CN112763808B

CN112763808B - 基于微带互补开环谐振器结构的有源微波传感器

Info

Publication number: CN112763808B
Application number: CN202011591212.3A
Authority: CN
Inventors: 赵文生; 甘宏祎; 王大伟; 陈世昌; 刘琦; 王高峰
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Hangzhou Dianzi University
Priority date: 2020-12-29
Filing date: 2020-12-29
Publication date: 2022-05-27
Anticipated expiration: 2040-12-29
Also published as: CN112763808A

Abstract

本发明公开基于微带互补开环谐振器结构的有源微波传感器，用于测量介质材料的复介电常数。传感器包括微带互补开环谐振器结构、有源反馈环路、介质层、金属薄片，其中有源反馈环路为带微波放大器MRF947的微带线环路，可以产生负电阻来补偿谐振器的损耗；微带互补开环谐振器结构由一对馈线和刻槽金属CSRR结构构成，刻槽金属CSRR结构为一个方形槽环，槽沟之间的部分为电场强度最大区域，将待测介质样品覆盖整个CSRR结构，通过矢量网络分析仪测量传感器S参数曲线。本发明具有高灵敏度、高质量因子和超小电尺寸，保证了测量的准确度。

Description

基于微带互补开环谐振器结构的有源微波传感器

技术领域

本发明属于微波技术领域，涉及一种有源环路激励传感器，特别涉及一种基于微带互补开环谐振器(microstrip complementary split-ringresonator—MCSRR)结构的用于介质材料复介电常数的微波传感器。

背景技术

介质材料复介电常数(ε_r＝ε′_r(1-jtanδ_e)，ε′_r表示介电常数，tanδ_e表示损耗值)的准确测量在医疗保健、食品安全、工业制造中起着重要作用。近年来，平面微波谐振传感器由于其成本低、易于制作等优点得到了广泛的研究。在微波谐振传感器中，谐振频率和质量因数分别与相对介电常数和电损耗有关，即将被测材料样品(MUT)放置到传感器上时，由于传感器谐振腔电容的增加，谐振频率会向下移动，而由于介电损耗，质量因子会降低。根据频率响应特性，平面微波谐振传感器可分为带通响应和带阻响应两种类型。在现有的基于平面谐振式传感器中，有采用开环谐振器(SRR)和互补开环谐振器(CSRR)耦合微带传输线设计传感器，这种传感器的频率响应表现为带阻滤波器的特性，并通过谐振点的变化量反演MUT的复介电常数。此外，也有通过微带SRR(MSRR)和微带CSRR(MCSRR)结构来设计传感器，这种传感器的频率响应类似于带通滤波器，即在谐振点传输接近于0dB。考虑到介质损耗的特性，带通传感器比带阻传感器更合适。这是因为介质损耗通常是通过谐振点的大小变化来获取的，而这在带阻谐振器中是很难识别的，从而给外围电路的设计带来了压力。

然而，由于导体损耗和辐射的影响，带通传感器在测量时的谐振幅值通常比理论值0dB要小得多。为了提高传感器的分辨率，有必要尽可能地提高质量因子。由于带微波放大器的反馈环路可以产生负电阻来补偿谐振器的损耗，因此可以用来提高传感器的质量因子。然而，现有的用反馈环路来提高质量因子的传感器都存在一个不足之处就是它们的灵敏度都很低(不超过0.5×10^-2)，这完全限制了它们的测量范围。本申请结构的设计主要提高传感器质量因子(1931.9)和灵敏度(4.67×10^-2)，同时小型化传感器(电尺寸为

)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、高质量因子、超小电尺寸的微波微流体传感器。该传感器由微带互补开环谐振器结构和有源反馈环路两部分构成。

本发明按以下技术方案实现：

一种有源微波传感器，该传感器为双端口器件，包括微带互补开环谐振器结构MCSRR、有源反馈环路、介质层、金属薄片、输入输出端口；

所述介质层上表面设有有源反馈环路、两条馈线；有源反馈环路位于馈线上方，馈线与有源反馈环路不直接相连，而是以电耦合的方法传播电磁波；

所述馈线设置在介质层上表面的空白区域，两馈线位于介质层边缘侧分别接输入输出端口；所述输入输出端口用于连接SMA连接头，所述SMA连接头与矢量网络分析仪相连通；

作为优选，每条馈线长度为11mm，宽度为2.5mm以匹配50欧姆特性阻抗；

作为优选，两馈线位于同一直线上。

所述有源反馈环路为由带微波晶体管和一对2.2nH电感构成的共射极放大电路，具体是有源反馈环路中包括两段Z型微带线，第一段Z型微带线一角连接电感一端，电感另一端接VB电压；第一段Z型微带线一尾端与晶体管的基极连接，晶体管的发射极与通孔连接，晶体管的集电极与第二段Z型微带线一尾端连接；第二段Z型微带线一角与另一电感的一端连接，另一电感的另一端接VC电压；两段Z型微带线的另外两个尾端开路。

