CN206095988U - 一种基于褶皱表面平板波导结构的微波传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于褶皱表面平板波导结构的微波传感器，包括金属波导、同轴‑波导转换器和激发接收装置，所述金属波导包括平板波导和均匀设置于平板波导上表面的周期褶皱凹槽结构，所述周期褶皱凹槽结构的褶皱尺寸小于电磁波波长，所述平板波导的总长度是电磁波波长的整数倍；所述金属波导的两侧分别设置有同轴‑波导转换器，所述金属波导通过同轴‑波导转换器与激发接收装置相连接。本实用新型在形成谐振的同时，最大场强出现在金属波导结构表面，方便待测样品引入周期褶皱凹槽结构的凹槽中或是放置于平板波导表面，并增强了场与物质的相互作用，由于采用的是开放式平板波导结构，具有制作简单、易批量生产、成本低等特点。

Description

一种基于褶皱表面平板波导结构的微波传感器

技术领域

本实用新型属于微波应用技术领域，具体涉及一种利用褶皱表面平板波导结构的开放式慢波传输线，电磁波集中沿着褶皱表面平板波导表面传播，并根据传输系数的变化，来反演待测样品物理参数的一种纵向传输、横向谐振的开放式微波传感器。

背景技术

金属波导传感器一般为封闭式的结构，通常由矩形或圆形封闭空腔构成，可以看作是电磁波的良好传输线，其场主要集中在腔体内部；若需要利用其谐振特性设计传感器、进行样品检测，则需要在腔体表面开槽（或孔）才能将样品引入进行参数测量。

中国专利CN201310129819.3提供的技术方案中设计了一种人工表面等离激元的环形谐振器，由周期性排列的金属单元组成，直波导表面的电磁波耦合到圆环上传输，环绕一周后又回到直波导中继续向前传播，因此，直波导与圆环的耦合效果、圆环的结构尺寸要求对传输效率有着重要的影响。

中国专利CN201520338382.9的技术方案中设计了一种基于人工表面等离激元波的抑制邻间耦合的传输线，顺次设置了过渡段、渐近段和周期结构段三段褶皱结构，褶皱的位置上下对应，开口方向相反，解决了邻间互耦问题，能增强抗干扰能力。

中国专利CN201510682687.6的技术方案中设计了一种基于相位梯度超表面的表面等离激元平板天线, 采用波导、微带线、基片集成波导、带线作为馈电结构,将接收到的电磁波转化为沿表面传播的表面等离激元波,具有平板化、共面聚焦、高增益等优点。

中国专利CN201610183259.3的技术方案中设计了一种基于人工表面等离激元的低损耗传输线，包括共面波导、耦合结构和表面等离激元传输线三部分；表面等离激元传输线上设置有凹槽，凹槽的深度和宽度均相同，与同样大小的微带线相比，该传输线具有更低的传输损耗。

以上关于波导传感器的技术方案均为褶皱结构的一些典型应用，但其结构及制作工艺均较为复杂，不利于大规模的应用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种结构简单、易于实现，且灵敏度高、带宽大、开放式的基于褶皱表面平板波导结构的微波传感器。

本实用新型的目的是这样实现的，包括金属波导、同轴-波导转换器和激发接收装置，所述金属波导包括平板波导和均匀设置于平板波导上表面的周期褶皱凹槽结构，所述周期褶皱凹槽结构的褶皱尺寸小于电磁波波长，所述平板波导的总长度是电磁波波长的整数倍；所述金属波导的两侧分别设置有同轴-波导转换器，所述金属波导通过同轴-波导转换器与激发接收装置相连接。

本实用新型利用金属表面褶皱凹槽结构在微波频段等效介电常数为负的特征，以及在负介电常数材料与正介电常数材料分界面上将形成表面波的性质，将等效为负介电常数材料、周期分布的褶皱凹槽结构设计于平板波导的上表面，并通过同轴-波导转换器激发周期褶皱凹槽结构，将场耦合到波导表面，形成谐振；同轴-波导转换器用于实现同轴电缆传输模式与波导传输模式的相互转换；激发接收装置包括激发单元和接收单元两部分，激发单元用于产生频率可调的微波信号，接收单元用于检测金属波导的输出信号，它们共同完成环境媒质物理参数的检测。

