CN110531164B - 基于siw-csrr的用于测量介电常数的微波传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开基于SIW‑CSRR的用于测量介电常数的微波传感器。本发明包括介质层、顶层金属层、底层金属层；顶层金属层刻槽有两个金属CSRR结构；上述两个金属CSRR结构由大小不同的两个开口环谐振器构成，其中开口环谐振器为开口槽环；较小开口环谐振器内嵌在较大开口环谐振器内；两个开口环谐振器的开口方向相反；较大开口环谐振器开口处至较小开口环谐振器的空间位置为电场强度最大、磁场强度最小的区域，该区域放置待测样品。本发明产品抗干扰能力更强，结构更简单，低成本，便于携带且该传感器的灵敏度和质量因子表现的很好，同时该新型微波谐振器的Q值达到786.5，很适用于精确测量磁介质材料的介电常数。

Description

基于SIW-CSRR的用于测量介电常数的微波传感器
技术领域
本发明属于微波和射频技术领域，特别涉及一种基于基片集成(substrateintegrated waveguide—SIW)结构的互补开环谐振器(complementary split ringresonator—CSRR)的用于测量磁介质材料介电常数的新型微波传感器。
背景技术
近几十年来，射频电路与微波技术正在以惊人的速度发展，使其不仅在传统的军事科技领域(如雷达探测、电子对抗和卫星通信等)得到应用，同时也渗透到了各个民用领域(如工业产品线控制和生物医疗检测等)。随着各种类型的射频微波电路、模块以及基础器件等被逐步开发和应用，人们发现这些高频电路和器件所使用的微波材料的电磁特性极大的影响着设备器件的性能参数，因此对微波材料电磁特性的探测与研究逐渐得到了重视，其中最主要的就是我们所熟知的材料的介电常数。
介电常数的实质是反映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。介电常数的检测技术发展至今，受到了学术界和工业界的广泛关注。近年来，由于基片集成波导(SIW)具有结构简单、损耗低、体积小、质量因子高、易于与PCB、低温共烧陶瓷(LTCC)工艺兼容等优点逐渐引起了人们的广泛关注。互补的开口环谐振器结构(CSRR)可以使微波射频能量在特定的区域更集中，更有利于测量，并且使测量的结果更准确。因此，本发明结合了这两种结构的优点设计出一种新型的用于测量物体介电常数的微波传感器，整个谐振器结构小巧，抗外界环境干扰能力比较突出，测量精确。
发明内容
本发明的目的主要测量物质的介电常数，提出了一种基于基片集成波导和互补的开口环结构相结合，新的设计继承了这两种结构的优势，使得这种新型的微波谐振器表现出了较高的性能优势。
本发明按以下技术方案实现：
该微波谐振器为两端口器件，包括介质层、位于介质层上表面的顶层金属层、位于介质层下表面的底层金属层、用于连接SMA连接头的两个输入端口；
所述的顶层金属层刻槽有两个金属CSRR结构；
上述两个金属CSRR结构由大小不同的两个开口环谐振器构成，其中开口环谐振器为开口槽环；较小开口环谐振器内嵌在较大开口环谐振器内；两个开口环谐振器的开口方向相反；
两个开口环谐振器的中心与微波谐振器的结构中心重叠；
较大开口环谐振器开口处至较小开口环谐振器的空间位置为电场强度最大、磁场强度最小的区域，该区域放置待测样品可以比较理想地用于待测样品的介电常数；
顶层金属层对称两侧分别开有第一矩形缺口、第二矩形缺口；
两矩形缺口中心所在的直线与两开口环谐振器开口中心所在的直线重叠。
第一输入端口与第一微带线的一端连接，第一微带线的另一端伸入第一矩形缺口与顶层金属层连接，第二输入端口与第二微带线的一端连接，第二微带线的另一端伸入第二矩形缺口与顶层金属层连接；
第一微带线、第二微带线位于两开口环谐振器开口中心所在的直线上。
顶层金属层的四周边沿除了矩形缺口位置均开有周期性分布的若干金属通孔，用于连接两层金属层；
由上述金属通孔构成了SIW，用于防止外界环境干扰，提高测量精确度，且能够抑制输入的微波射频能量泄漏到外部空间，提高谐振器的能量利用效率。
作为优选，所述介质层为方形PCB板。