所述金属薄片与介质层形状相同，铺设在介质层的下表面，且刻蚀有一个刻槽金属CSRR结构；刻槽金属CSRR结构与有源反馈环路耦合。

刻槽金属CSRR结构和上述两条馈线构成微带互补开环谐振器结构。

所述刻槽金属CSRR由两个开口相反且尺寸不同的槽环构成；尺寸较小的槽环位于尺寸较大的槽环内部。其中两槽环间缝隙电场强度最大，将介质样品覆盖整个CSRR结构可用于测量复介电常数；

所述两槽环间缝隙的电场区域决定传感器的灵敏度，该区域电场强度越大，传感器的灵敏度越高；

刻槽金属CSRR结构中尺寸较大的槽环部分结构与有源反馈环路中两段Z型微带线、两条馈线重合；尺寸较小的槽环被两段Z型微带线、两条馈线包围。

作为优选，有源反馈环路Z型微带线的开路尾端与两馈线的纵向距离d为3.25mm；

作为优选，两馈线与刻槽金属CSRR结构水平接触，馈线与刻槽金属CSRR结构中尺寸较大的槽环接触的距离为S-p₁，p₁＝0.5mm，S表示刻槽金属CSRR结构中尺寸较大的槽环线宽；

作为优选，刻槽金属CSRR结构中尺寸较大的槽环开口端暴露在有源反馈环路外部分的长度p₂为0.38mm，宽度p₃为0.22mm。

作为优选，所述介质层为方形PCB板；

作为优选，有源反馈环路两段Z型微带线的开路尾端间水平距离与两馈线间水平距离相等。

作为优选，所述刻槽金属CSRR结构槽环尺寸设置为12.4mm×14.4mm，槽宽为0.8mm，槽环开口的宽度为1mm，其合理的尺寸使得电场很好的束缚在槽环周边；

作为优选，金属薄片有一个通孔，该通孔贯通金属薄片、介质层，通孔周壁被金属化，使得晶体管发射极接地；

所述传感器的灵敏度决定了对介质样品介电常数的分辨率；质量因子对介质样品损耗的分辨率；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：

本发明与现有的平面谐振式有源微波传感器相比，不仅提高传感器质量因子(1931.9)，而且具有高灵敏度(4.67×10^-2)，远超过现有传感器的灵敏度(不超过0.5×10^-2)，同时具有超小电尺寸

具备了很高的实用性。

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是本发明的电场强度分布示意图；

图3是本发明的传感器有源反馈环路通电前后的S参数示意图；

图4是本发明的传感器上放置介质样品后，传感器的传输系数与介质样品复介电常数关系示意图。

其中，1.电压电流源；2.微波晶体管MRF947；3.2.2nH电感；4.PCB板；5.微带线环路；6.馈线；7.SMA连接头；8.电源线；9.通孔；10.金属薄片；11.刻槽金属CSRR结构；12.电场强度最大区域/敏感区域。

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，本发明的传感器包括微带互补开环谐振器结构、有源反馈环路、介质层PCB板4、金属薄片10，其中微带互补开环谐振器结构由一对馈线6和金属薄片10被刻蚀的刻槽金属CSRR结构11构成，有源反馈环路由微带线环路5、MRF947微波晶体管2、一对2.2nH电感构成；馈线6一端耦合有源反馈环路，另一端用于连接SMA连接头7；有源反馈环路耦合底层的CSRR槽环11；有源反馈环路中微波晶体管2集电极和集极通过微带线环路5连接2.2nH电感3，电感通过电源线8连接至电压电流源1，电压电流源1可为有源反馈环路提供工作电压。

如图2所示是本发明的电场强度分布示意图，刻槽金属CSRR结构为一个方形槽环，槽环设有一个开口，两槽环间缝隙为电场强度最大区域12，该区域对介质样品的复介电常数变化很敏感，因此在该区域放置介质样品用于测量复介电常数；通过矢量网络分析仪(VNA)测量传感器S参数曲线。

