CN114325118B - 一种基于csrr衍生结构的固体材料电磁参数传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于CSRR衍生结构的固体材料电磁参数传感器，属于微波传感器技术领域。该传感器包括正面的微带线结构，中间的介质基板，以及背面的接地金属板；微带线结构为上下对称结构，包括微带线输入端及输出端；接地金属板通过开槽方式加载一个由多次弯曲导电环和插指型电容组成的CSRR衍生结构；正面微带线结构所产生的准TEM模能使介质基板背面的CSRR衍生结构满足激励条件。本发明能提高传感器对电磁参数变化的灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于微波传感器技术领域，涉及一种基于互补开口谐振环(CSRR)衍生结构的固体材料电磁参数传感器。
背景技术
准确测量材料的电磁参数(介电常数和磁导率)在食品工业、农业、医药、保健、军事、国防等各个领域都很重要，因为它们能在一定的程度上表征物体性质。市面上既能测量物体介电常数又能测量磁导率的仪器较为匮乏和昂贵。目前多采用谐振腔法、传输反射法及自由空间法测物体电磁参数。其中谐振腔法精度最高，但对待测样品尺寸要求较高，测试范围较窄；传输反射法操作简便，测试频率范围较大，但是误差较高；自由空间法主要用于测试毫米波频段的电磁参数，但是要求待测物体面积需要足够大以保证测试精度。近年来，随着基于超材料结构的微波传感器的充分发展，开口谐振环(SRR)及互补开口谐振环(Complementary Split-Ring Resonator，CSRR)等基本谐振单元结构在微波传感器领域的应用也越发广泛，这也为基于微波电路的传感器对电磁参数的测量提供了新的尝试。
Shafi K等人在文献“Improved Planar Resonant RF Sensor for Retrieval ofPermittivity and Permeability of Materials[J].IEEE Sensors Journal,2017,17(17):5479-5486”中提出了基于数字电容的分裂环谐振器和基于弯曲线的分裂环谐振器用于对测量材料的介电常数和磁导率，并具有较高的灵敏度，其工作频率为2.45GHz，测量误差小于6％，但其需要分别采用两个谐振器来分别测量待测样品的介电常数和磁导率，且测量结果只包含实部，没有虚部。
Ansari M等人在文献“Design of SRR-Based Microwave Sensor forCharacterization of Magnetodielectric Substrates[J].IEEE Microwave&WirelessComponents Letters,2017:524-526”中提出了一种新型的SSR微波谐振器，用于测量磁介材料的电磁参数，测量误差小于8％，但其采用了同一个器件产生的两个谐振频率来分别推导介电常数和磁导率的实部，这样容易导致介电常数和磁导率测量的相互干扰。
路晓在文献“基于微波互补开口谐振环结构的陶瓷基传感器研究[D].中北大学”中使用了CSRR的衍生结构，设计了一款能同时测量介电常数、磁导率实部和虚部的谐振器，其工作频率为2.4GHz，最大误差为3％，但在推导电磁参数的虚部时没有考虑到实部会对虚部产生影响。
因此，亟需一种能够解决上述各种问题的固体材料电磁参数传感器。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于CSRR衍生结构的固体材料电磁参数传感器，提高传感器对电磁参数变化的灵敏度，克服现有技术固体物质电磁参数的测试准确度不高的缺点。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于CSRR衍生结构的固体材料电磁参数传感器，包括介质基板2，以及设置在介质基板2正面的微带线结构和背面的接地金属板。其中，微带线结构为上下对称结构，包括微带线1输入端及微带线1输出端；接地金属板通过开槽方式加载一个由多次弯曲导电环5和插指型电容4组成的CSRR衍生结构3。正面微带线结构所产生的准TEM模能使介质基板2背面的CSRR衍生结构3满足激励条件。
