CN113552421B - 基于脉冲技术的宽带介电常数测量系统及方法 - Google Patents

基于脉冲技术的宽带介电常数测量系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电子技术领域，提供一种基于脉冲技术的宽带介电常数测量系统及测量方法，所述系统包括：信号源生成模块，用于生成参考信号；锁相环电路模块，其输入端连接所述信号源生成模块的输出端，用于对所述参考信号进行预处理；功率放大模块，其输入端连接所述锁相环电路模块的输出端，用于对所述锁相环电路模块的输出信号进行放大；脉冲序列生成模块，其输入端连接所述功率放大模块的输出端，用于基于放大后的信号输出脉冲信号；敏感元件模块，所述敏感元件模块设置有样本容器，用于承载样品，其输入端连接所述脉冲序列生成模块的输出端；高速示波器，所述高速示波器的输入端连接所述敏感元件模块。本发明降低系统成本，并提高便携性。

Description

基于脉冲技术的宽带介电常数测量系统及方法
技术领域
本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种基于脉冲技术的宽带介电常数测量系统及方法。
背景技术
介电常数是描述物质的重要属性之一，具有广泛的学术和应用价值，近年来，随着介质材料在遥感监测、微波通信、生物医疗等各个领域深度和广度的不断拓展，对于材料的电磁特性的关注也应运而生，例如在电路设计中，频率、温度、湿度、材料配比的变化都会引起电路器件介电常数的变化，介电常数的波动也可能导致产品的失效，所以获取材料的宽带介电谱尤为重要。通过结合射频微波技术无损、传统强的特点，可以实现微波、毫米波甚至太赫兹频段的介质检测，从而丰富介质传感器的使用场景，同时宽频带检测丰富的数据量也为大数据分析提供了依据。
如图1所示为一种常见的介质检测方式，该方式主要是使用互补开口环谐振器 005，其通过在微带线006下方的地平面004刻蚀出环形结构实现高Q值谐振腔。然后通过同 轴线（002、003）连接到矢量网络分析仪001，根据微扰法原理，引入的介质块引起墙体内电 场的变化，从而导致谐振频率的变化。通过测量频偏
Figure 215939DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 664238DEST_PATH_IMAGE002
值的变化，即可反推出介 电常数的变化。可见，完整的射频介质传感器包括信号源、敏感元件、信号处理电路三个部 分，现有的介质传感器主要是基于矢量网络分析仪（VNA），通过测量传输特性和反射特性的 变化拟合出介电常数，其核心就是VNA同时承担了信号源和信号处理电路的功能，但是，网 络分析仪的价格高，结构复杂，不适合利用于低成本、高效率的检测环境中。
发明内容
本发明实施例提供一种基于脉冲技术的宽带介电常数测量系统及方法，以解决上述技术问题。
第一方面，本发明实施例提供一种基于脉冲技术的宽带介电常数测量系统，包括：
信号源生成模块，用于生成参考信号；
锁相环电路模块，其输入端连接所述信号源生成模块的输出端，用于对所述参考信号进行预处理；
功率放大模块，其输入端连接所述锁相环电路模块的输出端，用于对所述锁相环电路模块的输出信号进行放大；
脉冲序列生成模块，其输入端连接所述功率放大模块的输出端，用于基于放大后的信号输出脉冲信号；
敏感元件模块，所述敏感元件模块设置有样本容器，用于承载样品，其输入端连接所述脉冲序列生成模块的输出端；
高速示波器，所述高速示波器的输入端连接所述敏感元件模块，所述高速示波器设置有通用接口总线接口，通过所述通用接口总线接口连接至计算机设备，通过所述计算机设备对所述高速示波器输入的信号进行傅里叶变换后获得其幅频特性。
优选的，还包括一电压偏置电路模块，用于对所述功率放大模块的输入信号进行偏置。
优选的，所述脉冲序列生成模块包括阶跃恢复二极管。
优选的，所述敏感元件模块包括高频介质板、设置于所述高频介质板上的微带线、以及覆盖于所述微带线上的样品容器。
优选的，所述微带线的阻抗为50欧姆，所述样品容器为PDMS材料。
优选的，所述微带线的中心线与所述样品容器的中心线重合。
优选的，所述样品容器设置有微流道结构。
优选的，所述敏感元件模块通过一同轴电缆连接到所述高速示波器。
第二方面，本发明提供一种介电常数的测量方法，包括步骤：
通过预设的信号源生成模块生成一参考信号；
对所述参考信号进行预处理；
对预处理后的参考信号进行放大；
基于放大后的参考信号生成脉冲信号；
通过一预设的敏感元件模块接收所述脉冲信号，所述敏感元件模块设置有用于承载样品的样本容器；
通过高速示波器连接所述敏感元件模块的输出端，接收通过敏感元件模块后的输出信号；
高速示波器处理后将信号输出至以计算机设备，在所述计算机设备对信号进行快速傅里叶变换后获得其幅频特性；
基于所述幅频特性，计算待测样品的介电常数。
优选的，所述敏感元件模块包括高频介质板、设置于所述高频介质板上的微带线、以及覆盖于所述微带线上的样品容器。