本发明的传感器设计在三维电磁仿真软件Ansys HFSS环境进行的，相关尺寸通过软件得到，如下表所示：

参数	w<sub>t</sub>	l<sub>2</sub>	a	s	g<sub>2</sub>	p<sub>2</sub>	w<sub>l</sub>	l<sub>1</sub>
									数值(mm)	2.5	11.25	10.2	0.8	0.3	0.38	1.5	11
参数	l<sub>3</sub>	b	g<sub>1</sub>	p<sub>1</sub>	p<sub>3</sub>	d
									数值(mm)	4	12.2	1	0.5	0.22	3.25

其中中间层PCB板的大小选取40×35×0.79mm³的高频板Rogers RO5880(介电常数2.2，磁导率1，电介质损耗0.0009，磁导率损耗0)

如图3是本发明的传感器有源反馈环路通电前后的S参数示意图，传感器的传输系数表现为带通特性，其中谐振频率为1.64GHz，传感器的谐振器谐振时具有明显的损耗，而有源反馈环路可以产生负电阻来补偿谐振器的损耗，并且补偿量要远远高于传感器的损耗量，使得质量因子明显提高。从图中可以看出，有源反馈环路通电前传感器质量因子为92.8，有源反馈环路通电后传感器质量因子为1931.9。

如图4所示是本发明的传感器上放置介质样品后，传感器的传输系数与介质样品复介电常数关系示意图，通过获取传感器传输系数的谐振点相对图3中有源反馈环路通电后谐振点的变化量可推算出电介质的复介电常数。当介质样品介电常数从1增加到10，传感器的频率偏移量为553MHz，相对灵敏度为4.67×10^-2。

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.基于微带互补开环谐振器结构的有源微波传感器，为双端口器件，其特征在于包括微带互补开环谐振器结构MCSRR、有源反馈环路、介质层、金属薄片、输入输出端口；

所述馈线设置在介质层上表面的空白区域，两馈线位于介质层边缘侧分别接输入输出端口；

所述金属薄片铺设在介质层的下表面，且刻蚀有一个刻槽金属CSRR结构；刻槽金属CSRR结构与有源反馈环路耦合；

所述刻槽金属CSRR结构和上述两条馈线构成微带互补开环谐振器结构；

所述金属薄片有一个通孔，该通孔贯通金属薄片、介质层，通孔周壁被金属化；

所述有源反馈环路为由带微波晶体管和电感构成的共射极放大电路；有源反馈环路包括两段Z型微带线，第一段Z型微带线一角连接电感一端，电感另一端接VB电压；第一段Z型微带线一尾端与晶体管的基极连接，晶体管的发射极与通孔连接，晶体管的集电极与第二段Z型微带线一尾端连接；第二段Z型微带线一角与另一电感的一端连接，另一电感的另一端接VC电压；两段Z型微带线的另外两个尾端开路。

2.根据权利要求1所述的基于微带互补开环谐振器结构的有源微波传感器，其特征在于所述输入输出端口用于连接SMA连接头，所述SMA连接头与矢量网络分析仪相连通。

3.根据权利要求1所述的基于微带互补开环谐振器结构的有源微波传感器，其特征在于每条馈线长度为11mm，宽度为2.5mm，以匹配50欧姆特性阻抗。

4.根据权利要求1所述的基于微带互补开环谐振器结构的有源微波传感器，其特征在于两馈线位于同一直线上。

5.根据权利要求1所述的基于微带互补开环谐振器结构的有源微波传感器，其特征在于所述刻槽金属CSRR由两个开口相反且尺寸不同的槽环构成；尺寸较小的槽环位于尺寸较大的槽环内部；其中两槽环间缝隙电场强度最大，将介质样品覆盖整个CSRR结构可用于测量复介电常数。

6.根据权利要求1所述的基于微带互补开环谐振器结构的有源微波传感器，其特征在于刻槽金属CSRR结构中尺寸较大的槽环部分结构与有源反馈环路中两段Z型微带线、两条馈线重合；尺寸较小的槽环被两段Z型微带线、两条馈线包围。

7.根据权利要求1所述的基于微带互补开环谐振器结构的有源微波传感器，其特征在于有源反馈环路Z型微带线的开路尾端与两馈线的纵向距离d为3.25mm；有源反馈环路两段Z型微带线的开路尾端间水平距离与两馈线间水平距离相等。

8.根据权利要求1所述的基于微带互补开环谐振器结构的有源微波传感器，其特征在于两馈线与刻槽金属CSRR结构水平接触，馈线与刻槽金属CSRR结构中尺寸较大的槽环接触的距离为S-p₁，p₁=0.5mm，S表示刻槽金属CSRR结构中尺寸较大的槽环线宽；

刻槽金属CSRR结构中尺寸较大的槽环开口端暴露在有源反馈环路外部分的长度p₂为0.38mm，宽度p₃为0.22mm。