CN114660365A - 一种基于双互补开环的表面传感器的5g双频段介电常数无损测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于双互补开环的表面的双频段5G介电常数无损测量方法。该传感器结构由介质层、微带线层和类双圆环GND层三部分组成，该传感器可实现在通信频率2‑2.8GHz和3.5‑5GHz两个5G频带对各个物体进行介电常数的测量。本发明采用双SMA接口，可直接用矢量网络分析仪接入测量。本发明测量精准度高、测量方便，不会对被测样品造成损耗。同时，本发明还有着体积较小、结构简单，加工成本低、测量范围适配好等优势。本发明所阐述的一种基于互补开环的表面传感器的5G双频段无损介电常数测量方法可以广泛应用于5G通信和5G关键器件制造等领域。

Description

一种基于双互补开环的表面传感器的5G双频段介电常数无损 测量方法
技术领域
本发明属于射频和微波工程领域，具体是一种基于互补开环的表面传感器的5G双频段介电常数无损测量方法。
背景技术
介电常数是射频和微波工程中材料最重要的参数之一。任何微波平面电路的响应都大大受基板中所用材料的介电性能影响。为了对复杂的微波设备进行建模，必须先了解所用材料的介电常数。因此，准确测定材料的介电常数是射频和微波工程领域的重要任务。除了在微波工程中，其他诸如食品，医疗保健、国防、农业等各个领域，也需要对介电常数进行精确测量来加以应用。
目前已经有几种不同的材料的介电特性测量技术，用于测量被测材料的介电常数。这些方法可以大致分为自由空间方法，传输线方法和共振方法。然而这些方法目前都存在着对样品要求高、测试频段少等缺点。因此，在多频段中对被测样品进行介电常数的无损精确测量有着非常重要且广泛的应用价值和创新意义。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于互补开环的表面传感器的5G双频段介电常数无损测量方法，可工作在2-2.8GHz和3.5-5GHz两个5G频带，以此实现对各种材料在多个5G频段下介电常数的无损精确测量。本发明采用双SMA接口，可直接用矢量网络分析仪接入测量。本发明测量精准度高、测量方便，不会对被测样品造成损耗。同时，本发明还有着体积较小、结构简单，加工成本低、测量范围适配好等优势。
技术方案：为了实现本发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于CSRR表面传感器的5G双频段介电常数无损测量方法，该传感器结构由介质层、微带线层和类双圆环GND层三部分组成，其特征在于,所述从下到上依次包括GND层（3）、介质层（2）、微带线层（1）。其中所述GND层用于和贴片层激励形成等效电路，并通过与被测样品接触来测量样品的介电常数；所述介质层用于形成类LC谐振腔体；所述微带线层使得高频信号能进行较有效地传输，并且使信号输出端与负载很好地匹配。
进一步的，所述GND层（3）包括由类似4个圆环蚀刻做成的双互补开环的结构，所述的双CSRR结构层用于与不同的被测样品形成微变的等效电路。
进一步的，所述GND层(3)和微带线层（1）的厚度为0mm-0.02mm,金属材料可为金、银、铜等，也可以是具有与金、银、铜相当导电率的导电材料。
进一步的，所述的介质层（2）尺寸为80mm×26mm×0.73mm，且可在该尺寸的基础上上下浮动0.05mm。材料采用介电常数为4.9的FR4材料，损耗正切值为0.02。
进一步的，所述微带线层为一条从介质层纵向中间位置穿过的微带线，其尺寸为80mm×1.5mm。
进一步的，所述GND层(3)为一块蚀刻双互补开环的矩形金属。其中左边的互补开环分别蚀刻两个圆环，较小圆环的内圆半径为6.01mm，外圆半径为6.39mm；较大圆环的内圆半径为6.61mm，外圆半径为7mm；右边的互补开环结构同样分别蚀刻两个圆环，较小圆环的内圆半径为3mm，外圆半径为3.2mm；较大圆环的内圆半径为3.3mm，外圆半径为3.5mm。
进一步的，所述的左侧互补开环结构在外圆环的顶端和内圆环的顶端分部蚀刻两条狭缝，其中内外圆环的狭缝为0.22mm。
进一步的，所述的右侧的互补开环结构在外圆环的顶端和内圆环的顶端分部蚀刻两条狭缝，其中内外圆环的狭缝为0.11mm。
进一步的，所述一种基于双互补开环的表面传感器的5G双频段介电常数无损测量方法具备两个测量频带，其中一个频带在2-2.8GHz范围内，剩余一个频带在3.5-5GHz范围内。
进一步的，所述一种基于双互补开环的表面传感器的5G双频段介电常数无损测量方法对不同介电常数的被测物反应敏感，测量精度可以达到±0.03之内。
本发明设计通过等效电路的方法对传感器整体尺寸，GND蚀刻形状与尺寸和介质的厚度进行设计，可用同一电路对工作于不同频带的传感器测量结构进行设计。
附图说明
图1为本发明一种基于双互补开环的表面的5G双频段介电常数无损测量传感器的三维结构示意图；
图2为本发明一种基于双互补开环的表面的5G双频段介电常数无损测量传感器的俯视图；
图3为本发明一种基于双互补开环的表面的5G双频段介电常数无损测量传感器的CSRR结构的平面示意图；
图4为本发明一种基于双互补开环的表面的5G双频段介电常数无损测量传感器的CSRR结构的等效电路图；
图5 为本发明一种基于双互补开环的表面的5G双频段介电常数无损测量传感器在空载状态下的S21参数曲线图；
图6为本发明一种基于双互补开环的表面传感器的5G双频段介电常数无损测量方法在2-2.8GHz下的中心频率与介电常数拟合图；
图7为本发明一种基于双互补开环的表面传感器的5G双频段介电常数无损测量方法在3-3.5GHz下的中心频率与介电常数拟合图。
具体实施方式
本发明为一种基于双互补开环的表面传感器的5G双频段介电常数无损测量方法，下面将结合附图和技术方案对本发明作更为详尽的说明。
此种基于双互补开环的表面的5G双频段介电常数无损测量传感器，由三维结构如图1所示。从下到上依次包括GND层（3）、介质层（2）、微带线层（1）。其中介质层用于形成类LC谐振腔体；所述GND层用于和贴片层激励形成等效电路，并通过与被测样品接触来测量样品的介电常数，如图2所示；微带线层使得高频信号能进行较有效地传输，并且使信号输出端与负载很好地匹配。
工作原理：本发明的基于双互补开环的表面传感器设计由回路和分割回路的间隙两部分组成，如图3所示。在此结构下，可以看出如图4所示的等效电路，回路中的环路电流产生的电感和的间隙形成的等效电容共同作用，因此该结构会产生谐振。因为互补开环结构对应的等效电容的变化会受到被测物介电常数的变化，而互补开环结构对应的的等效电感却基本不变，所以通过微带线分别激励左侧和右侧的互补开环结构，会使得互补开环结构的激励电场发生变化。根据使用HFSS的时域求解器对设计的传感器进行了仿真，计算了包括S21传输系数中心频率，得到不同介电常数的样品对应的谐振频率，并将其与介电常数进行函数拟合，从而得到一种高灵敏度测量样品介电常数的方法。
如图5所示，本发明的设计的两种互补开环结构均会在微带线的激励下产生变化，分别对应两个不同的5G频带。左侧的互补开环结构对应的是2-2.8GHz，右侧的互补开环结构对应的是3.5-5GHz。
如图6所示，当左侧互补开环空载时，不同介电常数的样品在较高频段时的频率变化，此时S21特性曲线的中心频率在在3.5-5GHz之间，对应5G中n77-n79三个频段。
如图7所示，当右侧互补开环空载时，不同介电常数的样品在较低频段时的频率变化，此时S21特性曲线的中心频率在在2-2.7GHz之间，对应5G的n7、n38和n41三个频段。

