CN110531165A

CN110531165A - 基于微波传感器的新型高精度介电常数测试系统

Info

Publication number: CN110531165A
Application number: CN201910766954.6A
Authority: CN
Inventors: 徐魁文; 姜浩; 段江波; 刘洋
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Hangzhou Dianzi University
Priority date: 2019-08-20
Filing date: 2019-08-20
Publication date: 2019-12-03
Anticipated expiration: 2039-08-20
Also published as: CN110531165B

Abstract

本发明公开基于微波传感器的新型高精度介电常数测试系统。本发明包括宽带宽的信号扫频源、差分传感器、数据转换模块、数据存储模块。由于差分传感器的参考谐振器和测量谐振器放置不同介电常数的被测物质，输出两路功率信号之间存在频率差，将这两路谐振器的输出信号接入数据转换模块，最后得出电压峰值偏移信号对应的量化的相对频率差，由于频率差与量化的电压峰值偏移信号一一对应，而频率差又与介电常数一一对应，因此根据电压信号反演出待测介质的介电常数。本发明克服了现有传感器需要借助矢量网络分析仪对待测样品进行测量不方便的特点，该系统可以不借助矢量网络分析仪比较方便快捷准确地得到被测物质的介电常数。

Description

基于微波传感器的新型高精度介电常数测试系统

技术领域

本发明属于微波和射频技术领域，涉及宽频带扫频源、微波谐振器、鉴频鉴相射频电路和数字数据存储电路,特别涉及一种基于基片集成波导(substrate integratedwaveguide-SIW)结构的互补开环谐振器(complementary split-ring resonator—CSRR)的用于测量磁介质材料介电常数和磁导率的新型微波传感器和高精度射频鉴频鉴相电路。

背景技术

物质的介电常数作为反映其电磁特性的重要物理性质之一，是物质与电磁场之间相互作用的重要纽带，因此对介电常数的研究在科学研究、工业应用、生物医疗以及国防安全方面都具有重要的理论意义和应用价值。在科学探索方面，由于介电常数是对材料电磁特性最为重要的表征参数之一，在射频微波频段的材料应用和器件的设计研制对介电常数的关注尤为重要。

对介电常数测量技术的应用已经渗透到了各个领域，其影响可以说是不胜枚举。因此对于物质介电常数的精确测量是具有广阔的前景和发展必要性的，开发各种实用的测量方法，即可以为某些应用提供可能的适用方法，在科学理论和工程实用等方面都具有十分高的价值，因此对磁介质材料的电磁特性的研究很受重视。

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。由于现在已经有了相当多的理论分类，这里我们将范围缩小至射频微波频段的检测技术。在射频微波频段内，介电常数的测量方法可以大致的将其分为谐振法和非谐振法两大类。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电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素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，对磁介质材料的介电常数和磁导率传感表征具有相同的特性，即它们都会降低谐振频率。此外，现有的微波传感器测量基本未考虑外界因素的影响，而环境因素(温度、湿度等)是影响传感器测量的主要因素，某些场合环境因素所带来的测量误差是不可忽略的。其中非谐振法主要包括射频电路测量法、传输线法和自由空间法等。射频电路测量法主要是通过电路的方法将待测介质的介电常数转化为可直接测量的电信号，而介电常数的变化量往往与该种电信号的变化一一对应，因而可以通过这种函数关系反演出未知的介电常数。其中典型的做法是利用待测介质块影响振荡器(Oscillator)的反馈回路，在不同介电常数的介质块的影响下，振荡器的振荡频率将发生偏移，而与该振荡器相连的后级电路锁相环(PLL)的锁定频率为振荡器的初始振荡频率，一旦PLL的输入频率发生偏移，PLL会立即将偏移的频率拉回初始的锁定频率，而PLL内部的压控振荡器(VCO)的输入电压值会做出相应的变化，由于这个电压值的变化与介电常数值的变化也是一一对应的，因此可根据电压偏移的变化反推出待测介质的介电常数。相比于传统的方法需要借助矢量网络分析仪测量待测物质的介电常数，并且测量结果易受环境的影响，本发明的测量系统表现出很大的优势，整个测量系统十分小巧轻便，测量准确并且不受实验室条件下笨重的矢量网络分析仪的限制。