本发明实施例中，锁相环电路模块、功率放大模块、以及脉冲序列模块级联生成一个宽带信号，替代了传统射频传感器中的网络分析仪（VNA），从而极大的降低了成本，同时实现了传感器的便携性能。另外，相对于使用网络分析仪测量S参数的复杂问题转化为测量电压波形后在PC端进行运算，简化了信号处理电路，极大程度的提升了性能，实现了传感器的便携性和小型化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。
图1是现有介电常数测量系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的介电常数测量系统结构示意图；
图3a是本发明实施例中阶跃二极管的正向导通等效电路图；
图3b是本发明实施例中阶跃二极管的反向导通等效电路图；
图4是本发明实施例中脉冲序列生成模块的输出信号波形图；
图5是本发明实施例中敏感元件的结构示意图；
图6a是本发明实施例中介电常数虚部影响S21移相值的示意图；
图6b是本发明实施例中介电常数实部影响S21损耗的示意图；
图7a是本发明实施例中甲醇介电常数实部的理论值和仿真结果对比图；
图7b是本发明实施例中甲醇介电常数虚部的理论值和仿真结果对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的每个行人其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书及附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。本申请的说明书和权利要求书或附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
如图2所示，图2是本发明实施例提供的一种基于脉冲技术的宽带介电常数测量系统，包括：信号源生成模块001、锁相环电路模块002（PLL）、功率放大模块003、脉冲序列模块004、敏感元件模块006、以及高速示波器007。
其中，信号源生成模块001用于生成参考信号；锁相环电路模块的输入端连接所述信号源生成模块的输出端，用于对所述参考信号进行预处理；功率放大模块003的输入端连接所述锁相环电路模块002的输出端，用于对所述锁相环电路模块002的输出信号进行放大；脉冲序列生成模块004的输入端连接所述功率放大模块的输出端，用于基于放大后的信号输出脉冲信号；所述敏感元件模块006设置有样本容器，用于承载样品，其输入端连接所述脉冲序列生成模块004的输出端；所述高速示波器007的输入端连接所述敏感元件模块006，所述高速示波器007设置有通用接口总线（GPIB）接口008，通过所述通用接口总线（GPIB）接口008连接至计算机设备009，通过所述计算机设备009对所述高速示波器007输入的信号进行傅里叶变换后获得其幅频特性。
本实施例中，所述敏感元件模块006通过一同轴电缆008连接到所述高速示波器，从而可以减少损耗和阻抗失配。
本实施例中，还包括一电压偏置电路模块005，用于对所述功率放大模块的输入信号进行偏置。
在本实施例中，所述脉冲序列生成模块包括阶跃恢复二极管，例如，可以使用Mpulse公司的阶跃恢复二极管，优选型号为MP4023，其等效电路如图3a、3b所示，其PN结电荷Q计算公式如下：
Figure 584920DEST_PATH_IMAGE003
图3a、图3b、及上述公式中，Q为电荷量，Vbuild_in为内建电场，Vd为阶跃恢复二极管两端的电压，Cf、CR分别是正向和反向导通电容，Rf是正向导通电阻，Lpk、Cpk、Rs 是封装寄生参数。
当串联SRD二极管时，当输入信号的极性变化后，其PN结中的电荷量会发生非线性的变化，当二极管反向偏执后PN结放电，从而产生瞬间的脉冲信号。利用脉冲信号的叠加，可以实现宽带的信号生成电路，根据ADS仿真结果可知，其有效带宽为1-9GHz。SRD二极管可以等效为一个电压控制的分线性电容，充分利用SRD二极管的非线性特点可以实现快速的宽带测量，并且因为避免了直接使用VNA这种大型仪器，降低了成本。如图4所示，脉冲序列生成模块006输出的信号不同于传统的连续波信号，而是时域下的脉冲序列。
本实施例中，如图5所示，所述敏感元件模块006包括高频介质板063、设置于所述高频介质板063上的微带线061、以及覆盖于所述微带线061上的样品容器062。
其中，所述微带线061的阻抗为50欧姆，所述样品容器062为PDMS材料，PDMS材料的介电常数为2.2，随频率变化不大，对系统干扰较小，且PDMS材料的化学稳定性相对塑料好，可以测量丙酮等有机溶剂，从而很大程度的拓展了本发明的使用场合。
本实施例中，所述微带线061的中心线与所述样品容器062的中心线重合，这样可以减少位置偏移对场分布的影响，尤其是可以减少高频的误差。
本实施例中，所述样品容器062可设置微流道结构，在高频时可以使所有较小的样品，可以适用于超过5GHz的场景中。
本实施例中，样本容器的内部与微带线连通，使得待测样品与微带线直接接触，这样可以增加系统的灵敏度。
