CN110133377A - 用于测量磁介质材料介电常数和磁导率的差分微波传感器 - Google Patents

用于测量磁介质材料介电常数和磁导率的差分微波传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开用于测量磁介质材料介电常数和磁导率的差分微波传感器。由顶层至底层包括两个微带线结构、介质层、金属薄片、两个刻槽金属CSRR结构；刻槽金属CSRR结构由内外槽环构成，内外槽环均设有一个开口，且开口朝向均相同；内外槽环开口相对的两直角均对齐内折，外槽环的开口向环内外延伸构成槽沟，其中外槽环开口槽沟之间的部分为磁场强度最大区域，该区域放置待测样品用于测量样品磁导率；内外槽环两个内折直角相接的槽沟之间的部分为电场强度最大区域，该区域放置待测样品用于测量样品介电常数。本发明能够在同一传感器不同区域同时测量介电常数和磁导率，具有极高的灵敏度和Q值，保证了测量的准确度。

Description

用于测量磁介质材料介电常数和磁导率的差分微波传感器
技术领域
本发明属于微波技术领域，涉及一种微带线激励传感器，特别涉及一种基于互补开环谐振器(complementary split-ring resonator—CSRR)的用于测量磁介质材料介电常数和磁导率的差分微波传感器。
背景技术
随着微波技术在众多行业(如军事、医学、食品、化工及气象学等领域)中的快速发展，各种类型的射频微波器件被逐渐开发和应用，同时由于这些高频器件所使用到的磁介质材料的电磁特性极大影响着设备器件的性能参数，因此对磁介质材料的电磁特性的研究很受重视。
磁介质材料的电磁特性是通过介电常数ε、磁导率μ、电导率σ三个参数来表征。其中，介电常数和磁导率是表征磁介质材料磁电性能最重要的基本参数，也是物质与电磁场之间相互作用的重要纽带。用来侧介电常数和磁导率的方法有很多，主要分为谐振法和非谐振法。谐振法中最典型的方法是谐振腔法，这种测量方法几乎不存在外界因素对测量的干扰，因此它是目前为止测量磁介质材料的介电常数和磁导率最为准确的一种方法。谐振腔法的设计思路是将固定尺寸的待测样本放入谐振腔内设定好的位置，然后根据谐振腔的S参数的变化和质量因子Q值的差异来反推出待测样本的介电常数和磁导率。在现有基于谐振原理的小型化微波传感器中，基本存在着以下不足之处：测量功能单一，不能同时测量介电常数和磁导率；传感器的分辨率会随着测量范围的扩大而降低，测量需控制在窄带范围内进行，导致其难以用于测量介电常数和磁导率较高的磁介质材料；传感器受周围的某些环境因素影响，不可忽视的测量误差未被考虑。本申请结构的设计主要解决上述问题同时小型化传感器提高实用性。
发明内容
本发明的目的主要针对现有技术的不足，提出了一种结构简单、高灵敏度、高Q值、测量范围广以及具备同时测量介电常数和磁导率功能的差分微波传感器。该传感器是在传统的互补开环谐振器和传输线结构基础上进行设计的。
本发明按以下技术方案实现：
一种差分微波传感器，该微波传感器为四端口器件，由顶层至底层包括两个微带线结构、介质层、金属薄片、两个刻槽金属CSRR结构；
所述两个微带线结构尺寸相同，且轴对称设置，设置在介质层的上表面；每个微带线结构包括分别位于介质层两侧的一个输入端口和一个输出端口，所述输入端口和输出端口用于连接SMA连接头，所述SMA连接头与矢量网络分析仪相连通；
所述输入端口与输出端口之间通过三段微带线连接，所述三段微带线包括第一至第二微带线Ⅰ和微带线Ⅱ，第一微带线Ⅰ的一端通过50欧姆电阻与微带线Ⅱ的一端焊接，第二微带线Ⅰ的一端通过50欧姆电阻与微带线Ⅱ的另一端焊接，第一微带线Ⅰ、第二微带线Ⅰ的另一端分别作为输入输出端口；第一微带线Ⅰ、微带线Ⅱ和第二微带线Ⅰ位于同一直线上；
