CN112255466A - 一种基于混合左右手传输线的相消型传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于混合左右手传输线的相消型传感器，包括两个微带型威尔金森功分器，两条倒U型支路和两个结构相同、尺寸不同的左手传输线；两个微带型威尔金森功分器分别与两条倒U型支路相连构成一个双端口测试器件；两个左手传输线加载在两条倒U型支路之间；其中，左手传输线由微带型交指电容和正对于交指电容刻饰的互补开口谐振环组成，且在两个结构相同、尺寸不同的互补开口谐振环上设置有微流控通道，用于承载检测及参考微流体，测试过程中，将被测流体和参考流体通过微流通道的进口压进测试区域和参考区域。本发明可敏感感知微流体介电特性及其微小变化。
Description
技术领域
本发明涉及一种微波频率下的材料介电特性的检测装置，属于微波测量技术领域，更具体地说，是涉及一种基于混合左右手传输线的相消型传感器。
背景技术
随着微波技术的不断发展，尤其是基于传输线结构的电磁超介质的迅猛发展，为各种信息元件的新突破提供了新的契机，在各行各业引起了广泛的重视。电磁超介质所具有的亚波长谐振、负折射、完美透镜、能量汇聚及表面波抑制等特性使其于近7年在微波测试领域得到科研工作者的喜爱。电磁超介质可通过设计不同的基本单元实现不同的相位响应，从而为微波传感器的设计提供了新的思路。尤其是在小尺寸样本（微流体）的介电特性检测中，由于混合左右手传输线在设计中可实现的完美对称性，因此可进一步提高检测灵敏度。在微波测试领域内，为实现微小样品介电特性的检测，需在传统的测试方案的基础上提出新的检测机制，最典型的代表是相消型传感器。该类型传感器通过实现近零传输而消除了传输线的背景噪声，从而大大提高了测试灵敏度。随着微波技术及电磁超材料的不断发展，新型的设计方案及新颖的检测机理不断被提出，文献Saghati A P, Batra J S,Kameoka J, et al. A Metamaterial-Inspired Wideband Microwave InterferometrySensor for Dielectric Spectroscopy of Liquid Chemicals [J]. IEEE Transactionson Microwave Theory and Techniques, 2017:1-14.提出了一种用于测试化学样本介电谱的混合左右手加载的相消型系统，该文献一方面通过传输信号相消实现背景信号消除，另一方面在传输线上加载了左手传输线，实现了测试区域的信号增强，从而提高了灵敏度。但是该文献提出的相消型测试装置需要借助于180度移相器，这增加了整个测试系统的尺寸，也使提出的测试装置在与180度移相器连接过程中增加了反射。
鉴于电磁超介质具备优良的调控电磁波的能力，本发明独辟蹊径，提出了一种易集成、小型化、高灵敏度的相消型射频传感器，该传感器无需借助其他微波系统便可实现小尺寸样本的介电特性的测试。
在前期的研究中，我们也对相消型传感器及进行了深入研究，取得了一些成果，授权号为ZL201710710583.0的“一种介电特性测试装置以及测量方法”提出了一种新型的相消型传感器，并在测试区域加载了基片集成波导技术，实现了弱背景信号下的强测试技术，该技术通过某一支路的信号多走1/2波长实现信号相消，该发明独辟蹊径，引入完美对称技术，通过调整左手传输线的工作状态实现180度的相位差及背景信号的相消，所述的两条支路在波程上具有相同的尺寸，因此相比较于原来的技术，可进一步减小器件尺寸，且无需额外对测试区域进行设计，其引入的互补开口环在工作频率上可实现谐振，从而实现测试区域的信号增强。
在前期的研究中也引入了双支路加载超材料技术的检测方案，申请号为“CN201910859160.4”的“一种基于分频技术的电小尺寸样本介电特性检测装置”中也通过引入两个威尔金森功分器构成两支路两端口的检测方案，并在两支路上加载了两个相同的多环开口谐振环。与上述方案相比，本方案具备完全不同的检测手段，上述方案使用的分频技术，即空载时因为开口谐振环的作用产生了一个传输零点，当两支路加载不同被测物时，不同被测物将影响两个开口谐振环的谐振频率，从而产生两个传输零点。而本发明则根据两个结构相同尺寸不同的左手传输线产生180度相位差，实现一个传输零点，当两支路放上不同被测物时，传输零点会发生频偏。两者具备完全不同的测试原理。
发明内容
