CN114459396B - 基于人工表面等离激元和螺旋线结构的微波定位传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明为基于人工表面等离激元和螺旋线结构的微波定位传感器。该传感器包括刻有互补螺旋线结构的接地金属板、介质层以及人工表面等离激元传输线三层结构。该传感器的工作原理是当有外部金属物体附着在互补螺旋线结构上时，互补螺旋线结构上谐振电流长度的改变会导致其谐振频率发生变化，传输线的传输系数在谐振频率处存在零点，因此通过观察传输系数零点在频谱上的位置变化即可实现电小尺寸金属物体定位。利用互补螺旋线结构的高次谐振和对应的多个传输零点来提高定位精度，实现亚波长尺度精确定位。该位置传感器可感知物体小、分辨率高，在人体可穿戴设备、生物医学电子及生物医疗器械中具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种微波定位传感器，属于微波毫米波太赫兹技术及微波传感器领域。
背景技术
随着如今电子信息等领域的发展，可穿戴电子设备成为人们日常生活中必不可少的组成部分。为了满足可穿戴设备的智能化要求，传感器的种类、数量与日俱增。微波毫米波传感器凭借其结构简单、加工方便等优势，在角度测量、介电常数测量、压力测量、距离测量等方面都有很大的应用前景。为了实现可穿戴设备或生物医学电子对外部环境的感知能力，高精度、小尺度的微波传感器是必要的，例如位置、温度、湿度传感器等等。
传统位置传感器大多利用超声波、微波、红外线和光波的物理特性。超声波主要运用在大尺度物体的检测上，例如机器人避障、汽车雷达及地形地貌的勘探等方面；红外线和光波可以采用光学原理，对物体的空间方位进行测量，例如太阳方位检测、照相机对焦辅助等；微波目前主要运用在空间方位的测量，例如蓝牙、Zigbee等可以利用多点信号交互对空间中的物体实现定位，从而促进了智能化生产、制造、家居等领域的发展。但是，目前可以运用在可穿戴设备上的可实现亚波长尺度定位的传感器解决方案并不多见。
人工表面等离激元传输线具备对电磁波的强束缚能力，凭借其场局域特性可用于共形传输，满足可穿戴设备的要求。同时，采用电磁谐振结构或在金属板上刻蚀互补的电磁谐振结构，在特定频率产生具有高品质因数(Q值)的电磁谐振。当电磁谐振结构位于人工表面等离激元传输线附近时，传输线在谐振频率上产生传输零点。当外部电小尺寸金属物体附着在谐振结构上时，谐振电流长度的改变会导致其谐振频率发生变化。因此通过监测人工表面等离激元传输线传输零点在频谱上的位置偏移即可实现对电小尺度金属物体的高分辨率定位，实现位置传感器的功能。
本发明根据上述要求，提出了基于人工表面等离激元和螺旋线结构的微波定位传感器。该微波定位传感器采用刻蚀在接地金属板上的互补螺旋线谐振结构产生传输零点，当外部金属物体附着在互补螺旋线结构上时，通过人工表面等离激元传输线传输零点在频谱上变化的规律反推出外部物体的位置，实现对电小尺度金属物体定位的能力，且具有曲面共形、可靠性强的特点，可满足对高分辨率、高精度柔性位置传感器的需求
发明内容
技术问题：本发明的目的是克服现有技术难以精确测量电小尺寸物体位置的缺点，提供一种基于人工表面等离激元和螺旋线结构的微波定位传感器，实现亚波长金属物体定位传感的功能。
技术方案：本发明的一种基于人工表面等离激元和螺旋线结构的微波定位传感器包括刻有螺旋线互补结构的接地金属板、介质层、人工表面等离激元传输线及其过渡结构；刻有螺旋线互补结构的接地金属板位于介质层的一面，人工表面等离激元传输线位于介质层的另一面。
所述的刻有螺旋线互补结构的接地金属板是镂空蚀刻有阿基米德螺旋线或其他类型螺旋线结构的金属接地层。
所述的介质层为单层或多层介质结构。
所述的介质层为高频电介质层。
所述的人工表面等离激元传输线包含微带输入端和输出端、均匀开槽的人工表面等离激元传输结构以及微带线与人工表面等离激元传输结构之间的过渡结构。
所述的人工表面等离激元传输线对称结构或非对称结构。
所述的过渡结构为渐变式过渡结构或采用阶梯式过渡结构、曲线渐变过渡结构