进一步地，所述微带线Ⅰ的宽度为1.67mm，用以匹配50Ω电阻；
进一步地，所述微带线Ⅱ的宽度小于微带线Ⅰ的宽度；
进一步地，所述两个微带线结构上各自微带线Ⅱ的中心位置相距20mm；
进一步地，所述介质层为方形PCB板；
所述的金属薄片与介质层形状相同，设置在介质层的下表面，且刻蚀有两个刻槽金属CSRR结构。两个刻槽CSRR结构的开口朝向相同。
所述刻槽金属CSRR结构由内外槽环构成，内外槽环均设有一个开口，且开口朝向均相同；所述内外槽环开口相对的两直角均对齐内折，所述外槽环的开口向环内外延伸构成槽沟，其中外槽环开口槽沟之间的部分为磁场强度最大，电场强度最小的区域，该区域放置待测样品用于测量样品磁导率；内外槽环两个内折直角相接的槽沟之间的部分为电场强度最大，磁场强度最小的区域，该区域放置待测样品用于测量样品介电常数；
所述刻槽金属CSRR结构的中心与微带线Ⅱ的中心在平面位置上一致，该刻槽金属CSRR结构的两端与微带线Ⅱ两端的最近距离d2均为1.45mm，且微带线Ⅱ耦合刻槽金属CSRR结构；
所述刻槽金属CSRR结构内槽环的开口宽度与外槽环开口槽沟宽度相同。
进一步地，两个刻槽金属CSRR结构之间空隙距离设置为12mm，以消除彼此间的耦合；
进一步地，所述刻槽金属CSRR结构外槽环尺寸设置为11mm×8mm，槽宽为0.41mm，内槽环尺寸设置为6.74mm×6.31mm，槽宽为0.38mm，内外槽环槽边对齐处距离设置为0.22mm，其合理的尺寸使得电场很好的束缚在槽环周边；
进一步地，外槽环开口槽沟与内槽环开口之间留有一定距离的空隙，距离设置为0.675mm，使得磁场很好的束缚在空隙中；
所述传感器的灵敏度决定了对介电常数和磁导率测量的分辨率；质量因子Q值决定了测量的精度；测量范围和小型化决定了传感器的实用性。
本发明与现有技术相比，具有如下的突出实质性特点和显著技术进步：
本发明与现有的微波传感器相比，克服了现有传感器只能单一测量介电常数或磁导率的缺点，能够在同一传感器不同区域同时测量介电常数和磁导率，具有极高的灵敏度和Q值，保证了测量的准确度。该传感器的刻槽金属CSRR结构的对强场的束缚很强，因此灵敏度很高，同时微带线Ⅱ与刻槽金属CSRR结构之间耦合提高了传感器谐振时的阻抗匹配，从而提高了质量因子，并且质量因子随着测量范围的扩大而增大，因此对较高介电常数和磁导率的磁介质材料的测量十分适用。而且，本发明采用了差分结构的形式，对介电常数和磁导率可做差分测量，采用相对测量的方式排除了环境因素的影响。
附图说明
图1是本发明的结构示意图以及参数标注图：其中(a)传感器顶层示意图，(b)传感器底层示意图，(c)传感器平面示意图；
图2是本发明的S参数示意图：其中(a)第一个传感器(左)的S参数示意图，(b)第二传感器(右)的S参数示意图；
图3是本发明的场强度分布示意图：其中(a)电场强度分布示意图，(b)磁场强度分布示意图；
图4是本发明第一个传感器和第二个传感器的透射系数与待测样品介电常数和磁导率的关系示意图：其中(a)第一个传感器和第二个传感器的透射系数与待测样品介电常数的关系示意图，(b)第一个传感器和第二个传感器的透射系数与待测样品磁导率的关系示意图。
其中，1.SMA连接头；2.微带线Ⅰ；3.50Ω电阻；4.PCB板；5.微带线Ⅱ；6.电场强度最大区域；7.CSRR槽环；8.金属薄片；9.磁场强度最大区域。
具体实施方式