针对现有的微流体物质介电特性测量技术中存在的灵敏度低等的问题，本发明的目的是提供一种基于混合左右手传输线的相消型传感器，该传感器可敏感感知微流体介电特性及其微小变化。
本发明按以下技术方案实现：
一种基于混合左右手传输线的相消型传感器，包括两个微带型威尔金森功分器，两条倒U型支路和两个结构相同、尺寸不同的左手传输线；两个微带型威尔金森功分器分别与两条倒U型支路相连构成一个双端口测试器件；两个左手传输线加载在两条倒U型支路之间；其中，左手传输线由微带型交指电容和正对于交指电容刻饰的互补开口谐振环组成，且在两个结构相同、尺寸不同的互补开口谐振环上设置有微流控通道，用于承载检测及参考微流体，测试过程中，将被测流体和参考流体通过微流通道的进口压进测试区域和参考区域。
进一步，所述微带型威尔金森功分器包括输入端口、两个同相输出端口和两个倒U型1/4波长阻抗变换部分；其中，输入端口通过两个倒U型1/4波长阻抗变换部分分别与功分器的两个同相输出端口相连。
进一步，其中一个微带型威尔金森功分器中的两个同相输出端口通过倒U型支路与两个左手传输线相连，两个左手传输线又通过倒U型支路与另一个微带型威尔金森功分器相连。
进一步，所述互补开口谐振环由多个同心圆形互补开口环构成，以此增强耦合功能。
进一步，所述互补开口谐振环由外开口环、中间开口环以及内开口环构成，每相邻开口环的开口处于相互对立面。
进一步，所述微带型交指电容由面对面E型微带条和π型微带条相互交叉组成，且E型微带条和π型微带条之间开口。
进一步，所述E型微带条包括两个微带线Ⅰ、一个微带线Ⅱ和一个微带线Ⅲ；
微带线Ⅱ与两个微带线Ⅰ相互组合形成两个直角拐弯；在微带线Ⅱ的中间位置且平行于微带线Ⅰ加载一个微带线Ⅲ，以此形成E型结构。
进一步，所述π型微带条由平行于微带线Ⅱ并处于开口的另一端的微带线Ⅳ以及与微带线Ⅳ垂直的两个平行且关于开口对称的微带线Ⅴ组成。
进一步，所述微带线Ⅳ的长度长于两个微带线Ⅴ之间的距离，从而使得微带线Ⅴ不与微带线Ⅳ的端头相连。
进一步，通过调整两个左手传输线的尺寸，使得其中一个左手传输线工作在右手频带，产生90度的滞后相位，另一个左手传输线工作在左手频带，产生90度的超前相位，从而实现在传感器的工作频点5.8GHz产生180度的相位差。
本发明与现有技术相比所具有的优点及有益的技术效果如下：
本发明提供的基于混合左右手传输线的相消型传感器，打破传统的设计方式，通过调整左手传输线部分的尺寸，实现两支路的相位差为180度，可实现整个测试装置的完美对称，而对称性是影响相消型传感器灵敏度的重要因素。与已发表的相消型传感器相比，该设计方案不但十分新颖，且引入的互补开口谐振环在工作频率下可实现谐振，从而提高了测试区域的微波信号，可进一步提高相消型传感器的灵敏度。且通过引入混合左右手传输线可进一步减小测试装置的尺寸，在测试过程中有望进一步减小被测物的体积，为最终实现细胞及大生物分子的介电特性及其变化奠定基础。因此该设计方案可用于细胞学、电磁场生物医学、微波化学非热效应及蛋白质热变性等领域的应用，且该装置灵敏度高，检测方法简单，易于集成，具有与其他装置组合成微型分析系统的潜质，本发明提出的装置为双端口测量，可避免多解问题，因而其流体介电特性微小变化的信息捕捉结果更加精确、更加可靠。
附图说明
附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
在附图中：
图1 本发明提出的检测装置结构示意图；
图2 是本发明使用的微带型威尔金森功分器的示意图；
图3 是本发明使用的单个互补开口环的结构示意图；
图4 是本发明使用的微带型交指电容的结构示意图；
图5 是本装置空载及仅测试区域加载某高损耗样品时的传输参数示意图。
需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语 “上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，一种基于混合左右手传输线的相消型传感器，包括地平面1，介质层2，一个传感器输入端口3，一个传感器输出端口4，两个微带型威尔金森功分器5，两条倒U型支路6和两个结构相同、尺寸不同的左手传输线7。