优选的，多次弯曲导电环5垂直于微带线1方向，插指型电容4平行于微带线1方向，极大加强了待测区域的电场强度和磁场强度，明显分隔了电场最强区域和磁场最强区域，显著提高了测量的灵敏度。
优选的，所述接地金属板是在金属平面蚀刻出CSRR衍生结构3形状的缝隙，提高了微波电路的谐振特性。
优选的，所述微带线1为50欧姆的微带线。
优选的，CSRR衍生结构3的缝隙宽度ww为0.4mm，整体的高度l为6.6mm；多次弯曲导电环5的长度l5和l1分别为3mm和2mm，环间隔w2为0.4mm；插指型电容4的长度l3为1.9mm，整体高度l2为3.6mm，平行电容间隔w1为0.4mm，插指间隔l4为0.3mm。
优选的，介质基板2的尺寸为18.0mm*16.0mm*0.787mm，上下两层金属铜箔厚度均为0.035mm。
优选的，微带线1的线宽w为2.35mm，长度L0为18mm。
优选的，介质基板为Rogers5880，其相对介电常数为2.2，介质损耗为0.0009，厚度为0.787mm。
本发明的有益效果在于：
1)本发明在结构上采用加载多次弯曲导电环和插指型电容组成的CSRR衍生结构，限制了导体周围的最大磁场和磁场，使得电场和磁场分布的区域更加集中，显著提高了待测区域的电场强度和磁场强度，使固体微波谐振传感器对待测样品区电磁参数的微小变化更为敏感，即提高了传感器对电磁参数变化的灵敏度。
2)本发明在测试结果上，当待测物体介电常数每变化1个单位时，谐振频率偏移量达到31MHz/单位，当待测物体磁导率每变化0.2个单位时，谐振频率偏移量达到36MHz/单位，由此利用反演法计算待测样品的介电常数和磁导率精度较高。
3)本发明实验过程简单，样品制备要求较低，测试简便。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明基于CSRR衍生结构的固体材料电磁参数传感器结构示意图；
图2为本发明实施例仿真得到的相对介电常数与谐振频率关系图；
图3为本发明实施例仿真得到的相对磁导率与谐振频率关系图；
图4为本发明实施例仿真得到的谐振频点与相对介电常数关系拟合图；
图5为本发明实施例仿真得到的谐振频点与相对磁导率关系拟合图；
图6为本发明实施例选取相对介电常数和相对磁导率已知的待测样品进行实测的数据与仿真数据对比图；
图7为利用本发明实施例进行固体电磁参数检测的示意图；
附图标记：1-微带线，2-介质基板，3-CSRR衍生结构，4-插指型电容，5-多次弯曲导电环。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1～图7，图1为本发明实施例提供的一种基于CSRR衍生结构的固体材料电磁参数传感器结构示意图，如图1所示，该传感器包括正面微带线结构，中间的介质基板和背面接地金属板；正面微带结构为上下对称结构，包括50欧姆微带线1输入端及50欧姆微带线输出端，线宽2.35mm，长度为18mm。背面接地金属板通过开槽方式加载多次弯曲导电环和插指型电容组成的CSRR衍生结构，该CSRR衍生结构的缝隙宽度ww为0.4mm、整体的高度l为6.6mm，多次弯曲导电环5的长度l5和l1分别为3mm和2mm；插指型电容4的长度l3为1.9mm，整体高度l2为3.6mm，平行电容间隔w1为0.4mm，插指间隔l4为0.3mm。
在本实施例中，该传感器采用的介质基板为Rogers5880，其相对介电常数为2.2，介质损耗为0.0009，厚度为0.787mm，尺寸为18.0mm*16.0mm*0.787mm，上下两层金属铜箔厚度均为0.035mm。
图2为本实施例仿真得到的相对介电常数与谐振频率关系图。从图2仿真结果可知，当待测样品相对介电常数从1变化至10时，谐振频率从2.4GHz下降到2.09GHz，频率偏移为310MHz，谐振频率偏移量达到31MHz/单位，灵敏度较高。
图3为本实施例仿真得到的相对磁导率与谐振频率关系图。从图3仿真结果可知，当待测样品相对介电常数从1变化至2时，谐振频率从2.41GHz明显下降到2.23GHz，谐振频率偏移量为180MHz，每0.2相对磁导率变化谐振频率偏移量为36MHz，灵敏度较高。