Claims (9)

1.一种基于双互补开环表面的传感器的5G双频段介电常数无损测量方法，该传感器结构由介质层、微带线层和类双圆环GND层三部分组成，其特征在于，所述从下到上依次包括GND层（3）、介质层（2）、微带线层（1）其中所述介质层用于形成类LC谐振腔体；所述GND层用于和贴片层激励形成等效电路，并通过与被测样品接触来测量样品的介电常数；所述微带线层使得高频信号能进行较有效地传输，并且使信号输出端与负载很好地匹配。
2.根据权利要1所述的种基于双互补开环的表面传感器的5G双频段介电常数无损测量方法，所述GND层包括由类似4个圆环蚀刻做成的双互补开环结构，所述的双CSRR结构层用于与不同的被测样品形成微变的等效电路。
3.根据权利要求1所述的一种基于双互补开环的表面传感器的5G双频段介电常数无损测量方法，其特征在于，所述GND层(1)和微带线层（2）的厚度为0-0.02mm,金属材料可为金、银、铜等，也可以是具有与金、银、铜相当导电率的导电材料。
4.根据权利要求3所述的微带线层，其特质在于，所述微带线层为一条从介质层纵向中间位置穿过的微带线，其尺寸为80mm×1.5mm。
5.根据权利要求3所述的一种基于双互补开环的表面传感器的5G双频段介电常数无损测量方法，其特征在于所述的介质层（3）尺寸为80mm×26mm×0.73mm，且可在该尺寸的基础上上下浮动0.05mm；材料采用介电常数为4.9的FR4材料，损耗正切值为0.02。
6.根据权利要求1所述的基于双互补开环的表面传感器的5G双频段介电常数无损测量方法，其特征在于，所述的GND层(1)为一块蚀刻双互补开环的的矩形金属，其中左边的互补开环结构分别蚀刻两个圆环，较小圆环的内圆半径为6.01mm，外圆半径为6.39mm；较大圆环的内圆半径为6.61mm，外圆半径为7mm；右边的互补开环结构同样分别蚀刻两个圆环，较小圆环的内圆半径为3mm，外圆半径为3.2mm；较大圆环的内圆半径为3.3mm，外圆半径为3.5mm；
根据权利要求6所述的左侧双互补开环结构，其特征在于，所述的左侧互补开环结构在外圆环的顶端和内圆环的顶端分部蚀刻两条狭缝，其中内外圆环的狭缝为0.22mm。
7.根据权利要求6所述的右侧互补开环的结构，其特征在于，所述的右侧互补开环结构在外圆环的顶端和内圆环的顶端分部蚀刻两条狭缝，其中内外圆环的狭缝为0.11mm。
8.根据权利要求1所述的一种基于双互补开环的表面传感器的5G双频段介电常数无损测量方法，其特征在于，所述的一种基于双互补开环的表面传感器的5G双频段介电常数无损测量方法具备两个测量频带，其中一个频带在2-2.8GHz范围内，剩余一个频带在3.5-5GHz范围内。
9.根据权利要求1所述的一种基于双互补开环的表面传感器的5G双频段介电常数无损测量方法，其特征在于，所述的一种基于双互补开环的表面传感器的5G双频段介电常数无损测量方法对不同介电常数的被测物反应敏感，测量精度可以达到±0.03之内。
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