发明内容

本发明的目的主要针对现有技术的不足，提出了一种不需要借助矢量网络分析仪的结构小巧紧凑、高精度测量物质介电常数的新型介电常数测量系统。该测量系统采用射频差分的电路结构，可以有效地去除测量时外界环境对测量结果的影响，提高测量的精确度。此外，该测量系统的数据转换和处理电路对信号非常敏感，从而又提高了数据转换和处理的精确度。

本发明按以下技术方案实现：

基于微波传感器的新型高精度介电常数测试系统包括宽带宽的信号扫频源、差分传感器、鉴频鉴相(数据转换)模块、数据存储模块。

宽带宽的信号扫频源经过二分之一等相位的功分器输出两路等幅的0dBm测量信号，输入到差分传感器；差分传感器输出两路功率信号至鉴频鉴相(数据转换)模块；鉴频鉴相(数据转换)模块输出两路直流电压信号，最终存储到数据存储模块。由于差分传感器的参考谐振器和测量谐振器放置不同介电常数的介质，输出功率信号存在频率差，将这两路谐振器的输出信号接入数据转换模块，最后得出量化的频率差对应的电压峰值偏移信号，由于频率差与量化的电压峰值偏移信号一一对应，而频率差又与介电常数一一对应，因此根据电压信号反演出待测介质的介电常数。

所述的宽带宽的信号扫频源频段小于800MHz，大于2.6GHz；

数据转换模块主要由两个具有将单端口转换为双端口或双端口转换为单端口能力的巴伦芯片和AD8364高性能数据转换芯片以及相应规格的电容、电感和电阻等电子器件组成。可以将信号平衡端转换为非平衡端或将非平衡端转换为平衡端功能的巴伦芯片具有很好的性能，在工作状态下具有较低的插入损耗，输出端口具有相同的幅值(-3dB)和180度的相位差，巴伦芯片的工作频率范围为800-2600MHz。AD8364芯片具有将功率信号线性量化为可以直接测量的直流电压信号，具有很宽的截止工作频带，最高的工作频率为2700MHz。另外，对信号表现的十分灵敏，信号的动态输入范围可以达到60dB，整个转换精度较高，误差概率相对较低，在动态范围内最大误差不超过0.5dB。由于这两种芯片各自的特点，该数据转换电路的工作频率范围为800-2600MHz。

数据存储电路是基于STM32单片机设计的电路，该电路使用单片机芯片内部自带的AD采样时钟将数据转换得到的输出信号进行采样并将得到的直流电压值进行存储并上传到用户的电脑端。

所述的差分传感器由两个两端口微波谐振器构成。

方案一：每个两端口微波谐振器器件包括介质层、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连接头的输入输出端口；SMA连接头的一端与宽频带扫频源模块信号输出端相连通，另一端与数据转换模块的信号输入端相连接；

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，该区域放置样品可以比较理想地用于样品的介电常数；

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。

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，输出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。

两个两端口微波谐振器轴对称设置，且金属CSRR结构开口方向相同(即两较大开口环谐振器开口方向相同)。

方案二：两个两端口微波谐振器器件间距大于四分之一波长。

每个两端口微波谐振器器件包括介质层、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连接头的输入输出端口；SMA连接头的一端与宽频带扫频源模块信号输出端相连通，另一端与数据转换模块的信号输入端相连接；

所述的顶层金属层刻槽有金属SRR环结构，即开环谐振器；金属SRR环的开口处向内延伸一段距离，但不与金属SRR环接触；

两L形微带线分别位于金属SRR环开口所在边的相邻两边，且留有缝隙；两L形微带线一边与金属SRR环一边平行，且该边长度大于金属SRR环环边一定长度；两L形微带线的另一边与金属SRR环开口所在边位于同一直线；与金属SRR环开口所在边位于同一直线的两L形微带线端分别接输入输出端口；

