CN114137316A

CN114137316A - 一种材料微小介电波动无损检测的微波传感器测量方法

Info

Publication number: CN114137316A
Application number: CN202111418694.7A
Authority: CN
Inventors: 王韧
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2021-11-26
Filing date: 2021-11-26
Publication date: 2022-03-04

Abstract

本发明公开一种材料微小介电波动无损检测的微波传感器测量方法，应用于微波材料领域，针对现有技术难以解决材料介电特性的准确测量和表征的问题；本发明的测量方法，所基于的射频传感器为单端口输入，在辐射单元背面的金属接地面引入四个缺陷地结构人工电磁超材料单元，四个缺陷地结构人工电磁超材料单元分为左右两组，这两组缺陷地结构人工电磁超材料单元呈对称分布，通过适当的调整四个单元内尺寸及单元间尺寸，实现双频工作；待测样品置于四个四组缺陷结构人工电磁超材料单元上方，通过电磁超材料单元周围电磁场与待测材料间相互作用，可实时检测材料介电特性微小波动。

Description

一种材料微小介电波动无损检测的微波传感器测量方法

技术领域

本发明属于微波材料领域，特别涉及一种微波材料介电特性测量技术。

背景技术

随着通信技术的不断发展，微波材料已广泛应用到各种通信设备及军事卫星服务中，微波频率下的材料特性研究和功能微波材料的开发一直是通讯领域中最为重要的研究方向。尤其是近年来，随着5G通信技术的广泛应用前景，其对高速、高频电路和系统开发的要求越来越高，因此，更需要全面了解材料在不同微波频率下工作的介电特性。当物质材料置于微波场时，物质材料内部的极化过程滞后于外部电场的变化，从而导致了物质内部的弛豫极化，此时物质的介电常数为复数，其实部为材料介电常数实部，表征物质材料存储能量的能力，其虚部为物质的损耗项也称损耗因数，反映了物质材料的能量耗散特性，即能量在物质中的损耗。作为电磁波传播的主要媒介，材料的介电常数和介电损耗的准确测量和表征将从根本上决定基于介质材料的各种微波设备及器件的工作性能。因而，对电介质材料复介电参数进行测量是必需的。越来越多的新型的电介质材料需要用损耗角正切、复介电常数等主要的微波电磁参数来描述其的介电特性和性能。在微波电路设计的电路仿真的研究等活动中，复介电常数的参数对于是否能够合理地选择材料至关重要，如果电磁参数的给值存在较大的误差，会使得电路的设计、仿真结果与实际测量结果存在很大的差异。所以就对材料的电磁参数的测量就变得十分重要，而且对测量精度的要求也越来越高。因此，对于材料介电特性的准确测量和表征对于微波器件的设计和应用具有非常重要的现实意义。目前材料介电变化检测电路主要有如下四种方法：

1、反射法，反射法通常采用同轴线加探头，并用网络分析仪测量系统的反射参数的方法，通过一定的模型建立起反射参数同周边媒质介电常数的函数关系，来获得被测介质的介电特性；

2、传输法，传输法测量系统包括一台矢量网络分析仪和一条可以放置被测样本传输线，通过测量电路的散射参数获得介电常数；

3、自由空间辐射法，自由空间辐射测量系统由一台矢量网络分析仪，两个面对面的天线以及一个放置在两个天线之间用来固定被测样本的装置组成，通过测量收发天线的S参数获得测量数据；

4、谐振腔法，该方法首先获得空腔时的散射参数，然后测量装载被测样本时的散射参数，通过计算可以得到被测样本的介电常数。

由于现代通讯技术的高速发展，微波器件向着小型化、高频化等的方向发展，微波介电材料的介电特性(介电常数实部和介电损耗)能否准确测量，直接影响微波器件的设计及功能发挥，而目前普遍采用的4种方法都存在一定的不足，例如反射法要求被测物体无穷厚，同时要去除探头与样本间存在的间隙；传输法对于固体被测物有较高精度，然而，其需要待测材料放入传输线的开口处；自由空间辐射法虽然可以进行非接触无损测量、高温和宽带测量，但是其要求被测样本为平板状，且低频需要更多的样本，对低损耗介质的测量精度有限；谐振腔法则只能测量单一频率点，对于高损耗材料要求体积非常小，对于测量结果的分析较为复杂，对固体材料进行测量时，需要刚好放入谐振腔内自己的输入端口和输出端口,对应测量材料的形状有限制性。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种材料微小介电波动检测传感器设计方法，基于的射频传感器中包括两组缺陷地结构人工电磁超材料单元，每个缺陷地结构人工电磁超材料单元可以提供一个独立的谐振频点，通过调节两组单元尺寸及两组单元间间隔位置，可以灵活调整传感器谐振点。

