CN115236143A - 一种加载互补曲线环谐振器结构的平面微波传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种加载互补曲线环谐振器结构的平面微波传感器，包括复合板，所述复合板包括基板、固定在基板底面的覆铜层以及固定在基板顶面的传输线覆铜层，所述传输线覆铜层中部设置有用于放置待测高频板的测量区域，测量区域开设有用于形成电场的曲线环凹槽，所述测量区域两侧对称设置有限制能量向外部泄漏的若干金属通孔。采用上述结构的一种加载互补曲线环谐振器结构的平面微波传感器，测量区域开设有用于形成电场的曲线环凹槽，有效提升了测量区域的电场强度，金属通孔的设置减少了传输信号能量的泄露，使得其具有更高的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及微波测量及传感技术领域，尤其是涉及一种加载互补曲线环谐振器结构的平面微波传感器。
背景技术
介电常数是表征电介质材料电性能的一个重要参数。在微波电路中，电路基板介电常数的大小影响着信号的传输速率，同时也决定着电路的特性阻抗值，对于介电常数的精确测量有助于实现电磁系统的精确建模和设计。传统测量介电常数的方法受限于测量装置复杂、检测成本高等因素，使得测量过程繁琐，且耗费较高。
近年来，由于微波测量具有实时性、无损性、低成本等特点，微波传感器已经广泛应用于生物医学、浓度检测、固体与液体质量检测等领域。许多研究者选择采用微波平面谐振法测量材料介电常数，平面谐振法测量简单，易于加工制作，测量精度高。当待测物品放置在谐振区域时，谐振区域的电场将产生扰动，进而引起谐振频率的位移，通过谐振频率的变化得到待测物的介电常数值。
Sreedevi P.Chakyar等提出了一种采用分环谐振器(SRR)超材料结构的微波传感器，对材料介电常数进行了测量，但测量精确度不高。文献Yeo J,Lee J-I.Meander-LineSlot-Loaded High-Sensitivity Microstrip Patch Sensor Antenna for RelativePermittivity Measurement[J].Sensors,2019,19(21):4660-4675.中通过加载曲线槽结构的高灵敏度微带贴片传感器，与传统的矩形贴片结构相比，其具有更高的灵敏度，但是测量样品尺寸体积较大。因此，样品小型化与高精度测量成为当今技术所需要解决的难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种加载互补曲线环谐振器结构的平面微波传感器，具有更高的灵敏度，达到低成本、快速、准确测量材料特性目的。
为实现上述目的，本发明提供了一种加载互补曲线环谐振器结构的平面微波传感器，包括复合板，所述复合板包括基板、固定在基板底面的覆铜层以及固定在基板顶面的传输线覆铜层，所述传输线覆铜层中部设置有用于放置待测高频板的测量区域，测量区域开设有用于形成电场的曲线环凹槽，所述测量区域两侧对称设置有限制能量向外部泄漏的若干金属通孔。
优选的，所述曲线环凹槽包括第一环形槽、位于所述第一环形槽内侧的第二环形槽、位于所述第二环形槽内侧的第三环形槽、第一矩形槽以及第二矩形槽，所述第一环形槽、所述第二环形槽以及所述第三环形槽均设置有缺口，所述第一环形槽的缺口一端与所述第二环形槽的缺口一端通过第一矩形槽相连接，所述第二环形槽的缺口另一端与所述第三环形槽的缺口一端通过第二矩形槽相连接，所述第一矩形槽和所述第二环形槽平行设置，所述第一环形槽与所述第二环形槽之间和所述第二环形槽与所述第三环形槽之间均设置有间隙。
优选的，所述第一环形槽的缺口宽度Wc＝1mm-2mm，所述第一环形槽、所述第二环形槽以及所述第三环形槽的环间宽度R0＝0.5mm-1.5mm，所述第一环形槽最外侧与圆点的距离R1＝6mm-8mm,所述第二环形槽最外侧与圆点的距离为R2＝4mm-6mm,所述第三环形槽与圆点的距离为R3＝2mm-4mm。
优选的，所述复合板两端均设置有用于连接矢量网络分析仪的SAM连接头，所述传输线覆铜层上的传输线两端分别与两端的所述SAM连接头相连接。
优选的，所述传输线的线宽WP＝4.2mm-4.4mm。
优选的，所述基板为Rogers4350板材，若干所述金属通孔贯穿Rogers4350板材、覆铜层以及传输线覆铜层。
优选的，所述金属通孔内径d＝0.8mm-1.2mm，相邻所述金属通孔的间隙p不大于2mm，沿所述传输线覆铜层的传输方向的若干所述金属通孔的长度距离WSiw＝18.3mm-18.7mm。