金属SRR环开口以及向内延伸部分为电场强度最大、磁场强度最小的区域，在该理想区域放置待测样品可以很准确地测量出待测样品的介电常数；

两个两端口微波谐振器器件轴对称设置，且金属SRR环开口方向相反，均朝外。

所述传感器的灵敏度和后端数据转换电路的转换精度共同决定了对介电常数的分辨率和测量的精度；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，克服了现有传感器需要借助矢量网络分析仪对待测样品进行测量不方便的特点，该系统可以不借助矢量网络分析仪比较方便快捷准确地得到被测物质的介电常数。而且该测试系统采用差分的射频电路结构，两个微波谐振器都处在相同的环境中，大大降低了外界环境变化对测试结果的影响，鉴频鉴相(数据转化)电路对输入信号的分辨率和处理精度也比较高，系统的各个部分紧密配合使得该系统最终的测试结果比较精确。此外，该测试系统体积小巧，便于携带，系统的各个组成部分具有模块化，彼此之间通过同轴线进行连接，可移植性比较强，很适用于物质介电常数的精准测量。

附图说明

图1是本发明两端口微波谐振器器件的方案一结构示意图以及参数标注图：其中(a)顶层，(b)底层,(c)两差分微波谐振器的顶层，(d)两差分微波谐振器的底层；

图2是本发明的谐振器模块单个方案一微波谐振器仿真情况下的S参数示意图；

图3是本发明的系统中单个方案一微波谐振器仿真的电场场强度分布示意图；

图4是本发明的系统中单个方案一微波谐振器仿真的不同介电常数反射系数S₂₁示意图；

图5是本发明的系统中单个方案一微波谐振器用矢量网络分析仪测量的得到的S参数；

图6是本发明的系统中单个方案一微波谐振器用矢量网络分析仪测量不同介电常数得到的反射系数S₂₁示意图；

图7是本发明系统中数据转换模块的电路原理图；

图8是本发明系统的模块流程图；

图9是本发明系统采用方案一微波谐振器测试不同介电常数的测试电压数据与相对频率偏移之间的关系；

图10是本发明系统采用方案一微波谐振器的根据测试数据拟合得到的相对频移和介电常数之间的关系图。

图11是本发明两端口微波谐振器器件的方案二结构示意图以及参数标注图：其中(a)顶层，(b)底层,(c)两差分微波谐振器的顶层；

图12是本发明的谐振器模块单个方案二微波谐振器仿真情况下的S参数示意图；

图13是本发明的系统中单个方案二微波谐振器仿真的电场场强度分布示意图；

图14是本发明的系统中单个方案二微波谐振器仿真的不同介电常数反射系数S₂₁示意图；

图15是本发明的系统中单个方案二微波谐振器用矢量网络分析仪测量的得到的S参数；

图16是本发明的系统中单个方案二微波谐振器用矢量网络分析仪测量不同介电常数得到的反射系数S₂₁示意图；

其中图1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；图11中，1.第一SMA连接头；7.介质层；9第二SMA连接头；11金属SRR环；11-1金属SRR环开口；12-1第一L形微带线；12-2第二L形微带线。

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8所示，基于微波传感器的新型高精度介电常数测试系统包括宽带宽的信号扫频源、差分传感器、鉴频鉴相(数据转换)模块、数据存储模块。

宽带宽的双端口信号扫频源(或者单端口扫频源经过功分器之后输出两路扫频信号)输出两路等幅的0dBm测量信号，输入到差分传感器；差分传感器输出两路功率信号至鉴频鉴相(数据转换)模块；鉴频鉴相(数据转换)模块输出两路直流电压信号，最终存储到数据存储模块。数据存储模块可以将其上传至用户端并进行数据分析与数据后处理。由于差分传感器的参考谐振器和测量谐振器放置不同介电常数的介质，输出功率信号存在频率差，将这两路谐振器的输出信号接入数据转换模块，最后得出量化的频率差对应的电压峰值偏移信号，由于频率差与量化的电压峰值偏移信号一一对应，而频率差又与介电常数一一对应，因此根据电压信号反演出待测介质的介电常数。

所述的差分传感器由两个两端口微波谐振器器件构成。

如图1(a)(b)所示是本发明单个两端口微波谐振器器件的方案一结构示意图，两端口微波谐振器器件包括顶层金属层，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。

介质层7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)。

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。

如图1(c)(d)所示是由两个方案一两端口微波谐振器构成的差分微波谐振器。两个方案一两端口微波谐振器轴对称设置，且金属CSRR结构开口方向相同。

本发明的方案一微波谐振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：

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。

如图2所示是本发明的单个方案一微波谐振器仿真的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可以看到加工得到的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，两个谐振器之间具有较强的隔离性，降低相互干扰。