过渡结构为对称或非对称结构。
所述的刻有螺旋线互补结构的接地金属板、人工表面等离激元传输线的材料为铜、铝、金、铂、银、锌、铁或其合金。
本发明的基于人工表面等离激元和螺旋线结构的微波定位传感器的定位方法为：当外部有电小尺寸的金属物体附着在互补螺旋线上时，人工表面等离激元传输线的传输系数(S21)零点会发生偏移；通过观察传输系数零点在频谱上的位置变化即可实现该金属物体定位；互补螺旋线结构具有高次谐振，对应多个传输零点；根据多个传输系数零点在频谱上的位置变化，实现对电小尺寸金属物体高精度、高分辨率定位。
有益效果：本发明利用了人工表面等离激元传输线场局域化特性，结合螺旋互补结构会根据谐振电流长度不同产生不同谐振频率的特点，可以有效实现对附着到螺旋线结构上的电小尺寸金属物体进行高分辨率定位的功能。当外部金属物体的半径d满足r<d<1.5*r时(r是螺旋线线宽，即传感器的分辨率)，通过检测人工表面等离激元传输线的传输零点变化就可以确定金属物体在螺旋线所占面积内的极坐标角度，进而求解出金属物体的位置信息。传感器分辨率r可根据需求调整大小。
该微波位置传感器的实现对于柔性电子系统、可穿戴设备定位、医学医疗器械使用定位等有着重要的意义。
附图说明
图1为本发明的三维结构示意图。其中(a)为俯视图，(b)为仰视图，(c)为互补的螺旋结构图，(d)为附着有外部金属物体时的互补螺旋结构图。图中有：刻有螺旋线互补结构的接地金属板1、介质层2、人工表面等离激元传输线3，人工表面等离激元传输线包含微带输入端和输出端31、均匀开槽的人工表面等离激元传输结构32以及微带线与人工表面等离激元传输结构之间的过渡结构33。
图2为本发明在实施定位时的S21参数的两次谐振频率与外部金属物体所在极坐标角度的关系示例图。其中(a)为角度范围0°<θ<2460°时两次谐振频率随位置变化的S21参数图，(b)为角度范围2460°<θ<3480°时两次谐振频率随位置变化的S21参数图，(c)为角度范围3480°<θ<4110°时两次谐振频率随位置变化的S21参数图，(d)为谐振范围4110°<θ<4860°时两次谐振频率随位置变化的S21参数图。
图3为本发明在实施定位时，当外部金属物体位于不同位置时，谐振模式1和谐振模式2的谐振频率随着极坐标角度θ变化规律图。
图4为本发明在实施定位时的实测结果与仿真结果对比图，(a)为外部金属物体位于θ＝2160°时实测传输系数(S21)与仿真结果对比图，(b)为外部金属物体位于θ＝2640°时实测传输系数(S21)与仿真结果的对比图，(c)为外部金属物体位于θ＝4590°时实测传输系数(S21)与仿真结果的对比图。
图5为本发明在实施定位时，外部金属物体位于图3中谐振模式1和谐振模式2交点对应的两个角度θ＝2730°和θ＝4320°时实测传输系数(S21)与仿真结果对比图，(a)为θ＝2730°的仿真和实测结果图，(b)为θ＝4320°的仿真和实测结果图。
具体实施方式
本发明根据上述要求，提出了基于人工表面等离激元和螺旋线结构的微波定位传感器。该微波定位传感器采用刻蚀在接地金属板上的互补螺旋线谐振结构产生传输零点，当外部金属物体附着在互补螺旋线结构上时，通过人工表面等离激元传输线传输零点在频谱上变化的规律反推出外部物体的位置，实现对电小尺度金属物体定位的能力，且具有曲面共形、可靠性强的特点，可满足对高分辨率、高精度柔性位置传感器的需求
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
基于人工表面等离激元和螺旋线结构的微波定位传感器，其结构示意图如图1，该传感器包括刻有螺旋线互补结构的接地金属板1、介质层2、人工表面等离激元传输线3及其过渡结构；刻有螺旋线互补结构的接地金属板1位于介质层2的一面，人工表面等离激元传输线3位于介质层2的另一面；螺旋线互补结构示意图如图(c)所示，当螺旋结构上附着了外部待测金属物体后如图(d)所示。待测金属物体半径d满足r<d<1.5*r，金属物体的位置信息可以通过极坐标表示。由于螺旋线极坐标(ρ，θ)中ρ可以用θ表示，所以θ可以单独表示其坐标信息。其极坐标角度和直角坐标变换关系为：