优选的，所述复合板的顶面沿传输方向的侧边尺寸为L＝50mm-58mm，所述复合板的顶面与传输方向相垂直的侧边尺寸为W＝32mm-40mm。
因此，本发明采用上述结构的一种加载互补曲线环谐振器结构的平面微波传感器，所述传输线覆铜层中部设置有用于放置待测高频板的测量区域，测量区域开设有用于形成电场的曲线环凹槽，有效提升了测量区域的电场强度，所述测量区域两侧对称设置有限制能量向外部泄漏的若干金属通孔，使得具有更高的灵敏度。当不同介电常数值的材料加载到测量区域时，通过SAM连接头连接的矢量网络分析仪上将会呈现出不同的谐振频点，随着介电常数的增加谐振频率将不断减小，通过材料介电常数与谐振频点的经验关系式得到待测材料的介电常数值，该测量方法灵敏度高，测试方法简单快速，在测量材料介电特性领域具有较高的应用前景。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明传感器主体结构示意图；
图2为本发明传输线及覆铜层结构示意图；
图3为本发明曲线环凹槽结构尺寸示意图；
图4为本发明曲线环凹槽组成结构示意图；
图5为本发明传感器空载时的谐振频率图；
图6为本发明加载材料介电损耗角正切tan值为0-0.01时的谐振频率图；
图7为本发明加载材料介电常数为1-10时的谐振频率图；
图8为本发明加载材料的介电常数与传感器谐振频率的拟合曲线图。
附图标记
1、传输线；2、基板；3、曲线环凹槽；301、第一环形槽；302、第二环形槽、303、第三环形槽、304、第一矩形槽、305、第二矩形槽；4、金属通孔；5、SMA接头；6、覆铜层。
具体实施方式
实施例
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明传感器主体结构示意图，图2为本发明传输线及覆铜层结构示意图，图3为本发明曲线环凹槽结构尺寸示意图，图4为本发明曲线环凹槽组成结构示意图，如图1-4所示，一种加载互补曲线环谐振器结构的平面微波传感器，包括复合板，复合板包括基板2、固定在基板2底面的覆铜层6以及固定在基板2顶面的传输线覆铜层，基板2为Rogers4350板材，该材料具有优秀的介电性能，被广泛应用于电子电路制造以及微波器件设计中，传输线覆铜层上设置有传输线1，复合板的顶面沿传输方向的侧边尺寸为L＝50mm-58mm，复合板的顶面与传输方向相垂直的侧边尺寸为W＝32mm-40mm，复合板的厚度为0.508mm。
传输线覆铜层中部设置有用于放置待测高频板的测量区域，测量区域刻蚀有用于形成电场的曲线环凹槽3，曲线环凹槽3包括第一环形槽301、位于第一环形槽301内侧的第二环形槽302、位于第二环形槽302内侧的第三环形槽303、第一矩形槽304以及第二矩形槽305。第一环形槽301、第二环形槽302以及第三环形槽303均设置有缺口，第一环形槽301的缺口一端与第二环形槽302的缺口一端通过第一矩形槽304相连接，第二环形槽302的缺口另一端与第三环形槽303的缺口一端通过第二矩形槽305相连接，第一矩形槽304和第二环形槽305平行设置，使得传感器与待测物的接触面积更广。第一环形槽301与第二环形槽302之间和第二环形槽302与第三环形槽303之间均设置有间隙。第一环形槽301的缺口宽度Wc＝1mm-2mm，第一环形槽301、第二环形槽302以及第三环形槽303的环间宽度R0＝0.5mm-1.5mm，第一环形槽301最外侧与圆点的距离R1＝6mm-8mm,第二环形槽302最外侧与圆点的距离为R2＝4mm-6mm,第三环形槽303与圆点的距离为R3＝2mm-4mm。
测量区域两侧对称设置有限制能量向外部泄漏的若干金属通孔4。若干金属通孔4贯穿Rogers4350板材、覆铜层6以及传输线覆铜层。金属通孔4内径d＝0.8mm-1.2mm，相邻金属通孔4的间隙p不大于2mm，沿传输线覆铜层的传输方向的若干金属通孔4的长度距离WSiw＝18.5mm。金属通孔4的设置有效减少了能量从测试区域的泄露，使得测量区域的场强更加集中，提高了传感器的测量效果以及测量的灵敏度。
复合板两端均设置有用于连接矢量网络分析仪的SAM连接头5，传输线覆铜层上的传输线1两端分别与两端的SAM连接头5相连接。矢量网络分析仪上可以获取S21参数以及谐振频率值，传输线的线宽WP＝4.3mm，用于匹配传感器阻抗。
本实施例的工作过程如下：
如图5可知，传感器在未加载测试材料时的谐振频率为3.51GHz。