如图3所示是本发明的单个方案一微波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所示是本发明的方案一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。

图6是本发明的系统中单个方案一微波谐振器用矢量网络分析仪测量不同介电常数得到的反射系数S₂₁示意图，具有不同介电常数的被测材料放置在微波谐振器上，得到的结果是不相同的，被测物质的材料属性不同，谐振频率点也是不相同的，并且区别比较明显；

数据转换模块主要通过可以将信号平衡端转换为非平衡端或将非平衡端转换为平衡端功能的两个巴伦芯片将输入信号分作四路进入AD8364数据处理芯片，配合芯片其它引脚的外围电路从而使该模块可以将功率信号线性量化为可以测量的两路直流电压信号，具体如图7和图8所示。

如图7，鉴频鉴相(数据转换)模块包括巴伦芯片U1、U2，AD8364芯片，多个电感，电容，电阻；巴伦芯片U1、U2的型号为BD0826J50200A00。

巴伦芯片U1的1脚接差分传感器输出的其中一路功率信号INPUTB，巴伦芯片U1的2脚接电源，巴伦芯片U1的3脚接电容C2的一端，巴伦芯片U1的5脚接地，巴伦芯片U1的4脚接电容C14的一端，其余引脚悬空；巴伦芯片U2的1脚接差分传感器输出的另一路功率信号INPUTA，巴伦芯片U2的2脚接电源，巴伦芯片U2的3脚接电容C15的一端，巴伦芯片U2的5脚接地，巴伦芯片U2的4脚接电容C5的一端，其余引脚悬空；电容C2的另一端接电感T1的一端、电感T3的一端；电容C14的另一端接电感T4的一端、电感T5的一端；电感T1的另一端、电感T4的另一端接地，电感T3的另一端接电容C3的一端，电感T5的另一端接电容C4的一端；电容C15的另一端接电感T6的一端、电感T7的一端；电容C5的另一端接电感T8的一端、电感T2的一端；电感T7的另一端、电感T8的另一端接地，电感T6的另一端接电容C6的一端，电感T2的另一端接电容C7的一端；

AD8364芯片的1脚接电容C22的一端，2脚接电容C1的一端、电容C24的一端(电容C1与电容C24为并联关系)，3脚接地，4脚接电阻R19的一端、电阻R20的一端，5脚接电阻R17的一端、电阻R18的一端，6脚接7脚、电阻R19的另一端、电阻R17的另一端、电容C19的一端，8脚接电容C16的一端，9、10脚短接作为AD8364芯片的信号输出端OUTB口，11、12脚短接作为AD8364芯片的信号输出端口OUTN口，13、14脚短接作为AD8364芯片的信号输出OUTP口，15、16脚短接作为AD8364芯片的信号输出端口OUTA口，17脚接电容C17的一端，21脚接电容C13的一端、电阻R5的一端，23脚接电容C8的一端、电容C23的一端，24脚接电容C9的一端，25脚接电容C10的一端、电容C11的一端后接电源，26脚接电容C7的一端，27脚接电容C6的一端，30脚接电容C4的一端，31脚接电容C3的一端，32脚接电容C20的一端、电容21的一端后接电源，18、20、22、28、29脚接地，其他引脚悬空；电感T3的另一端接电容C3的另一端，电感T5的另一端接电容C4的另一端，电感T6的另一端接电容C6的另一端，电感T2的另一端接电容C7的另一端，电阻R5的另一端接电容C12的一端、电阻R24的一端，电容C10、C11、C20、C21、C22、C9、C1、C24、C8、C23、C19、C16、C17、C13、C12的另一端与电阻R20、R18的另一端接地。电阻R24的另一端接电源。

差分传感器输出的两路功率信号INPUTA、INPUTB分别接入到两个巴伦芯片的信号输入端，经过巴伦芯片将输入信号的平衡端(一端口)转换为非平衡端(两端口)输出，信号经由巴伦芯片之后的输出信号分别与电容C14、C5、C2、C15相连接，对输出信号进行滤波处理，滤除信号的杂散分量然后经过T1-T8的电感网络，再连接电容C3,C4,C6,C7,再次进行滤波处理之后的信号注入AD8364芯片的四个信号输入端口(26,27,30,31端)，芯片的其它引脚的外围电路连接相应的外围电路从而使芯片正常的工作。