X＝r*(θ/360+1)*cos((θ/360+1)*π-0.5*π)
Y＝r*(θ/360+1)*sin((θ/360+1)*π-0.5*π)
其中，X为求解出的横坐标，Y为求解出的纵坐标。
实施实例为基于人工表面等离激元和螺旋线结构的微波定位传感器，角度范围为0°<θ<4860°，r＝0.2mm。
传感器设计所用的基片材料为Rogers 4350B，介电常数为3.66，损耗角正切为0.0037.基片厚度为0.254mm。所使用金属为0.035mm厚度的铜。整个传感器尺寸为20×50mm，互补的螺旋线结构方程为
X1＝r*rx*cos(rx*π)
Y1＝r*rx*sin(rx*π)
其中0<rx<14，r＝0.2，整个螺旋线轮廓半径不超过3mm。
所述的刻有螺旋线互补结构的接地金属板是镂空蚀刻有阿基米德螺旋线或其他类型螺旋线结构的金属接地层。
所述的介质层为单层或多层介质结构。
所述的介质层为高频电介质层。
所述的人工表面等离激元传输线包含微带输入端和输出端、均匀开槽的人工表面等离激元传输结构以及微带线与人工表面等离激元传输结构之间的过渡结构。
所述的人工表面等离激元传输线对称结构或非对称结构。
所述的过渡结构为渐变式过渡结构或采用阶梯式过渡结构、曲线渐变过渡结构
过渡结构为对称或非对称结构。
所述的刻有螺旋线互补结构的接地金属板、人工表面等离激元传输线的材料为铜、铝、金、铂、银、锌、铁或其合金。
本发明的基于人工表面等离激元和螺旋线结构的微波定位传感器的定位方法为：当外部有电小尺寸的金属物体附着在互补螺旋线上时，人工表面等离激元传输线的传输系数S21零点会发生偏移；通过观察传输系数零点在频谱上的位置变化即可实现该金属物体定位；互补螺旋线结构具有高次谐振，对应多个传输零点；根据多个传输系数零点在频谱上的位置变化，实现对电小尺寸金属物体高精度、高分辨率定位。
图2展示了CST时域求解器仿真下的传输效果图，图(a)表明当待测金属物体极坐标角度θ满足0°<θ<2460°时，谐振模式1和谐振模式2的频率都单调增加；图(b)表明当金属物体极坐标角度θ满足2460°<θ<3480°时，谐振模式1频率随物体极坐标角度继续单调递增，而谐振模式2频率随物体极坐标角度增加而单调递减；图(c)表明当金属物体极坐标角度θ满足3480°<θ<4110°时，谐振模式1频率随物体极坐标角度增加而单调递减，而谐振模式2频率随物体极坐标角度增加而单调增加；图(d)表明当金属物体极坐标角度θ满足4110°<θ<4800°时，谐振模式1频率随物体极坐标角度增加而继续单调递减，而谐振模式2频率随物体极坐标角度增加而单调减小。通过以上变化规律，表明极坐标角度和两个谐振频率之间存在一一对应关系。
图3为谐振模式1和谐振模式2的频率随着极坐标角度θ变化规律图,θ随箭头方向从0°至4800°变化。虚线为极坐标0°<θ<3480°时两个谐振频率变化规律：当极坐标角度θ不断变大时，模式1谐振频率单调增加，而模式2谐振频率先增大后减小。实线为极坐标3480°<θ<4800°时两个谐振频率变化规律：当极坐标角度θ不断变大时，模式1谐振频率单调减小，而模式2谐振频率先增大后减小。这表明，除实线和虚线交点处的两个角度，其余谐振频率和金属极坐标角度存在一一对应关系。
图4为该传感器的实测与仿真的对比结果。(a)为θ＝2160°时实测与仿真的结果，(b)为θ＝2640°时实测与仿真结果(c)为θ＝4590°时实测与仿真结果。模式1实测和仿真的谐振频率相差小于0.04GHz，模式2实测和仿真的谐振频率相差小于0.1GHz。其中，在仿真和实测中，θ＝2160°和θ＝4590°时谐振模式1频率均相同，而谐振模式2频率不同，因此可以区分两个不同位置。同样，在仿真和实测中，θ＝2160°和θ＝2640°时谐振模式2频率均相同，而谐振模式1频率不同，因此可以区分两个不同位置，实现对物体准确定位。