两个微带型威尔金森功分器5分别与两条倒U型支路6相连构成一个双端口测试器件；两个左手传输线7加载在两条倒U型支路6之间。特别地，两个左手传输线7需具备相同的工作频率，但具备不同的相位，两者相位相差180度；两个左手传输线7由微带型交指电容8和正对于交指电容刻饰的互补开口谐振环9组成，其180度相差可以通过调整所述的两个左手传输线7的尺寸而实现。两个互补开口谐振环9可以设置为参考区域和测试区域，并在参考区域和测试区域的开口处设置有微流通道，该微流通道由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制作，微流通道设置有液体样品的进口和出口，进口和出口由聚四氟乙烯管制作。
通过该设计方案，合理调整微带型威尔金森功分器5及两个左手传输线7的尺寸，可使传感器在5.8GHz下实现近零传输及背景信号相消。当参考区域和测试区域放上同样的被测样品时，传感器的相消频率不变，当参考样品和测试样品不一样时，传感器的相消频率会发生变化。本发明正是利用了微波的上述传输原理，设计出了该新型近零传输电路，设计的电路及测试区域和参考区域的微流通道使被测物充分影响电磁波的传输，因此该装置的检测灵敏度可大大提高。
如图2所示，所述微带型威尔金森功分器包括50欧姆的输入端口21、两个同相输出端口22，23和两个倒U型1/4波长阻抗变换部分25；其中，输入端口21通过两个倒U型1/4波长阻抗变换部分24分别与功分器的两个同相输出端口22，23相连。
图3给出了刻饰在传感器地面31的互补开口谐振环的结构示意图，包括刻饰的圆形缝隙33以及开口32。
互补开口谐振环由多个同心圆形互补开口环构成，以此增强耦合功能。所述互补开口谐振环由外开口环10、中间开口环11以及内开口环12构成，每相邻开口环的开口处于相互对立面。
如图4、图5所示，微带型交指电容加载在微带线Ⅵ41上，微带型交指电容由面对面E型微带条和π型微带条相互交叉组成，且E型微带条和π型微带条之间开口42。
所述E型微带条包括两个微带线Ⅰ44、一个微带线Ⅱ43和一个微带线Ⅲ47；微带线Ⅱ43与两个微带线Ⅰ44相互组合形成两个直角拐弯；在微带线Ⅱ43的中间位置且平行于微带线Ⅰ44加载一个微带线Ⅲ47，以此形成E型结构。
所述π型微带条由平行于微带线Ⅱ43并处于开口42的另一端的微带线Ⅳ45以及与微带线Ⅳ45垂直的两个平行且关于开口42对称的微带线Ⅴ46组成。特别的，微带线Ⅴ46并不在微带线Ⅳ45的两端垂直连接。
为便于微流体介电特性的检测，在如图1所示的两个多环互补开口谐振环上设置了测试区域和参考区域，并在测试区域和参考区域设计微流通道，微流通道由PDMS设计。本发明关于微流体介电特性及其微小变化检测的技术原理是通过分析检测装置加载被测对象前后两端口传输参数的相位变化情况。具体地，通过调整传感器两条支路上加载的左手传输线的尺寸，使两个左手传输线的相位差近似180度，因此两个左手传输线具备相同的结构不同的尺寸，其中一个左手传输线可合理设计其尺寸使其工作在右手频带，产生90度的滞后相位，另一个左手传输线，灵活调整其尺寸使其工作在左手频带，产生超前约90度的相位，最后需优化两个左手传输线的尺寸，使其分别工作的左手频带和右手频带重合，最终实现在传感器的工作频点5.8GHz产生180度的相位差。则信号从传感器输入端口输入，经过第一个功分器被平均分为两路幅度和相位相同的信号，这两路信号分别经过两条倒U型支路，由于两条支路可产生180度相位差，而且由于整个传感器的完美对称性，使得两路信号从两支路到达第二个功分器的两个信号合成（输出）端口时可实现幅度相同、相位相反，因此实现输出端口无信号，传感器处在一种平衡状态。当仅在测试区域加载被测样品时，无载传感器的平衡状态被打破，且相关信息在有载传感器的散射参数中信息中进行显示。由于无载时，实现了传感器的输出端口无信号输出，因此即便有载情况下的微小变化也可以在输出端口的散射参数中进行明显的显示，因此该传感器可具备很高的灵敏度。
图5给出了传感器的参考区域加载介电常数为80，损耗角正切为0.001的样品时，测试区域加载介电常数分别为70-80，步长为2，损耗角正切为0.001-0.006，步长为0.001的不同样品时的传输参数示意图。从图中可以看出，在设计的频点5.8GHz，空载（或者两支路加载相同样品时）传输参数低至-70dB,当加载低损耗的样品时，传输参数的幅度变化很小，但是相位发生了偏移，相位偏移的大小取决于测试区域加载的被测样品介电常数的实部大小，传输参数幅度变化的情况反映了被测物介电常数虚部的变情况。