下面结合附图用具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示是本发明的结构示意图，本发明的差分传感器由两个传感器组成，每个传感器包括顶层微带线、中间层PCB板4、底层金属薄片8被刻蚀的CSRR槽环7；顶层微带线包括两段微带线Ⅰ2与一段微带线Ⅱ5，第一微带线Ⅰ与微带线Ⅱ5一段、第一微带线Ⅰ与微带线Ⅱ5另一段分别通过两个50Ω电阻3焊连，微带线Ⅰ2延伸出馈电长脚用于连接SMA连接头1；微带线Ⅱ5耦合底层的CSRR槽环7；
每个刻槽金属CSRR结构由内外槽环构成，两个刻槽CSRR结构的开口朝向相同；所述内外槽环均设有一个开口，开口朝向均相同，且开口相对的两直角均内折，内折两边相同，且槽环具有两个敏感区域，所述外槽环的开口向环内外延伸，其中外槽环开口槽沟之间的部分为磁场强度最大区域10，该区域放置待测样品用于测量样品磁导率；内外槽环两个内折直角相接的槽沟之间的部分为电场强度最大区域9，该区域放置待测样品用于测量样品介电常数；
外槽环开口槽沟与内槽环开口之间的空隙宽度为0.675mm。
本发明的差分传感器中两个传感器功能不同，一个传感器用于放置待测样品测量样品介电常数和磁导率，另一个传感器空载作为参考。
本发明的传感器设计在三维电磁仿真软件AnsysHFSS环境进行的，相关尺寸通过软件得到，如下表所示：
参数 d<sub>1</sub> d<sub>2</sub> w<sub>t1</sub> w<sub>t2</sub> a b c S
数值(mm) 13.93 1.5 1.67 0.4 9.52 8 6.94 20
参数 l g w<sub>0</sub> w<sub>1</sub> w<sub>2</sub> w<sub>3</sub> p<sub>1</sub> p<sub>2</sub>
数值(mm) 3.4 0.41 0.3 0.38 0.22 0.41 0.76 0.76
其中中间层PCB板的大小选取35×26×0.813mm3的高频板Rogers RO4350(介电常数3.66，磁导率1，电介质损耗0.004，磁导率损耗0)
如图2所示是本发明的S参数示意图，其中(a)为第一个传感器(左)的S参数示意图，(b)为第二传感器(右)的S参数示意图，两个传感器的透射参数变化曲线相同，谐振频率为2.36GHz，Q值为393。因此两个传感器互不干扰，并且较高的Q值保证了传感器的测量精度高。
如图3所示是本发明的场强度分布示意图，其中(a)为电场强度分布示意图，底层CSRR槽环中内外槽环内折直角相接的槽沟之间的区域为电场强度最大，磁场强度最小，因此该区域对磁电样品的介电常数变化很敏感，对磁导率不敏感，在该区域放置待测样品可以测量样品的介电常数；(b)为磁场强度分布示意图，底层CSRR槽环中外槽环开口槽沟之间的区域磁场强度最大，电场强度最小，因此该区域对磁电样品的磁导率变化很敏感，对介电常数不敏感，在该区域放置待测样品可以测量样品的磁导率。
图4是本发明第一个传感器和第二个传感器的透射系数与待测样品介电常数和磁导率的关系示意图，其中(a)为第一个传感器和第二个传感器的透射系数与待测样品介电常数的关系示意图，在第一个传感器的电场场强度最大的区域放置一块尺寸8.8mm×5mm×1mm3的待测样品，第二个传感器空载，通过获取两个传感器透射系数的相对变化量可排除环境因素的干扰，得到差分传感器的输出量，即可推算出样品的介电常数。(b)为第一个传感器和第二个传感器的透射系数与待测样品磁导率的关系示意图，在第一个传感器的电场强度最大的区域放置一块尺寸3.4mm×1.12mm×1mm3的待测样品，第二个传感器空载，通过获取两个传感器透射系数的相对变化量可排除环境因素的干扰，得到差分传感器的输出量，即可推算出样品的磁导率。随着测量范围的扩大，两个传感器的Q值都在不断提高，因此该差分传感器很适合介电常数和磁导率偏高的磁电样品的测量，克服了窄带测量的限制，具有极强的实用性。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.用于测量磁介质材料介电常数和磁导率的差分微波传感器，其特征在于该微波传感器为四端口器件，为三层结构：
