CN110389259B - 一种基于siw-csrr结构的固体材料介电常数传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于SIW‑CSRR结构的固体材料介电常数传感器，属于微波传感器技术领域。该传感器包括正面微带线结构，中间的介质基板和背面接地金属板；所述正面微带线结构为上下对称结构，包括50欧姆输入微带线及50欧姆输出微带线，以及基片集成波导和共面波导，正面微带线结构通过基片集成波导—共面波导—微带线转换结构实现转换，由50欧姆微带线、共面波导和基片集成波导进行激励；所述中间的介质基板两侧为金属化过孔；所述背面接地金属板通过开槽方式加载三个开口方向各不相同的互补开口谐振环。本发明具有灵敏度和选择性高，介电常数测试准确率高，测试方案简单，轮廓紧凑及制作成本低、加工简便等优点。

Description

一种基于SIW-CSRR结构的固体材料介电常数传感器
技术领域
本发明属于微波传感器技术领域，涉及一种基于SIW-CSRR(ComplementarySplit-Ring Resonator-Substrate Integrated Waveguide，互补开口谐振环-基片集成波导)结构的固体材料介电常数传感器。
背景技术
介电常数是表征介质材料的介电性质或极化性质的物理参数，准确测量物体的介电常数对物体材质的损耗判断有着重要的影响。市面上用于测量物体介电常数的仪器均较为昂贵。目前多采用谐振腔法、传输反射法及自由空间法测物体相对介电常数。其中谐振腔法精度最高，但对待测样品尺寸要求较高，测试范围较窄；传输反射法操作简便，测试频率范围较大，但是误差较高；自由空间法主要用于测试毫米波频段的介电常数，但是要求待测物体面积需要足够大以保证测试精度。近年来，随着微波技术的不断发展，微波传感器在工业中已经广泛应用于温度或流体环境中的材料属性的测量，基于微波电路的传感器为介电常数的测量提供了新的途径。
Jafari等人提出了一种新型的工业液体相对介电常数传感器(Jafari,FereshtehSadat,Javad Ahmadi-Shokouh,Industrial liquid characterization enhancementusing microwave sensor equipped with electronic band gap structure,AEU-Int.J.Electron.Commun.82(2017)152–159)，采用电子带隙(EBG)结构，提高了测量部位的电场强度，测试了该传感器对不同相对介电常数和损耗正切值的液体的特性。但是该传感器尺寸较大，不易于实现器件的小型化。
郭富祥等人提出了一种基于微带谐振法的相对介电常数方法(郭富祥,赖展军,薛锋章.基于微带谐振法的相对介电常数无损伤测量[J].重庆邮电大学学报(自然科学版),2017,29(03):346-351)，设计制作了一款谐振频率为2GHz的测试装置，该装置采用四分之一波长型阶跃阻抗谐振器(SIR)以及背面缝隙耦合的馈电结构，实现了对待测物体相对介电常数的无损伤测量。但是其灵敏度相对较低，仅为57.2MHz/单位。
Fereshteh Sadat Jafari等人提出了一种基于衬底集成波导的腔体传感器(Fereshteh Sadat Jafari,Javad Ahmadi-Shokouh,Reconfigurable microwave SIWsensor based on PBG structure for high accuracy permittivity characterizationof industrial liquids,Sensors and Actuators A:Physical,283(2018)386-395)，采用了光子带隙法和可变电容，利用腔微扰技术来计算相对介电常数，该方法和装置适用于石油老化程序的检测。但是该传感器无法进行固体物质测试，同时灵敏度仅为13.85MHz/单位。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于SIW-CSRR结构的固体材料介电常数传感器，该传感器利用SIW腔体品质因数高、轮廓紧凑、制作成本低、加工简便等特性，实现了一种紧凑的波导结构，在此基础上，将CSRR结构加载到微波电路可有效提高微波传感器的灵敏度和选择性，克服现有技术固体物质介电常数的测试准确度不高的缺点。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于SIW-CSRR结构的固体材料介电常数传感器，该传感器包括正面微带线结构，中间的介质基板和背面接地金属板；所述正面微带线结构为上下对称结构，包括50欧姆输入微带线(1)及50欧姆输出微带线(1)，以及基片集成波导(3)和共面波导(2)，正面微带线结构通过基片集成波导(3)—共面波导(2)—微带线(1)转换结构实现转换，由50欧姆微带线(1)、共面波导(2)和基片集成波导(3)进行激励；所述中间的介质基板两侧为金属化过孔(4)；所述背面接地金属板通过开槽方式加载三个开口方向各不相同的互补开口谐振环(5)。
进一步，所述介质基板两侧的金属化过孔(4)直径为1mm，相邻过孔距离为1.8mm，内壁为金属层，基板中的通孔等效于矩形波导的两个侧壁，将电磁场限制在SIW中传播。
进一步，所述背面接地金属板通过在金属平面蚀刻出SRR形状的缝隙(5)来提高微波电路的谐振特性，通过利用多环之间的耦合实现器件整体品质因数的提高及能量的集中传输；三个CSRR中，左右两边的开口(6)方向与微带线平行，位于中间的CSRR开口方向与微带线垂直。
进一步，CSRR环缝隙的长度为0.3mm，内径为2.4mm，内外环相距0.5mm，相邻两个CSRR环距离为9.0mm。