综上，本发明提供的基于混合左右手传输线的相消型传感器，打破传统的设计方式，通过调整左手传输线部分的尺寸，实现两支路的相位差为180度，可实现整个测试装置的完美对称，而对称性是影响相消型传感器灵敏度的重要因素。与已发表的相消型传感器相比，该设计方案不但十分新颖，且引入的互补开口谐振环在工作频率下可实现谐振，从而提高了测试区域的微波信号，可进一步提高相消型传感器的灵敏度。且通过引入混合左右手传输线可进一步减小测试装置的尺寸，在测试过程中有望进一步减小被测物的体积，为最终实现细胞及大生物分子的介电特性及其变化奠定基础。因此该设计方案可用于细胞学、电磁场生物医学、微波化学非热效应及蛋白质热变性等领域的应用，且该装置灵敏度高，检测方法简单，易于集成，具有与其他装置组合成微型分析系统的潜质，本发明提出的装置为双端口测量，可避免多解问题，因而其流体介电特性微小变化的信息捕捉结果更加精确、更加可靠。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包含的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合同样意味着处于本发明的保护范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的实施例中，本领域技术人员能够根据获知的技术方案和本申请所要解决的技术问题，以组合的方式来使用。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。
Claims (10)
1.一种基于混合左右手传输线的相消型传感器，其特征在于：
包括两个微带型威尔金森功分器，两条倒U型支路和两个结构相同、尺寸不同的左手传输线；
两个微带型威尔金森功分器分别与两条倒U型支路相连构成一个双端口测试器件；
两个左手传输线加载在两条倒U型支路之间；
其中，左手传输线由微带型交指电容和正对于交指电容刻饰的互补开口谐振环组成，且在两个结构相同、尺寸不同的互补开口谐振环上设置有微流控通道，用于承载检测及参考微流体，测试过程中，将被测流体和参考流体通过微流通道的进口压进测试区域和参考区域。
2.根据权利要求1所述的一种基于混合左右手传输线的相消型传感器，其特征在于：
所述微带型威尔金森功分器包括输入端口、两个同相输出端口和两个倒U型1/4波长阻抗变换部分；
其中，输入端口通过两个倒U型1/4波长阻抗变换部分分别与功分器的两个同相输出端口相连。
3.根据权利要求2所述的一种基于混合左右手传输线的相消型传感器，其特征在于：
其中一个微带型威尔金森功分器中的两个同相输出端口通过倒U型支路与两个左手传输线相连，两个左手传输线又通过倒U型支路与另一个微带型威尔金森功分器相连。
4.根据权利要求1所述的一种基于混合左右手传输线的相消型传感器，其特征在于：
所述互补开口谐振环由多个同心圆形互补开口环构成，以此增强耦合功能。
5.根据权利要求4所述的一种基于混合左右手传输线的相消型传感器，其特征在于：
所述互补开口谐振环由外开口环、中间开口环以及内开口环构成，每相邻开口环的开口处于相互对立面。
6.根据权利要求1所述的一种基于混合左右手传输线的相消型传感器，其特征在于：
所述微带型交指电容由面对面E型微带条和π型微带条相互交叉组成，且E型微带条和π型微带条之间开口。
7.根据权利要求6所述的一种基于混合左右手传输线的相消型传感器，其特征在于：
所述E型微带条包括两个微带线Ⅰ、一个微带线Ⅱ和一个微带线Ⅲ；
微带线Ⅱ与两个微带线Ⅰ相互组合形成两个直角拐弯；
在微带线Ⅱ的中间位置且平行于微带线Ⅰ加载一个微带线Ⅲ，以此形成E型结构。
8.根据权利要求7所述的一种基于混合左右手传输线的相消型传感器，其特征在于：
所述π型微带条由平行于微带线Ⅱ并处于开口的另一端的微带线Ⅳ以及与微带线Ⅳ垂直的两个平行且关于开口对称的微带线Ⅴ组成。
9.根据权利要求8所述的一种基于混合左右手传输线的相消型传感器，其特征在于：
所述微带线Ⅳ的长度长于两个微带线Ⅴ之间的距离，从而使得微带线Ⅴ不与微带线Ⅳ的端头相连。
10.根据权利要求1所述的一种基于混合左右手传输线的相消型传感器，其特征在于：
通过调整两个左手传输线的尺寸，使得其中一个左手传输线工作在右手频带，产生90度的滞后相位，另一个左手传输线工作在左手频带，产生90度的超前相位，从而实现在传感器的工作频点5.8GHz产生180度的相位差。
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