一项权利要求所述的介电系数测量探头以及测量仪；

所述介电系数测量探头通过传输线与测量仪连接；

所述测量仪为矢量网络分析仪，基于人工神经网络，根据S参数计算被测介质的介电系数。

进一步的，所述S参数为微波散射参数S₁₁和S₂₁的幅度和相位值。

进一步的，所述传输线为50Ω同轴传输线。

本发明的有益效果是，基片集成波导结构易于加工，实测模型与仿真模型一致性好，可利用神经网络对微波测量仪的测量数据进行反演，直接得到待测物的介电系数及相关参数，测试具有实时、准确的特点。本发明测量系统，特别适用液体、粉状介质宽带条件下介电系数的测量。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的具体实施方式、示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为基片集成波导结构示意图；

图2为图1的仰视图；

图3为矩形波导结构示意图；

图4为实施例1的介电系数测量探头结构示意图；

图5为图4的P-P剖视图；

图6为实施例2的介电系数测量探头剖视图；

图7为实施例3的介电系数测量探头结构示意图；

图8为实施例4的介电系数测量探头结构示意图；

图9为实施例5的介电系数测量探头结构示意图；

图10为实施例6的介电系数测量系统结构示意图。

其中：

1为上宽壁；

2为介质基片；

3为下宽壁；

10、30为测量孔；

11为接口段；

12为过渡段；

13为金属化孔；

100为介电系数测量探头；

200为矢量网络分析仪；

a为矩形波导宽壁；

b为矩形波导窄壁；

d为金属化孔直径；

h为介质基片厚度；

s为金属化孔的间距；

w为两排金属化孔之间的距离；

P-P为基片集成波导的中心线。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的具体实施方式、实施例以及其中的特征可以相互组合。现将参考附图并结合以下内容详细说明本发明。

为了使本领域技术人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明具体实施方式、实施例中的附图，对本发明具体实施方式、实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的具体实施方式、实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式、实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的介电系数测量探头，通过在基片集成波导宽壁上加工测量孔构成，测量孔可以是通孔或盲孔。测量时，测量探头插入待测材料，测量孔即可被待测材料填充，从而完成测量。

显然，通孔更有利于材料填充，特别是对于腐蚀性或高温液体材料，需要快速插入和拔出时，通孔装填效率明显高于盲孔。

测量孔的形状没有特殊要求，但应当尽量避免锐角形状。通常，测量孔采用圆形孔，不但便于加工，而且有利于材料填充。

测量孔的尺寸，如圆形孔的直径，应当小于测量信号的波长，以避免对基片集成波导的微波结构造成影响，从而干扰测量精度。

根据微波传输特性，对于微波频段(300MHz-300GHz)的测量信号，毫米级尺寸的测量孔，对基片集成波导的传输特性影响不大。测量信号频率越高，测量孔尺寸应当适当减小，反之则可以适当增加测量孔尺寸。

为了保证测量灵敏度，填充到所有测量孔的待测材料数量，应能够对微波散射参数(S₁₁和S₂₁的幅度和相位值)产生实质性影响。这可以通过适当增加测量孔数量和测量孔尺寸来保证。

当测量孔数量比较多时，比如上下宽壁的测量孔都数量≥2，测量孔应在宽壁上均匀分布。这样有利于保证基片集成波导的微波传输性能和结构强度。测量孔如果采用盲孔结构，分布在上下宽壁的测量孔采用相间排列的方式，也有利于保证基片集成波导的微波传输性能和结构强度，特别是测量孔数量较多时更是如此。

实施例1

参见图4和图5，本例介电系数测量探头100，是通过在基片集成波导宽壁中心线P-P上加工一排垂直测量孔10和测量孔30构成的。

本例测量孔10和测量孔30刚好穿透导电层达到介质，根据基片集成波导的结构特点，过中心线P-P并与宽壁垂直的平面为基片集成波导的对称面，该对称面为理想磁壁，电力线平行于该对称面。将测量孔设置在基片集成波导宽壁中心线P-P上，测量时对测量信号产生的反射最小，对基片集成波导的微波结构影响最小，有利于提高测量精度。