本发明采用的技术方案为：一种材料微小介电波动检测传感器设计方法，所基于的测量系统包括：矢量网络分析仪与射频传感器；矢量网络分析仪与射频传感器连接；

所述射频传感器的结构依次为：金属地4、中间介质层2以及金属覆膜层3，金属覆膜层设置辐射单元，金属地设置有4个缺陷地结构人工电磁超材料单元，这4个缺陷地结构人工电磁超材料单元均分为左右2组，每个缺陷地结构人工电磁超材料单元结构提供单个频点可调的谐振频点；

将待测材料放置于辐射单元正上方，通过矢量网络分析仪测量得到反射系数及幅度。

所述缺陷地结构人工电磁超材料单元包括：两个嵌套的缺口环。

所述缺陷地结构人工电磁超材料单元的尺寸参数包括：内环缺口宽度、外环缺口宽度、内环与外环之间的缝隙宽度；每一组尺寸参数的取值对应一个谐振频点。

2组缺陷地结构人工电磁超材料单元分别对应2组不同的尺寸参数。

矢量网络分析仪通过同轴线连接本设计测量传感器。

当测量对象为液体或气体时，还包括在辐射单元中心区域放置聚四氟乙烯空心圆柱。

本发明的有益效果：本发明的方法具有以下优点：

1、每个缺陷地结构人工电磁超材料单元可以提供一个独立的谐振频点，本发明中两组不同尺寸缺陷地结构人工电磁超材料可以提供两个独立的谐振频点；

2、两组缺陷地结构人工电磁超材料单元尺寸不同，呈左右对称分布；

3、传感器双谐振频点由两组缺陷地结构人工电磁超材料单元尺寸及两组间的间隔位置共同决定；

4、通过优化仿真发现，单独改变材料介电常数变化，其频率偏移和幅度变化都有明显变化，且呈规律性变化趋势；

5、材料微弱介电波动可通过测量传感器双谐振频点变化值得到，每个谐振频点都对应一组反射系数及幅度变化，两组参数可同时表征微小的介电变化。

附图说明

图1为本发明实施例提供的缺陷地结构人工电磁超材料单元结构示意图；

图2为本发明实施例提供的传感器结构图；

其中，(a)为整体俯视图，(b)为整体侧视图；

图3为本发明实施例提供的电路S11优化结构；

图4为本发明实施例提供的加载待测材料时传感器结构的优化结果；

其中，(a)为不同介电常数实部对传感器两谐振频点的频率偏移值，(b)为不同损耗角正切对传感器两谐振频点的幅度偏移值。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。

本发明提供一种可实现材料微小介电波动无损检测的微波微波传感器测量方法，所述测量方法基于的测量系统，包括一台矢量网络分析仪和微带结构的射频传感器，矢量网络分析仪通过同轴线连接本设计测量传感器，可以直接读取该传感器的散射参数S11。

如图2所示，该射频传感器为单端口输入，所述射频传感器包括：馈源、辐射单元、4个缺陷地结构人工电磁超材料单元。辐射单元3通过阻抗匹配传输线与信号输入端口1连接，四个缺陷地结构人工电磁超材料单元位于辐射单元背面的金属接地面4(图2中(b)图中的4)，两组缺陷地结构人工电磁超材料单元使用相同的输入和输出微带线端口1(图2中(a)图中的1)，中间微带线通过阻抗匹配将端口1和辐射单元3连接；缺陷地结构人工电磁超材料单元结构如图1所示，由方形型微带线构成。

缺陷地结构人工电磁超材料单元的工作原理为：由等效电路理论可知，缺陷地结构人工电磁超材料单元可等效为LC电路，而LC参数值可以直接确定电路的谐振频率，如图1所示，缺陷地结构人工电磁超材料单元的缝隙11及宽度10、12可灵活调整，从而获得特定工作谐振点。因此，每个人工电磁超材料单元结构都可以提供单个频点可调的谐振频点。如图2(a)所示使用四个大小尺寸不同的电磁超材料单元结构就可以实现四个不同频率的谐振频点。此外，为了提高电路测量灵敏度，使用两组大小尺寸不同的电磁超材料单元结构左右对称，可以实现两个不同频率的谐振频点；如附图2中(B)所示左边两个单元尺寸相同，右边两个单元尺寸相同，两组单元呈左右对称分布；且两组单元尺寸可调，可以实现C－X波段内任意频段需求。

