CN109581070B - 一种基于干涉电路的高损耗材料介电常数测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于干涉电路的高损耗材料介电常数测量方法。该干涉测量系统主要由输入信号源、功分器、射频支路、本振支路和混频器五部分组成。功分器将信号源功率分成两路，分别输送到上下两条支路即射频支路和本振支路。其中射频支路中的敏感元件用来放置待测物，两路信号经过各自处理之后，最后输送到混频器的射频和本振端口，形成特定的直流电压输出。通过多次测量此输出电压的变化，可以监测敏感元件在待测物作用下的响应变化，从而获得介电常数的实部和虚部信息。通过电路仿真软件的初步模拟，证明了其可行性和有效性。

Description

一种基于干涉电路的高损耗材料介电常数测量方法
技术领域
本发明属于微波毫米波电路和智能传感技术领域，提出了一种基于干涉电路的检测方法来同时测量出待测材料介电常数的实部和虚部信息。
背景技术
作为物质的一个重要属性，介电常数包含诸多有价值的信息。例如，在农业，食品和制药领域，通过测量介电常数的大小，可以直接或间接地反映谷物、木材和药材等的品质以及含水率、发酵程度等许多指标；在化工领域，对聚合物、凝胶、试剂等介质属性的测定，可提供关于此类化学品成分和结构的重要信息。因此，准确的材料介电常数检测系统具有十分重要的学术和应用价值。其中，基于微波技术的介质检测方法如谐振腔微扰法，由于其特有的非接触和无损特性，在近年来受到越来越多的关注。通常这些方法都是通过测量敏感元件的频率响应变化来反应介电常数，频率响应的测量通常需要体积庞大、价格昂贵的矢量网络分析仪去完成。这一点在许多要求实时和低成本检测的场景中无法适用。此外，自然界中绝大多数材料的介电常数是一个复数，即εr *＝εr′-jεr″,其中实数部分εr′代表了能量的存储，而虚部εr″则表征了材料的损耗。基于微波谐振方法的检测手段可以较为准确地获得εr′的值，但是对εr″值的获取精度较低，特别是针对高损耗的材料。这主要因为常规测量方法依赖于对谐振频率偏移量的测定(S参数测量)，但是某些材料过高的损耗系数容易造成谐振器谐振点的平坦化和模糊化，进而造成精度降低。
因此，上述两方面成为制约介电常数检测系统设计的重要因素。如何简洁高效地提取和转化传感器输出信号，开发用于介电常数测量的便携式自持系统，已经成为学术和工业界的一个热点。
发明内容
有鉴于此，本设计提出了一种基于干涉原理的材料介电常数检测方法。本方法借助待测材料加载前后敏感元件传输幅度和相位的变化关系提取介电常数信息，而非仅仅依赖于对谐振频率偏移的测定。
所述的干涉测量系统主要包括输入信号源、功分器、射频支路、本振支路和混频器。
射频支路主要包含敏感元件、数控移相器和两个隔离器；
本振支路包含一个相位补偿线(即微带线)和隔离器。
功分器的输入端接信号源，其中一个输出端连接到射频支路中第一隔离器的一端，第一隔离器的另一端连接到敏感元件的一端，敏感元件的另一端连接到第二隔离器的一端，第二隔离器的另一端连接到数控移相器的一端。数控移相器的另一端连接到混频器的其中一个输入端；功分器的第二个输出端连接到本振支路的第三隔离器的一端，第三隔离器的另一端连接到相位补偿线的一端，相位补偿线的另一端连接到第四隔离器的一端，第四隔离器的另一端连接到混频器的另一个输入端，混频器的输出端连接到负载。
敏感元件为用于放置待测介质的谐振器，需满足当待测介质放入时输出的频率响应发生变化。
作为优选，所述的功分器为非等分功分器；
工作原理：功分器将信号源功率分成两路，分别输送到射频支路和本振支路。其中射频支路中敏感元件用来放置待测物，两路信号经过各自处理之后，最后输送到混频器的输入端口，形成特定的直流电压输出。通过测量此输出电压的大小，可以监测敏感元件在待测物作用下的响应变化，从而获得介电常数的信息。
本发明的有益效果是：
1)避开了矢量网络分析仪的使用，减少了测试成本；
2)同时测量介电常数的实部和虚部。
附图说明
图1是本发明中基于干涉概念的微波介质传感器原理框图。
图2是本发明一个固定相位条件下(60°)，提取与设置量之间的幅度差别与敏感元件衰减量的关系仿真曲线。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
针对现有测量技术存在的缺陷，发现为了避免矢量网络分析仪的使用需要避开简单的测量谐振频率来提取介电常数信息。
为了克服现有技术的缺陷，提出了一种基于干涉概念的微波介质传感器。其原理框图如图一所示。包括输入信号源、功分器、射频支路、本振支路和混频器。射频支路由第一隔离器、敏感元件、第二隔离器和数控移相器组成。本振支路由第三隔离器、相位补偿和第四隔离器组成。其中敏感元件用来放置待测材料。
所述的微波介质传感器中输入信号源连接电阻R1的一端，R1的另一端连接到功分器的输入端，功分器其中一个输出端连接到射频支路中第一隔离器的一端，第一隔离器的另一端连接到敏感元件的一端，敏感元件的另一端连接到第二隔离器的一端，第二隔离器的另一端连接到数控移相器的一端。数控移相器的另一端连接到混频器的其中一个输入端，本实施例中成为射频RF输入端口。功分器的第二个输出端连接到本振支路的第三隔离器的一端，第三隔离器的另一端连接到相位补偿线的一端，相位补偿线的另一端连接到第四隔离器的一端，第四隔离器的另一端连接到混频器的另一个输入端，本实施例中成为本振输入端口，混频器的输出端连接到负载。