实施例2

参见图6，本例介电系数测量探头100，是通过在基片集成波导宽壁中心线P-P上加工一排垂直测量孔10构成的。

由图6可见，本例测量孔10贯穿基片集成波导，是一种通孔结构。这种通孔结构插入待测材料时能够快速被材料填充。

实施例3

如图7所示，本例介电系数测量探头100，是在基片集成波导宽壁中心线P-P上加工一排垂直测量孔10构成的。由图7可见，分布在上下宽壁的测量孔10是相间排列的，宽壁1上分布有5个测量孔10，宽壁3上分布有6个测量孔10。本例测量孔10和测量孔30均为盲孔，并没有贯穿基片集成波导。

本例这种分布在中心线上的盲孔结构，两个宽壁上的测量孔相间排列，可以增加测量孔的深度，便于装填更多待测材料，有利于提高探头灵敏度。

测量孔10均匀分布有利于保证基片集成波导的结构强度和微波传输特性。

实施例4

本例介电系数测量探头100结构如图8所示，这是一种在基片集成波导宽壁上均匀布置测量孔10的探头结构。

本例测量孔10也是通孔结构，14个测量孔10均匀的分成三排，布置在宽壁1和宽壁3上。

这种均匀分布的结构，有利于保证基片集成波导的结构强度。选择适当的测量孔孔径，也不会对基片集成波导的微波传输特性产生影响。由于测量孔数量较多，可以装填较多的待测材料，有利于提高探头的灵敏度。

实施例5

本例介电系数测量探头100结构如图9所示，是带有一段半圆弧的基片集成波导结构，图中ACB为半圆弧。

本例基片集成波导宽壁中心线上均匀分布有一排测量孔10，测量孔10也是通孔结构。

本例介电系数测量探头100，除了具有上述实施例1的优点外，由于采用了半圆弧结构的基片集成波导，输入端和输出端位于探头同一侧，非常方便与测量仪连接，非常方便插入待测材料中。

本例这种圆弧形基片集成波导结构，匹配良好，结构上未出现突变现象，能较好地传输微波能量，且两个端口在测量探头的同一侧，可以很方便的直接插入待测物，而不需要考虑将待测物密封在测试段，操作大为简化。

实施例6

参见图10，本例介电系数测量系统包括介电系数材料探头和矢量网络分析仪。

本例介电系数测量探头通过50Ω同轴传输线与矢量网络分析仪连接，矢量网络分析仪，基于人工神经网络，根据微波散射参数S₁₁和S₂₁的幅度和相位值计算被测介质的介电系数。

测量时，探头直接插入待测材料，待测材料填充到测量孔中，测量信号能量的传输情况就会受到测量孔处的待测材料的影响。测量孔处待测材料的介电特性会影响散射参量，矢量网络分析仪通过测量散射参数S₁₁和S₂₁的幅度和相位值，就可以反推计算出待测材料的介电系数。

本发明的介电系数测量探头，属于一种平面结构的探头，易于加工，成本低，普通的PCB板(印刷电路板)加工工艺完全可以满足测量精度要求。

本发明这种介电系数测量探头可以用于宽带在线测量，灵敏度较高，非常适合液体、气体、固体粉末材料的介电系数测量。

Claims (10)

1.基于基片集成波导的介电系数测量探头，包括基片集成波导，其特征在于，所述基片集成波导宽壁上设置有测量孔。

2.根据权利要求1所述的基于基片集成波导的介电系数测量探头，其特征在于，所述测量孔为通孔。

3.根据权利要求1所述的基于基片集成波导的介电系数测量探头，其特征在于，所述测量孔数量≥2。

4.根据权利要求3所述的基于基片集成波导的介电系数测量探头，其特征在于，所述测量孔均匀分布在宽壁上。

5.根据权利要求4所述的基于基片集成波导的介电系数测量探头，其特征在于，分布在上下宽壁的测量孔相间排列。

6.根据权利要求1所述的基于基片集成波导的介电系数测量探头，其特征在于，所述测量孔位于所述宽壁中心线上并与宽壁垂直。

7.根据权利要求1所述的基于基片集成波导的介电系数测量探头，其特征在于，所述基片集成波导有一段为弧形。

8.根据权利要求7所述的基于基片集成波导的介电系数测量探头，其特征在于，所述圆弧形为半圆弧形。

9.介电系数测量系统，其特征在于，包括上述任意一项权利要求所述的基于基片集成波导的介电系数测量探头以及测量仪；

所述介电系数测量探头通过传输线与测量仪连接；

所述测量仪为矢量网络分析仪，基于人工神经网络，根据S参数计算被测介质的介电系数。

10.根据权利要求9所述的介电系数测量系统，其特征在于，所述S参数为微波散射参数S₁₁和S₂₁的幅度和相位值。