每个人工电磁超材料单元结构都可以提供单个频点可调的谐振频点。使用四个大小尺寸不同的电磁超材料单元结构就可以实现四个不同频率的谐振频点。使用两组缺陷地结构人工电磁超材料单元结构，通过调节结构尺寸来获得不同的谐振频点，这些谐振频率可等效为LC电路，并且由电磁超材料单元结构尺寸来调节。如图2所示，传感器主要由两组缺陷地结构的人工电磁超材料单元、中间介质板2、和辐射单元3和组成。中间微带线位于介质板2上方，介质板2背面为金属接地板。

本发明在辐射单元背面的金属接地面4引入四个缺陷地结构人工电磁超材料单元，四个人工电磁超材料单元呈对称分布，通过适当的调整四个单元内尺寸单元间尺寸，实现双频工作。

人工电磁超材料单元的单元内尺寸具体指：人工电磁超材料单元外环5的宽度、人工电磁超材料单元内环6的宽度；人工电磁超材料单元的单元间尺寸具体指：人工电磁超材料单元内环缺口宽度10、人工电磁超材料单元内外环缝隙11、人工电磁超材料单元外环缺口宽度12。

所述缺陷地结构的人工电磁超材料单元是由内环5、外环6和内环缺口宽度10、内外环缝隙11、外环缺口宽度12组成。所述内外环缝隙11为直角四边形环状，具体分为两条平行的水平缝隙与两条平行的竖直缝隙，水平缝隙与竖直缝隙相互垂直，水平缝隙与竖直缝隙分别控制一个谐振频点，内环缺口宽度10、内外环缝隙11、外环缺口宽度12可灵活调整，改善单元整体谐振点。

待测样品置于四个缺陷结构人工电磁超材料单元上方，通过电磁超材料单元周围电磁场与待测材料间相互作用，可实时检测材料介电特性微小波动。通过双频工作特性，可以实现两个频率下同时测量介电波动，通过两组频率下数据实时对比更新，对后续测量精度进行实时修正，实现材料介电特性波动的准确测量。

两组缺陷地结构的人工电磁超材料单元尺寸不同，位于传输线终端辐射单元背面，且呈左右对称分布；通过调节两组单元尺寸及两组单元间间隔位置，可以灵活调整传感器谐振点，如图3所示。

本发明的检测过程为：电磁集中区域位于传感器辐射单元中心区域，待测材料放置于传感器辐射单元正上方，完全覆盖单元中心电磁场分布区域。待测材料一般为固体，测量时直接放置与辐射单元中心位置。另外，通过在辐射单元中心区域放置聚四氟乙烯空心圆柱，测量对象可拓展为液态及气体；材料微弱介电波动可通过测量图2微带线1端口处反射系数及幅度得到，同时传感器具有双谐振频点，每个谐振频点都对应一组反射系数及幅度变化，两组参数互相补充，可同时表征微小的介电变化，优化结果如图4所示。这里所述的微小的介电变化具体指介电实部变化±1，损耗角正切变化±0.05；这里提到的两组参数指反射系数和幅度。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims

1.一种材料微小介电波动检测传感器设计方法，其特征在于，所基于的测量系统包括：矢量网络分析仪与射频传感器；矢量网络分析仪与射频传感器连接；

2.根据权利要求1所述的一种材料微小介电波动检测传感器设计方法，其特征在于，所述缺陷地结构人工电磁超材料单元包括：两个嵌套的缺口环。

3.根据权利要求2所述的一种材料微小介电波动检测传感器设计方法，其特征在于，所述缺陷地结构人工电磁超材料单元的尺寸参数包括：内环缺口宽度、外环缺口宽度、内环与外环之间的缝隙宽度；每一组尺寸参数的取值对应一个谐振频点。

4.根据权利要求3所述的一种材料微小介电波动检测传感器设计方法，其特征在于，2组缺陷地结构人工电磁超材料单元分别对应2组不同的尺寸参数。

5.根据权利要求4所述的一种材料微小介电波动检测传感器设计方法，其特征在于，矢量网络分析仪通过同轴线连接本设计测量传感器。

6.根据权利要求5所述的一种材料微小介电波动检测传感器设计方法，其特征在于，当测量对象为液体或气体时，还包括在辐射单元中心区域放置聚四氟乙烯空心圆柱。