底层包括金属薄片、两个刻槽CSRR结构；
中间层包括介质层；
顶层包括两个微带线、两个50Ω电阻和两个SMA连接头；
所述两个微带线结构轴对称，每个微带线结构包括分别位于介质层两侧的一个输入端口和一个输出端口，所述输入端口和输出端口用于连接SMA连接头，所述SMA连接头与矢量网络分析仪相连通；
所述输入端口与输出端口之间通过三段微带线连接，所述三段微带线包括第一至第二微带线Ⅰ和微带线Ⅱ，第一微带线Ⅰ的一端通过50欧姆电阻与微带线Ⅱ的一端焊接，第二微带线Ⅰ的一端通过50欧姆电阻与微带线Ⅱ的另一端焊接，第一微带线Ⅰ、第二微带线Ⅰ的另一端分别作为输入输出端口；第一微带线Ⅰ、微带线Ⅱ和第二微带线Ⅰ位于同一直线上；微带线Ⅱ耦合刻槽金属CSRR结构；
所述的金属薄片刻蚀有两个刻槽金属CSRR结构；两个刻槽CSRR结构的开口朝向相同；
所述刻槽金属CSRR结构由内外槽环构成，内外槽环均设有一个开口，且开口朝向均相同；所述内外槽环开口相对的两直角均对齐内折，所述外槽环的开口向环内外延伸构成槽沟，其中外槽环开口槽沟之间的部分为磁场强度最大，电场强度最小的区域，该区域放置待测样品用于测量样品磁导率；内外槽环两个内折直角相接的槽沟之间的部分为电场强度最大，磁场强度最小的区域，该区域放置待测样品用于测量样品介电常数。
2.如权利要求1所述的用于测量磁介质材料介电常数和磁导率的差分微波传感器，其特征在于所述微带线Ⅱ的宽度小于微带线Ⅰ的宽度。
3.如权利要求1所述的用于测量磁介质材料介电常数和磁导率的差分微波传感器，其特征在于所述两个微带线结构上各自微带线Ⅱ的中心位置相距20mm。
4.如权利要求1所述的用于测量磁介质材料介电常数和磁导率的差分微波传感器，其特征在于所述介质层为方形PCB板。
5.如权利要求1所述的用于测量磁介质材料介电常数和磁导率的差分微波传感器，其特征在于所述刻槽金属CSRR结构的中心与微带线Ⅱ的中心在平面位置上相对重合。
6.如权利要求5所述的用于测量磁介质材料介电常数和磁导率的差分微波传感器，其特征在于所述刻槽金属CSRR结构的两端与微带线Ⅱ的两端水平距离均为1.45mm。
7.如权利要求1所述的用于测量磁介质材料介电常数和磁导率的差分微波传感器，其特征在于所述刻槽金属CSRR结构内槽环的开口宽度与外槽环开口槽沟宽度相同。
8.如权利要求1所述的用于测量磁介质材料介电常数和磁导率的差分微波传感器，其特征在于两个刻槽金属CSRR结构之间存在一定距离的空隙，以消除彼此间的耦合。
9.如权利要求1所述的用于测量磁介质材料介电常数和磁导率的差分微波传感器，其特征在于刻槽金属CSRR结构内外槽环开口槽沟与内槽环开口之间留有一定距离的空隙，使得磁场很好的束缚在空隙中。
10.如权利要求1所述的用于测量磁介质材料介电常数和磁导率的差分微波传感器，其特征在于所述底层的两个刻槽金属CSRR结构一个用来放置大小不同材料相同的两块待测样品，另一个空载，其中一个待测样品放置在刻槽金属CSRR结构外槽环开口槽沟之间的部分，用来测量磁导率，另一个待测样品放置刻槽金属CSRR结构内外槽环两个内折直角相接的槽沟之间的部分，用来测量介电常数。
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