作为优选，两开口环谐振器的槽宽相同；较大开口环谐振器的开口间距与两开口环谐振器间的间隙等距。
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，抗干扰能力更强，结构更简单，低成本，便于携带且该传感器的灵敏度和质量因子表现的很好，同时该新型微波谐振器的Q值达到786.5，很适用于精确测量磁介质材料的介电常数。
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；
图2是本发明的S参数示意图；
图3是本发明微波谐振器的电场强度分布示意图，其中椭圆形虚线位置为电场强度最大的区域；
图4是本发明的透射系数与待测样品的介电常数的关系示意图，随着被测材料介电常数的增大，谐振器的谐振频率逐渐变小，反射系数S21也逐渐变大。
图5是本发明的新型高性能微波谐振器在用矢量网络分析仪测量的得到的S参数；
图6是本发明的系微波谐振器用矢量网络分析仪测量具有不同介电常数的被测物体得到的反射系数S21示意图；
其中1.第一SMA连接头；2.第一微带线；3.金属通孔；4.CSRR外槽环；5.CSRR内槽环；6.电场强度最大区域；7.介质层；8.第二微带线；9第二SMA连接头；10.底层金属层。
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，本发明的传感器包括顶层金属层，介质层7，底层金属层10，顶层金属层被刻槽的两个金属CSRR结构，第一微带线2，第二微带线9；两个金属CSRR结构由两个大小不同的开口环谐振器构成，较小开口环谐振器内嵌在较大开口环谐振器内，以下称之较大开口环谐振器为CSRR外槽环4，较小开口环谐振器为CSRR内槽环5。
其中顶层第一微带线2与第一SMA连接头1相连接，顶层第二微带线8与第二SMA连接头9相连接，底层金属层10耦合顶层的CSRR外槽环4和CSRR内槽环5，槽环具有两个敏感区域，其中槽环开口至CSRR内槽环5构成的槽沟区域为电场强度最大区域6，该区域放置待测样品可以测量样品的介电常数。
本发明的传感器设计在全波三维电磁仿真软件AnsysHFSS环境下进行结构建模仿真，通过软件计算优化得到结构相关尺寸，具体如下表所示：
Figure BDA0002172241900000031
备注：L1：SIW的壁边长度；L2、L3：第一矩形缺口、第二矩形缺口的长、宽；L4第一微带线、第二微带线的线宽；较大开口环谐振器为正方形开口槽环，开口位于其中一边的中心，a表示其边长；g：两开口环谐振器的间距，两开口环谐振器的开口距离；W：两开口环谐振器的槽宽；d1：构成SIW的金属通孔的孔径；d2：相邻两金属通孔的距离。
其中中间层介质层7(PCB板)选取高频板F4B_2.65(介电常数2.65，厚度为1mm，电介质损耗0.009)。
如图2所示是本发明的微波谐振器模块单个谐振器仿真的S参数示意图，由图可知谐振器的谐振频率在1.58GHz附近，由图5实际测量的微波谐振器的测量得到的S参数数据可以看到谐振器的谐振频率在1.587GHz附近，和仿真结果基本一致，此外由于采用SIW的结构，在系统工作中，对外界环境的干扰具有较好的隔离性，提高了测试的精度，此外，也可以大大降低输入信号的能量辐射到外部环境中从而使能量集中在谐振腔中，提高了谐振器的敏感度和能量利用效率。
如图3所示是本发明的微波谐振器模块单个谐振器实物场强度分布示意图，顶层CSRR槽环中内外槽环开口处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，在该区域放置待测样品可以测量样品的介电常数。
如图4所示是本发明的谐振器透射系数与待测样品的介电常数的关系示意图，待测样品放置在第一个传感器中磁场强度最大的区域，当待测样品的介电常数从1变化到10时，传感器的第一个谐振频率点从1.583GHz降到1.472GHz，随着介电常数的增加谐振频率逐渐降低，透射系数S21也逐渐降低。
图6是本发明的系微波谐振器用矢量网络分析仪测量具有不同介电常数的被测物体得到的反射系数S21示意图。
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 (4)