图4为本实施例仿真得到的谐振频点与相对介电常数关系拟合图。从图4拟合结果可知，随着待测物体相对介电常数的增加，传感器的谐振频率随之减小，相对介电常数与谐振频率关系满足关系式εr＝1019.04379-1224.21606f0+498.88093fo 2-68.96969f0 3。基于该式可建立在该电路结构下的相对介电常数计算模型，检测实物相对介电常数时，将物体放置于环形多次弯曲的导电环上，端口连接矢量网络分析仪，通过在特定频段内的S21波形确定谐振频率，进而计算出待测物体相对介电常数。
图5为本实施例仿真得到的谐振频点与相对磁导率关系拟合图。从图5拟合结果可知，随着待测物体相对磁导率的增加，传感器的谐振频率随之减小，相对磁导率与谐振频率关系满足关系式μr＝462.35816-553.64138f0+222.65266fo 2-30.02465f0 3。基于该式可建立在该电路结构下的相对磁导率计算模型，检测实物相对磁导率时，将物体放置于环形插指型电容上，端口连接矢量网络分析仪，通过在特定频段内的S21波形确定谐振频率，进而计算出待测物体相对磁导率。
图6为本实施例的实测的数据与仿真数据对比图，图6(a)为空载时传感器仿真值与实测的比较图6(b)为在介电常数测量区域加载FR4的情况，图6(c)为在磁导率测量区域加载Fe3O4-PDMS(50％)的情况，图6(d)在介电常数测量区域加载Fe3O4-PDMS(50％)的情况。由图6测试结果可知，仿真得到的S21谐振点与实测点基本吻合，验证了利用本发明的实施进行固体物质相对电磁参数测试的可行性。
图7为利用本实施例进行固体电磁参数检测的示意图。进行介电常数测试的时候，将待测物体放置于多次弯曲的导电环上。进行磁导率测试的时候，将待测物体放置于插指型电容上。传感器两端口连接矢量网络分析仪读取谐振频率，进而通过图4、图5已建立的该电路结构下的固体电磁参数计算模型，即可得到待测固体的电磁参数。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种基于CSRR衍生结构的固体材料电磁参数传感器，包括介质基板（2），其特征在于，该传感器还包括设置在介质基板（2）正面的微带线结构，以及背面的接地金属板；
所述微带线结构为上下对称结构，包括微带线（1）输入端及微带线（1）输出端；所述接地金属板通过开槽方式加载一个由多次弯曲导电环（5）和插指型电容（4）组成的CSRR衍生结构（3）；正面微带线结构所产生的准TEM模能使介质基板（2）背面的CSRR衍生结构（3）满足激励条件；
所述CSRR衍生结构（3）的缝隙宽度ww为0.4mm，整体的高度l为6.6mm；所述多次弯曲导电环（5）的长度l 5和l 1分别为3 mm和2mm，环间隔w 2为0.4mm；所述插指型电容（4）的长度l 3为1.9 mm，整体高度l 2为3.6mm，平行电容间隔w 1为0.4mm，插指间隔l 4为0.3mm。
2.根据权利要求1所述的固体材料电磁参数传感器，其特征在于，所述多次弯曲导电环（5）垂直于微带线（1）方向，所述插指型电容（4）平行于微带线（1）方向。
3.根据权利要求1所述的固体材料电磁参数传感器，其特征在于，所述接地金属板是在金属平面蚀刻出CSRR衍生结构（3）形状的缝隙。
4.根据权利要求1所述的固体材料电磁参数传感器，其特征在于，所述介质基板（2）的尺寸为18.0mm*16.0mm*0.787mm，上下两层金属铜箔厚度均为0.035mm。
5.根据权利要求1所述的固体材料电磁参数传感器，其特征在于，所述微带线（1）为50欧姆的微带线。
6.根据权利要求1或5所述的固体材料电磁参数传感器，其特征在于，所述微带线（1）的线宽w为2.35mm，长度L 0为18mm。
7.根据权利要求1~3中任意一项所述的固体材料电磁参数传感器，其特征在于，所述介质基板相对介电常数为2.2，介质损耗为0.0009，厚度为0.787mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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