如图9所示，是采用方案一差分微波谐振器测量系统测试的具体连接图，当样品介电常数不同时，参考谐振器和测量谐振器之间的相对频率偏移也是不一样的，其中a为空气，b为F4B_2.65，c为Rogers5870,d为FR-4。随着介电常数的增加，两者之间的相对频率偏移也随之增大。

如图10所示，根据采用方案一差分微波谐振器测量系统将被测物质介电常数与相对频率偏移之间的关系进行拟合得到函数表达式，这样为了更快更好更方便地确定未知的介电常数的值，并根据已有的测试数据带入验证，发现误差很小，结果精确度很高。

图11是本发明两端口微波谐振器器件的方案二结构示意图，每个两端口微波谐振器器件包括介质层、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连接头的输入输出端口；SMA连接头的一端与宽频带扫频源模块信号输出端相连通，另一端与数据转换模块的信号输入端相连接；

介质层采用高频板F4B_2.65(介电常数2.65，厚度为1mm，电介质损耗0.009)

所述的顶层金属层刻槽有金属SRR环结构11，即开环谐振器；金属SRR环的开口11-1处向内延伸一段距离构成平行板；

第一L形微带线12-1、第二L形微带线12-2分别位于金属SRR环开口11-1所在边的相邻两边，且留有缝隙；两L形微带线12一边与金属SRR环11一边平行，且该边长度大于金属SRR环11环边一定长度；两L形微带线12的另一边与金属SRR环11开口所在边位于同一直线；与金属SRR环开口11-1所在边位于同一直线的两L形微带线12端分别接输入输出端口；输入端口接第一SMA连接头1，输出端口接第二SMA连接头9；

金属SRR环开口以及向内延伸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可以比较理想地用于待测样品的介电常数；

两个两端口微波谐振器器件轴对称设置，且金属SRR环开口方向相反。

本发明的微波谐振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：

备注：A：金属SRR环开口所在环边长度；B1：金属SRR环与开口相邻的环边长度；B2：金属SRR环的开口11-1处向内延伸一段距离构成平行板的长度；C：1/2(B1-D1)；L1：L形微带线一边长度；L2：L形微带线另一边长度；D1:金属SRR环的开口宽度；D2：L形微带线与金属SRR环的缝隙；W：L形微带线与金属SRR环环边平行边的线宽，以及金属SRR环环边线宽；W1：L形微带线的与金属SRR环开口所在直线的边线宽；W2：金属SRR环的开口11-1处向内延伸部分的线宽。

如图12所示是本发明的单个方案二微波谐振器仿真的S参数示意图，由图可知谐振器的谐振频率在1.223GHz附近，由图15可以看到加工得到的谐振器的谐振频率在1.28GHz附近，和仿真结果有一些差别，但是在允许范围内。为了在系统工作中降低两个谐振器之间的相互干扰，两个谐振器之间距离L为55mm，从而保证测试结果的准确性。

如图13所示是本发明的单个方案二微波谐振器实物场强度分布示意图，顶层SRR结构开口处的区域(虚线位置)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14所示是本发明的方案二微波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9时，传感器的第一个谐振频率点从1.223GHz降到0.951GHz，随着介电常数的增加谐振频率逐渐降低。

图16是本发明的系统中单个方案二微波谐振器用矢量网络分析仪测量不同介电常数得到的传输系数S₂₁示意图，对于放置不同介电常数的被测材料，微波谐振器的传输系数是不同的，也很好地区分不同的被测材料。

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

1.基于微波传感器的新型高精度介电常数测试系统，其特征在于包括宽带宽的信号扫频源、差分传感器、数据转换模块、数据存储模块；

宽带宽的信号扫频源输出两路等幅的0dBm测量信号，输入到差分传感器；差分传感器输出两路功率信号至数据转换模块；数据转换模块输出两路直流电压信号，最终存储到数据存储模块；差分传感器包括参考谐振器和测量谐振器，参考谐振器和测量谐振器放置不同介电常数的介质，输出功率信号存在频率差，将这两路谐振器的输出信号接入数据转换模块，最后得出量化的频率差对应的电压峰值偏移信号，由于频率差与量化的电压峰值偏移信号一一对应，而频率差又与介电常数一一对应，因此根据电压信号反演出待测介质的介电常数；