图5为外部金属物体位于图3中谐振模式1和谐振模式2交点对应的两个角度θ＝2730°和θ＝4320°时的仿真和实测结果。当物体位于这两个位置时，谐振模式1和谐振模式2的频率都相同，但是谐振模式2的S21参数幅值相差10dB，有明显区分度，因此可以确保待测物体位置和测得频率一一对应，实现在整个螺旋线轮廓内对待测物体进行准确定位。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于人工表面等离激元和螺旋线结构的微波定位传感器，其特征在于：该传感器包括刻有螺旋线互补结构的接地金属板（1）、介质层（2）、人工表面等离激元传输线（3）及其过渡结构；刻有螺旋线互补结构的接地金属板（1）位于介质层（2）的一面，人工表面等离激元传输线（3）位于介质层（2）的另一面；
互补螺旋线结构具有高次谐振，对应多个传输零点；根据多个传输系数零点在频谱上的位置变化，实现对电小尺寸金属物体定位；待测金属物体半径d满足r<d<1.5*r，r是螺旋线线宽，即传感器的分辨率，金属物体的位置信息通过极坐标表示；
所述的人工表面等离激元传输线(3)包含微带输入端和输出端(31)、均匀开槽的人工表面等离激元传输结构(32)以及微带线与人工表面等离激元传输结构之间的过渡结构(33)。
2.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元和螺旋线结构的微波定位传感器，其特征在于所述的刻有螺旋线互补结构的接地金属板（1）是镂空蚀刻有阿基米德螺旋线或其他类型螺旋线结构的金属接地层。
3.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元和螺旋线结构的微波定位传感器，其特征在于所述的介质层（2）为单层或多层介质结构。
4.根据权利要求3所述的基于人工表面等离激元和螺旋线结构的微波定位传感器，其特征在于所述的介质层（2）为高频电介质层。
5.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元和螺旋线结构的微波定位传感器，其特征在于所述的人工表面等离激元传输线（3）对称结构或非对称结构。
6.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元和螺旋线结构的微波定位传感器，其特征在于所述的过渡结构为渐变式过渡结构或采用阶梯式过渡结构、曲线渐变过渡结构。
7.根据权利要求6所述的基于人工表面等离激元和螺旋线结构的微波定位传感器，其特征在于过渡结构（33）为对称或非对称结构。
8.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元和螺旋线结构的微波定位传感器，其特征在于所述的刻有螺旋线互补结构的接地金属板（1）、人工表面等离激元传输线（3）的材料为铜、铝、金、铂、银、锌、铁或其合金。
9.一种如权利要求1所述的基于人工表面等离激元和螺旋线结构的微波定位传感器的定位方法，其特征在于当外部有电小尺寸的金属物体附着在互补螺旋线上时，人工表面等离激元传输线（3）的传输系数（S21）零点会发生偏移；通过观察传输系数零点在频谱上的位置变化即可实现该金属物体定位；互补螺旋线结构具有高次谐振，对应多个传输零点；根据多个传输系数零点在频谱上的位置变化，实现对电小尺寸金属物体高精度、高分辨率定位。
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
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| 基于人工表面等离激元的微波传感器设计;高小优 等;研究与开发;第1-7页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114459396A (zh) | 2022-05-10 |
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