本实用新型采用周期分布的褶皱凹槽结构形成开放式谐振腔，并通过同轴-波导转换器进行激发形成谐振，由于褶皱凹槽结构表面等效为负介电常数材料，因此在形成谐振的同时，最大场强出现在金属波导结构表面，方便待测样品引入周期褶皱凹槽结构的凹槽中或是放置于平板波导表面，并增强了场与物质的相互作用，由于采用的是开放式平板波导结构，具有制作简单、易批量生产、成本低等特点。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型中金属波导的结构示意图；

图3为图2的俯视图；

图4为图2的左视图；

图5为图2的局部放大图；

图6为使用本实用新型提供的传感器对检测样品进行测试的仿真曲线；

图中：1-金属波导、2-同轴-波导转换器、3-激发接收装置、11-周期褶皱凹槽结构、12-平板波导。

具体实施方式

如图1-图5所示，本实用新型提供的褶皱表面平板波导结构的微波传感器，包括金属波导1、同轴-波导转换器2和激发接收装置3，所述金属波导1包括平板波导12和均匀设置于平板波导12上表面的周期褶皱凹槽结构11，所述周期褶皱凹槽结构11的褶皱尺寸小于电磁波波长，所述平板波导12的总长度是电磁波波长的整数倍；所述金属波导的两侧分别设置有同轴-波导转换器2，所述金属波导1通过同轴-波导转换器2与激发接收装置3相连接。

所述周期褶皱凹槽结构11的形状为矩形或梯形，所述周期褶皱凹槽结构11竖直设置或倾斜设置，所述周期褶皱凹槽结构11的深度和宽度可调节。

所述金属波导1采用铜材制作，使用所述金属波导进行样品参数检测时，样品放置于周期褶皱凹槽结构11的凹槽中或是放置于平板波导12表面。

所述平板波导12上表面设置的周期褶皱凹槽结构11形成谐振结构，所述同轴-波导转换器2用于激发上述谐振结构。当在上述谐振结构的凹槽中引入被测物料时，该谐振结构的传输系数和幅度与被测物料的介电常数和损耗有关，被测物料的介电常数越高，则传输系数的带宽越窄，检测得到的传输系数和幅度包含了被测物料的介电常数信息和损耗信息；所述同轴-波导转换器2是SMA接头，用于连接激发接收装置3和金属波导1，所述激发接收装置3用于产生和检测扫频信号。

实施例1

采用铜材制作金属波导1，设置于平板波导是2上表面的周期褶皱凹槽结构11的凹槽宽度d=4mm，凹槽之间的间隔w=1mm，凹槽的深度h=4mm，总计设置42个周期褶皱凹槽结构11，平板波导12的总长度为5*lamda=167mm，横截面宽度m=22.56mm，高度n=15.62mm。

将介电常数分别为1.00（空气）、1.05、1.20、1.90（汽油）的物质作为被测样品放入到周期褶皱凹槽结构11的凹槽中进行测量，采用矢量网络分析仪作为激发接收装置3，产生扫频微波信号，测量其不同样品的S21传输曲线，如图6所示，结果表明，该传感器模型能较灵敏的分辨不同物质，放入样品的介电常数只要发生0.05的微小改变，将会引起S21参数带宽的明显变化，放入物质的介电常数越大，S21传输系数的带宽将会越窄，上述设计的传感器模型具有良好的传感特性，具有实际应用价值。

上面结合附图对本实用新型的实施方式进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出许多形式，这均属于本实用新型的保护之内。

Claims (3)

1.一种基于褶皱表面平板波导结构的微波传感器，其特征在于，包括金属波导（1）、同轴-波导转换器（2）和激发接收装置（3），所述金属波导（1）包括平板波导（12）和均匀设置于平板波导（12）上表面的周期褶皱凹槽结构（11），所述周期褶皱凹槽结构（11）的褶皱尺寸小于电磁波波长，所述平板波导（12）的总长度是电磁波波长的整数倍；所述金属波导的两侧分别设置有同轴-波导转换器（2），所述金属波导（1）通过同轴-波导转换器（2）与激发接收装置（3）相连接。

2.根据权利要求1所述的基于褶皱表面平板波导结构的微波传感器，其特征在于所述周期褶皱凹槽结构（11）的形状为矩形或梯形，所述周期褶皱凹槽结构（11）竖直设置或倾斜设置，所述周期褶皱凹槽结构（11）的深度和宽度可调节。

3.根据权利要求1所述的基于褶皱表面平板波导结构的微波传感器，其特征在于所述金属波导（1）采用铜材制作，使用所述金属波导进行样品参数检测时，样品放置于周期褶皱凹槽结构（11）的凹槽中或是放置于平板波导（12）表面。