参考谐振器和测量谐振器均为两端口微波谐振器；每个两端口微波谐振器器件包括介质层、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连接头的输入输出端口；SMA连接头的一端与宽频带扫频源模块信号输出端相连通，另一端与数据转换模块的信号输入端相连接；

所述的顶层金属层刻槽有两个金属CSRR结构；

两个开口环谐振器的中心与微波谐振器的结构中心重叠；

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；

2.如权利要求1所述的基于微波传感器的新型高精度介电常数测试系统，其特征在于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。

3.如权利要求1或2所述的基于微波传感器的新型高精度介电常数测试系统，其特征在于参考谐振器和测量谐振器轴对称设置，且他们的金属CSRR结构开口方向相同。

4.基于微波传感器的新型高精度介电常数测试系统，其特征在于包括宽带宽的信号扫频源、差分传感器、数据转换模块、数据存储模块；

参考谐振器和测量谐振器均为两端口微波谐振器；

金属SRR环开口以及向内延伸部分为电场强度最大、磁场强度最小的区域，在该理想区域放置待测样品可以很准确地测量出待测样品的介电常数。

5.如权利要求4所述的基于微波传感器的新型高精度介电常数测试系统，其特征在于参考谐振器和测量谐振器轴对称设置，且他们的金属SRR环开口方向相反，均朝外。

6.如权利要求4或5所述的基于微波传感器的新型高精度介电常数测试系统，其特征在于参考谐振器和测量谐振器间距大于四分之一波长。

7.如权利要求1-6任一所述的基于微波传感器的新型高精度介电常数测试系统，其特征在于参考谐振器和测量谐振器的介质层为方形PCB板。

8.如权利要求1-7任一所述的基于微波传感器的新型高精度介电常数测试系统，其特征在于所述的宽带宽的信号扫频源频段小于800MHz，大于2.6GHz。

9.如权利要求1-8任一所述的基于微波传感器的新型高精度介电常数测试系统，其特征在于数据转换电路的工作频率范围为800-2600MHz；主要由AD8364高性能数据转换芯片和两个具有将信号平衡端转换为非平衡端或将非平衡端转换为平衡端功能的巴伦芯片以及外周电路组成。

10.如权利要求9任一所述的基于微波传感器的新型高精度介电常数测试系统，其特征在于数据转换模块包括巴伦芯片U1、U2，AD8364芯片以及外周电路；

AD8364芯片的1脚接电容C22的一端，2脚接电容C1的一端、电容C24的一端，3脚接地，4脚接电阻R19的一端、电阻R20的一端，5脚接电阻R17的一端、电阻R18的一端，6脚接7脚、电阻R19的另一端、电阻R17的另一端、电容C19的一端，8脚接电容C16的一端，9、10脚短接作为AD8364芯片的信号输出端OUTB口，11、12脚短接作为AD8364芯片的信号输出端口OUTN口，13、14脚短接作为AD8364芯片的信号输出OUTP口，15、16脚短接作为AD8364芯片的信号输出端口OUTA口，17脚接电容C17的一端，21脚接电容C13的一端、电阻R5的一端，23脚接电容C8的一端、电容C23的一端，24脚接电容C9的一端，25脚接电容C10的一端、电容C11的一端后接电源，26脚接电容C7的一端，27脚接电容C6的一端，30脚接电容C4的一端，31脚接电容C3的一端，32脚接电容C20的一端、电容21的一端后接电源，18、20、22、28、29脚接地，其他引脚悬空；电感T3的另一端接电容C3的另一端，电感T5的另一端接电容C4的另一端，电感T6的另一端接电容C6的另一端，电感T2的另一端接电容C7的另一端，电阻R5的另一端接电容C12的一端、电阻R24的一端，电容C10、C11、C20、C21、C22、C9、C1、C24、C8、C23、C19、C16、C17、C13、C12的另一端与电阻R20、R18的另一端接地；电阻R24的另一端接电源。