1.基于SIW-CSRR的用于测量介电常数的微波传感器，为两端口器件，包括介质层、位于介质层上表面的顶层金属层、位于介质层下表面的底层金属层、用于连接SMA连接头的两个输入端口；其特征在于所述的顶层金属层刻槽有两个金属CSRR结构；
上述两个金属CSRR结构由大小不同的两个开口环谐振器构成，其中开口环谐振器为开口槽环；较小开口环谐振器内嵌在较大开口环谐振器内；两个开口环谐振器的开口方向相反；
两个开口环谐振器的中心与微波谐振器的结构中心重叠；
较大开口环谐振器开口处至较小开口环谐振器的空间位置为电场强度最大、磁场强度最小的区域，该区域放置待测样品；
顶层金属层对称两侧分别开有第一矩形缺口、第二矩形缺口；
两矩形缺口中心所在的直线与两开口环谐振器开口中心所在的直线重叠；
第一输入端口与第一微带线的一端连接，第一微带线的另一端伸入第一矩形缺口与顶层金属层连接，第二输入端口与第二微带线的一端连接，第二微带线的另一端伸入第二矩形缺口与顶层金属层连接；
第一微带线、第二微带线位于两开口环谐振器开口中心所在的直线上；
顶层金属层的四周边沿除了矩形缺口位置均开有周期性分布的若干金属通孔，用于连接两层金属层；由上述金属通孔构成了SIW。
2.如权利要求1所述的基于SIW-CSRR的用于测量介电常数的微波传感器，其特征在于所述介质层为方形PCB板。
3.如权利要求1所述的基于SIW-CSRR的用于测量介电常数的微波传感器，其特征在于两开口环谐振器的槽宽相同。
4.如权利要求1或3所述的基于SIW-CSRR的用于测量介电常数的微波传感器，其特征在于较大开口环谐振器的开口间距与两开口环谐振器间的间隙等距。
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Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110108949B (zh) * 2019-05-10 2021-05-07 杭州电子科技大学 用于测量磁介质材料介电常数和磁导率的微波传感器
CN111855761B (zh) * 2020-07-29 2023-06-23 电子科技大学 一种气体介电常数测试装置
CN112798870B (zh) * 2020-12-09 2022-04-19 西南大学 基于衬底集成波导重入式谐振腔和微流控技术的微波差分传感器
CN114660365A (zh) * 2020-12-23 2022-06-24 安徽师范大学 一种基于双互补开环的表面传感器的5g双频段介电常数无损测量方法
CN112782486B (zh) * 2021-01-26 2023-04-07 南京邮电大学 一种基于阶梯阻抗谐振结构的多频点介电常数测量装置
CN113218967B (zh) * 2021-05-26 2022-04-22 江南大学 基于rfid概念的尿酸微波生物传感器及其应用
CN113640587B (zh) * 2021-08-26 2023-01-13 安徽师范大学 一种基于螺旋谐振器的双频段无损介电常数测量传感器
CN114441558B (zh) * 2022-01-30 2024-03-15 西南大学 基于微波负阻电路补偿技术的高分辨率射频标签传感器
CN115267347A (zh) * 2022-06-08 2022-11-01 安徽师范大学 一种测量低介电常数的高灵敏度双频带微波传感器

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101626104A (zh) * 2009-08-05 2010-01-13 华东交通大学 一种基于基片集成波导的微带谐振器
KR101378477B1 (ko) * 2013-03-22 2014-03-28 중앙대학교 산학협력단 기판 집적형 도파관 안테나
CN103730709A (zh) * 2014-01-08 2014-04-16 西南大学 基于基片集成波导复合左右手和互补开口谐振环缺陷地的双带滤波器
CN109781748A (zh) * 2019-01-18 2019-05-21 西南大学 基于差分式衬底集成波导重入式谐振腔和微流控技术的微波传感器
CN110133376A (zh) * 2019-05-10 2019-08-16 杭州电子科技大学 用于测量磁介质材料介电常数和磁导率的微波传感器

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107490727B (zh) * 2017-08-17 2019-10-18 河南师范大学 一种复合微波传感器以及被测物的介电常数测量方法
CN109828157B (zh) * 2019-01-30 2020-12-25 东南大学 一种介质基片介电常数测量机构及其测量方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101626104A (zh) * 2009-08-05 2010-01-13 华东交通大学 一种基于基片集成波导的微带谐振器
KR101378477B1 (ko) * 2013-03-22 2014-03-28 중앙대학교 산학협력단 기판 집적형 도파관 안테나
CN103730709A (zh) * 2014-01-08 2014-04-16 西南大学 基于基片集成波导复合左右手和互补开口谐振环缺陷地的双带滤波器
CN109781748A (zh) * 2019-01-18 2019-05-21 西南大学 基于差分式衬底集成波导重入式谐振腔和微流控技术的微波传感器
CN110133376A (zh) * 2019-05-10 2019-08-16 杭州电子科技大学 用于测量磁介质材料介电常数和磁导率的微波传感器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
特定性能电磁超材料微结构及其功能器件优化设计;史鹏飞;《中国博士学位论文全文数据库 工程科技I辑》;20180915(第9期);B020-15/102-105 *

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