进一步，所述介质基板为Rogers5880，其相对介电常数为2.2，介质损耗为0.0009，厚度为0.787mm。
进一步，所述介质基板尺寸为31.2mm*12mm*0.787mm，上下两层金属铜箔厚度均为0.018mm。
进一步，所述50欧姆输入微带线及50欧姆输出微带线的线宽为1.1mm，长度为10mm。
本发明的有益效果在于：
1)本发明在结构上采用加载三个CSRR的基片集成波导，通过结合SIW耦合CSRR的优势，使固体介电常数传感器对待测样品区介电常数的微小变化更为敏感；
2)本发明在测试结果上，当待测物体介电常数每变化1个单位时，谐振频率偏移量达到102MHz/单位，由此利用反演法计算待测样品的介电常数精度较高；
3)本发明实验过程简单，样品制备要求较低，测试简便。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明提供的基于SIW-CSRR结构的固体材料介电常数传感器结构示意图；
图2为本发明的实施例仿真得到的相对介电常数与谐振频率关系图；
图3为本发明的实施例仿真得到的谐振频点与相对介电常数关系拟合图；
图4为本发明的实施例选取相对介电常数已知的待测样品进行实测的数据与仿真数据对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
图1为本发明提供的基于SIW-CSRR结构的固体材料介电常数传感器结构示意图，如图所示，该传感器包括正面微带线结构，中间的介质基板和背面接地金属板；正面微带结构为上下对称结构，包括输入微带线为50欧姆微带线及50欧姆输出微带线，线宽1.1mm，长度为10mm，之后为共面波导结构，共面波导中心导带宽1.1mm，长为1.8mm，中部横缝宽2.4mm；中间的介质基板两侧为金属化过孔，过孔直径为1mm，相邻过孔距离为1.8mm，内壁为金属层；背面接地金属板通过开槽方式加载三个开口方向各不相同的互补开口谐振环，三个CSRR中，左右两边的开口方向与微带线平行，位于中间的CSRR开口方向与微带线垂直。CSRR环缝隙的长度为0.3mm，内径为2.4mm，内外环相距0.5mm，相邻两个CSRR环距离为9.0mm。
在本实施例中，该传感器采用的介质基板为Rogers5880，其相对介电常数为2.2，介质损耗为0.0009，厚度为0.787mm，尺寸为31.2mm*12mm*0.787mm，上下两层金属铜箔厚度均为0.018mm。
图2为本发明的实施例仿真得到的相对介电常数与谐振频率关系图。从其仿真结果可知，当待测样品相对介电常数从1变化至10时，谐振频率从8.96GHz变化至7.94GHz，偏移量为1.02GHz，谐振频率偏移量达到102MHz/单位，灵敏度较高。
图3为本发明的实施例仿真得到的谐振频点与相对介电常数关系拟合图。从拟合结果可知，随着待测物体相对介电常数的增加，传感器的谐振频率随之减小，相对介电常数与谐振频率关系满足关系式εr＝7.9f2-142.5f+643.7。基于该式可建立在该电路结构下的相对介电常数计算模型，检测实物相对介电常数时，将物体放置于环形CSRR上，端口连接矢量网络分析仪，通过在特定频段内的S11波形确定谐振频率，进而计算出待测物体相对介电常数。
图4为本发明的实施例选取相对介电常数已知的待测样品进行实测的数据与仿真数据对比图。由测试结果可知，仿真得到的S11谐振点与实测点基本吻合，验证了利用本发明的实施进行固体物质相对介电常数测试的可行性。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种基于SIW-CSRR结构的固体材料介电常数传感器，其特征在于：该传感器包括正面微带线结构，中间的介质基板和背面接地金属板；所述正面微带线结构为上下对称结构，包括50欧姆输入微带线(1)及50欧姆输出微带线(1)，以及基片集成波导(3)和共面波导(2)，正面微带线结构通过基片集成波导(3)—共面波导(2)—微带线(1)转换结构实现转换，由50欧姆微带线(1)、共面波导(2)和基片集成波导(3)进行激励；所述中间的介质基板两侧为金属化过孔(4)；所述背面接地金属板通过开槽方式加载三个开口方向各不相同的互补开口谐振环(5)；
所述介质基板两侧的金属化过孔(4)直径为1mm，相邻过孔距离为1.8mm，内壁为金属层，介质基板中的过孔等效于矩形波导的两个侧壁，将电磁场限制在SIW中传播；
所述背面接地金属板通过在金属平面蚀刻出SRR形状的缝隙来提高微波电路的谐振特性，通过利用多环之间的耦合实现器件整体品质因数的提高及能量的集中传输；三个CSRR中，左右两边的开口(6)方向与微带线平行，位于中间的CSRR开口方向与微带线垂直。
2.根据权利要求1所述的一种基于SIW-CSRR结构的固体材料介电常数传感器，其特征在于：CSRR环缝隙的长度为0.3mm，内径为2.4mm，内外环相距0.5mm，相邻两个CSRR环距离为9.0mm。
3.根据权利要求2所述的一种基于SIW-CSRR结构的固体材料介电常数传感器，其特征在于：所述介质基板为Rogers5880，其相对介电常数为2.2，介质损耗为0.0009，厚度为0.787mm。
4.根据权利要求3所述的一种基于SIW-CSRR结构的固体材料介电常数传感器，其特征在于：所述介质基板尺寸为31.2mm*12mm*0.787mm，上下两层金属铜箔厚度均为0.018mm。
5.根据权利要求4所述的一种基于SIW-CSRR结构的固体材料介电常数传感器，其特征在于：所述50欧姆输入微带线及50欧姆输出微带线的线宽为1.1mm，长度为10mm。
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