所述的微波介质传感器原理参考图一，其工作步骤主要分为三部分。
第一步：当敏感元件无待测物加载时，通过设置本振支路中数控移相器的初始状态，令实际输入到混频器的两路信号具有同等的相位。假定上述两信号为ARF·cos(ωt)和ALO·cos(ωt)，其中ARF和ALO分别代表射频和本振信号的幅度，ω为信号角频率。由于混频器接收到的两路信号频率相同，将会产生零赫兹即直流的电压输出。
VDC,0＝K·ARF·cos(0)＝K·ARF (1)
其中K称为混频器变频增益。为了获得稳定的K值，一般要求本振输入的幅值较大。因此，拟采用的方案中需要有非等分的功分器设计。
第二步：当引入待测物时，敏感元件的频率响应特性将发生相应的改变。此时，令混频器射频端口的输入信号为(ARF+ΔA)·cos(ωt-θmut)。其中ΔA和θmut分别代表了射频信号幅度与相位的变化。此时，混频器的直流输出部分将变化为
VDC,1＝K·(ARF+ΔA)·cos(-θmut) (2)
第三步：改变射频支路数控移相器的状态，使之产生一个额外的相位偏移ψ。于是，混频器的输出将进一步变化为
VDC,2＝K·(ARF+ΔA)·cos(-θmut-ψ) (3)
根据(2)和(3)，很容易求得待测物MUT对敏感元件引起的相位变化
Figure GDA0002744940510000041
随后，将公式(4)带入到公式(1)中，便可获得待测物MUT对敏感元件引起的幅度衰减比：
Figure GDA0002744940510000042
最终，根据所获取的θmut和δmut值，便可以计算出待测物介电常数中实部ε’r和虚部ε”r的大小。
为了进一步验证该电路的可行性，在ADS仿真软件中对该电路进行了初步的模拟，为了对比的直观性，在仿真过程中采用了一个衰减器和移相器的组合电路来模拟待测物对敏感元件传输特性的影响。
分别仿真了加载待测物之后敏感元件相位偏移为15°，60°，同时衰减量为0.5dB，1.0dB和1.5dB等多种组合形式。表1列出了各个不同情形下软件中设置的模拟量与提取量之间的对比。
表1软件中设置的模拟量与提取量之间的对比
Figure GDA0002744940510000043
Figure GDA0002744940510000051
从表中呈现的数据可以清楚地发现，拟提出的干涉检测方法可以准确无误地还原敏感元件受待测材料作用后的相位偏移，仅仅在对衰减值的恢复上存在少许的差异。进一步分析发现，造成上述幅度差的主要原因在于混频器的变频增益K对于不同的射频端输入信号不是绝对稳定的值，存在一定程度的波动。图2描绘了在一个固定相位条件下(60°)，提取与设置量之间的幅度差别与敏感元件衰减量的关系曲线。从中可以看出，当RF端输入衰减量上升，即射频信号幅度降低时，设置与提取量之间的差值也逐渐增大。因此，在实际操作中，为了更加准确地检测待测材料的损耗特性，需要对混频器进行增益校正。实际中，任意形式的敏感元件都可以植入到本电路中进行应用，因此该方法具有非常好的适用性及可扩展性。
在本发明中，混频器采用芯片HMC219B,隔离器采用南京拓邦M:TBG402M，移相器则通过SMV1232通过调节直流电压数值得到不同的相位偏移。敏感元件采用双端口基片集成波导(SIW)结构。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的，本申请中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本申请所示的这些实施例，而是要符合与本申请所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种用于检测待测材料介电常数的干涉测量系统，其特征在于主要包括输入信号源、功分器、射频支路、本振支路和混频器；
射频支路主要包含敏感元件、数控移相器和两个隔离器；
本振支路包含一个相位补偿线和两个隔离器；
功分器的输入端接信号源，其中一个输出端连接到射频支路中第一隔离器的一端，第一隔离器的另一端连接到敏感元件的一端，敏感元件的另一端连接到第二隔离器的一端，第二隔离器的另一端连接到数控移相器的一端；数控移相器的另一端连接到混频器的其中一个输入端；功分器的第二个输出端连接到本振支路的第三隔离器的一端，第三隔离器的另一端连接到相位补偿线的一端，相位补偿线的另一端连接到第四隔离器的一端，第四隔离器的另一端连接到混频器的另一个输入端，混频器的输出端连接到负载；
敏感元件为用于放置待测材料的谐振器，需满足当待测材料放入时输出的频率响应发生变化的条件。
2.如权利要求1所述的一种用于检测待测材料介电常数的干涉测量系统，其特征在于所述的功分器为非等分功分器。
3.利用如权利要求1所述的一种干涉测量系统的高损耗材料介电常数测量方法，其特征在于功分器将信号源功率分成两路，分别输送到射频支路和本振支路；其中射频支路中敏感元件用来放置待测材料，两路信号经过各自处理之后，最后输送到混频器的输入端口，形成特定的直流电压输出；根据未放置待测材料的混频器输出电压、放置待测材料的混频器输出电压、改变射频支路数控移相器的状态产生额外相位偏移后混频器输出电压，监测敏感元件在待测材料作用下的响应变化，从而获得介电常数的信息。
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