如图6可知，当传感器加载材料介电常数值为1-10时的谐振频率图，所对应的谐振频率值从3.51GHz变化为2.31GHz,总位移量为1200MHz，可以看出传感器加载不同介电常数值材料时具有很高的灵敏度。
如图7可知当所加载材料的介电常数值相同而介电损耗角正切值tan从0-0.01进行变化时，传感器的谐振频率保持不变，但传感器的S21随着tan值的增大而不断增大。
如图6可知材料介电常数与传感器谐振频率的关系拟合曲线图，通过将材料的介电常数值与所对应的谐振频率进行数据拟合，得到了介电常数与传感器谐振频率的经验关系式：
ε′＝3.75(f-1)2-21.8(f-1)+32.16
其中ε′为介电常数，f为谐振频率。
如图8可知测试结果与经验关系式之间有着极高的匹配度，很好地证明了利用该传感器测量材料介电常数的可行性。
因此，本发明采用上述结构的一种加载互补曲线环谐振器结构的平面微波传感器，在传输信号的作用下，传输线覆铜层的环形凹槽间形成电场，此时将待测物品放置在测量区域，在矢量网络分析仪上得到该待测物品的谐振频率，不同介电常数值的材料加载到测量区域时，矢量网络分析仪上将会呈现出不同的谐振频点，随着介电常数的增加谐振频率将不断减小，根据材料介电常数与谐振频点的经验关系式得到待测材料的介电常数值。该测量方法灵敏度高，测试方法简单快速，在测量材料介电特性领域具有较高的应用前景。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种加载互补曲线环谐振器结构的平面微波传感器，其特征在于：包括复合板，所述复合板包括基板、固定在基板底面的覆铜层以及固定在基板顶面的传输线覆铜层，所述传输线覆铜层中部设置有用于放置待测高频板的测量区域，测量区域开设有用于形成电场的曲线环凹槽，所述测量区域两侧对称设置有限制能量向外部泄漏的若干金属通孔。
2.根据权利要求1所述的一种加载互补曲线环谐振器结构的平面微波传感器，其特征在于：所述曲线环凹槽包括第一环形槽、位于所述第一环形槽内侧的第二环形槽、位于所述第二环形槽内侧的第三环形槽、第一矩形槽以及第二矩形槽，所述第一环形槽、所述第二环形槽以及所述第三环形槽均设置有缺口，所述第一环形槽的缺口一端与所述第二环形槽的缺口一端通过第一矩形槽相连接，所述第二环形槽的缺口另一端与所述第三环形槽的缺口一端通过第二矩形槽相连接，所述第一矩形槽和所述第二环形槽平行设置，所述第一环形槽与所述第二环形槽之间和所述第二环形槽与所述第三环形槽之间均设置有间隙。
3.根据权利要求2所述的一种加载互补曲线环谐振器结构的平面微波传感器，其特征在于：所述第一环形槽的缺口宽度Wc＝1mm-2mm，所述第一环形槽、所述第二环形槽以及所述第三环形槽的环间宽度R0＝0.5mm-1.5mm，所述第一环形槽最外侧与圆点的距离R1＝6mm-8mm,所述第二环形槽最外侧与圆点的距离为R2＝4mm-6mm,所述第三环形槽与圆点的距离为R3＝2mm-4mm。
4.根据权利要求3所述的一种加载互补曲线环谐振器结构的平面微波传感器，其特征在于：所述复合板两端均设置有用于连接矢量网络分析仪的SAM连接头，所述传输线覆铜层上的传输线两端分别与两端的所述SAM连接头相连接。
5.根据权利要求4所述的一种加载互补曲线环谐振器结构的平面微波传感器，其特征在于：所述传输线的线宽WP＝4.2mm-4.4mm。
6.根据权利要求5所述的一种加载互补曲线环谐振器结构的平面微波传感器，其特征在于：所述基板为Rogers4350板材，若干所述金属通孔贯穿Rogers4350板材、覆铜层以及传输线覆铜层。
7.根据权利要求6所述的一种加载互补曲线环谐振器结构的平面微波传感器，其特征在于：所述金属通孔内径d＝0.8mm-1.2mm，相邻所述金属通孔的间隙p不大于2mm，沿所述传输线覆铜层的传输方向的若干所述金属通孔的长度距离WSiw＝18.3mm-18.7mm。
8.根据权利要求7所述的一种加载互补曲线环谐振器结构的平面微波传感器，其特征在于：所述复合板的顶面沿传输方向的侧边尺寸为L＝50mm-58mm，所述复合板的顶面与传输方向相垂直的侧边尺寸为W＝32mm-40mm。
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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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