本实施例中，信号在通过敏感元件模块006之后，通过同轴电缆传输到高速示波器007中，高速示波器007通过通用接口总线接口008连接到计算机设备009，在计算机设备009中进行傅里叶变换后可获得信号的幅频特性，例如，通过计算机设备009内置的MATLAB应用程序对信号进行处理，获得信号的幅频特性。通过信号的幅频特性，可提取出S21损耗和相位，即可计算出待测样品的介电常数。
本实施例中，锁相环电路模块002、功率放大模块003、以及脉冲序列模块004级联生成一个宽带信号，替代了传统射频传感器中的网络分析仪（VNA），从而极大的降低了成本，同时实现了传感器的便携性能。
本实施例中，对于使用网络分析仪测量S参数的复杂问题转化为测量电压波形后在PC端进行运算，简化了信号处理电路，极大程度的提升了性能，实现了传感器的便携性和小型化。
如图6a及图6b所示，以5GHz为例，通过仿真待测样品对传输特性的影响，可知介电常数虚部主要影响S21的移相值，而实部影响S21的损耗，因此通过测量其S21的变化可以反演出介电常数的实部与虚部。
通过分析德拜方程，选择温度为室温25°C，查找相关文献可以获得宽带范围内甲醇和乙醇的介电常数数值，在HFSS里面仿真，通过曲线拟合获得S21损耗和移相值与介电常数实部和虚部的函数关系。之后，使用系统联合仿真，比较使用本实施例提取出的S21损耗和相位带入方程，即可计算出介电常数的实部与虚部。如图7a及图7b所示，比较理论值和仿真结果可知，本发明可以用于宽带的介电常数检测，具有很好的应用价值。
本发明同时提供一种介电常数的测量方法，包括步骤：
S1，通过预设的信号源生成模块生成一参考信号；
S2，对所述参考信号进行预处理；
S3，对预处理后的参考信号进行放大；
S4，基于放大后的参考信号生成脉冲信号；
S5，通过一预设的敏感元件模块接收所述脉冲信号，所述敏感元件模块设置有用于承载样品的样本容器；
S6，通过高速示波器连接所述敏感元件模块的输出端，接收通过敏感元件模块后的输出信号；
S7，高速示波器处理后将信号输出至以计算机设备，在所述计算机设备对信号进行快速傅里叶变换后获得其幅频特性；
S8，基于所述幅频特性，计算待测样品的介电常数。
其中，敏感元件模块为上述测量系统中所述的敏感元件模块。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (6)

1.一种基于脉冲技术的宽带介电常数测量系统，其特征在于，包括：
信号源生成模块，用于生成参考信号；
锁相环电路模块，其输入端连接所述信号源生成模块的输出端，用于对所述参考信号进行预处理；
功率放大模块，其输入端连接所述锁相环电路模块的输出端，用于对所述锁相环电路模块的输出信号进行放大；
脉冲序列生成模块，其输入端连接所述功率放大模块的输出端，用于基于放大后的信号输出脉冲信号，所述脉冲序列生成模块包括阶跃恢复二极管；
敏感元件模块，所述敏感元件模块设置有样本容器，用于承载样品，其输入端连接所述脉冲序列生成模块的输出端，所述样品容器为PDMS材料，所述样品容器设置有微流道结构；所述敏感元件模块包括高频介质板、设置于所述高频介质板上的微带线、以及覆盖于所述微带线上的样品容器，所述微带线的中心线与所述样品容器的中心线重合，且所述样本容器的内部与微带线连通；
高速示波器，所述高速示波器的输入端连接所述敏感元件模块，所述高速示波器设置有通用接口总线接口，通过所述通用接口总线接口连接至计算机设备，通过所述计算机设备对所述高速示波器输入的信号进行傅里叶变换后获得其幅频特性。
2.如权利要求1所述的基于脉冲技术的宽带介电常数测量系统，其特征在于，还包括一电压偏置电路模块，用于对所述功率放大模块的输入信号进行偏置。
3.如权利要求1所述的基于脉冲技术的宽带介电常数测量系统，其特征在于，所述微带线的阻抗为50欧姆。
4.如权利要求1所述的基于脉冲技术的宽带介电常数测量系统，其特征在于，所述敏感元件模块通过一同轴电缆连接到所述高速示波器。
5.一种介电常数的测量方法，其特征在于，包括步骤：
通过预设的信号源生成模块生成一参考信号；
对所述参考信号进行预处理；
对预处理后的参考信号进行放大；
基于放大后的参考信号生成脉冲信号，其中所述脉冲信号由包括阶跃恢复二极管的脉冲序列生成模块产生；
通过一预设的敏感元件模块接收所述脉冲信号，所述敏感元件模块设置有用于承载样品的样本容器，所述样品容器为PDMS材料，所述样品容器设置有微流道结构，所述敏感元件模块包括高频介质板、设置于所述高频介质板上的微带线、以及覆盖于所述微带线上的样品容器，所述微带线的中心线与所述样品容器的中心线重合，且所述样本容器的内部与微带线连通；
通过高速示波器连接所述敏感元件模块的输出端，接收通过敏感元件模块后的输出信号；
高速示波器处理后将信号输出至以计算机设备，在所述计算机设备对信号进行快速傅里叶变换后获得其幅频特性；
基于所述幅频特性，计算待测样品的介电常数。
6.如权利要求5所述的介电常数的测量方法，其特征在于，所述敏感元件模块包括高频介质板、设置于所述高频介质板上的微带线、以及覆盖于所述微带线上的样品容器。
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