CN209606521U - 一种测量介电常数的六边形互补开口谐振环微带传感器 - Google Patents
一种测量介电常数的六边形互补开口谐振环微带传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种测量介电常数的六边形互补开口谐振环微带传感器，包括微带线，所述微带线由介质基片、固定于所述介质基片一侧的导体信号线、固定于所述介质基片另一侧的金属接地平面构成，所述金属接地平面上蚀刻有六边形互补开口谐振环。本实用新型采用上述结构的一种测量介电常数的六边形互补开口谐振环微带传感器，利用矢量网络分析仪测量谐振频率，实现介电常数的间接测量，具有体积小、质量轻、成本低、无损测量、测量精度高以及便于样本制备的优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及微波测量技术领域，尤其是涉及一种测量介电常数的六边形互补开口谐振环微带传感器。
背景技术
介电常数是表征物质电学特性的物理量。目前，用于材料介电常数测量的主要方法有谐振腔法、传输反射法和自由空间法。谐振法就是将待测样品放置在谐振腔中，使腔的谐振特性发生变化，然后利用样品介电特性与腔谐振特性之间的关系来确定介质材料的介电常数。谐振腔测量方法准确度比较高，适合于对低损耗材料的介电常数测量。但由于腔中存在多种工作模式，为了实现材料介电常数的高精度测量，介质材料的结构尺寸和耦合装置必须进行精确的设计。谐振腔只能在窄带范围内保证其测量的准确性，另外还要求待测样品的物理尺寸较小。传输反射法就是将待测样品放到同轴传输线或波导中，当电磁波在传输线中传输遇到待测物样品时，一部分会直接透射过去而另一部分则被反射回来。在这个过程中同时伴随着能量的衰减和相移。利用矢量网络分析仪的扫频功能测得反射系数和透射系数，根据这两个系数反演出各个电磁参量的数值。其优点为测量方法简单、具有较高测量精度、测量频率的范围为全频段。主要适用于低损材料，且对同轴线系统和波导系统都适用。不足是在没有先验对比情况下测量结果的正确性难以确定，误差无法进行准确分析。此外特性阻抗和传输系数都是直接由散射参数得到的，因此由散射参数测量而产生的误差也无法避免。自由空间法主要用于毫米波频段介电常数的测量。待测物放置在两个天线中间或一个天线前方，通过测量传输系数和反射系数获取介电常数。自由空间法可以在很广的范围内使用，包括对气体、液体和固体样品电磁参量的测量。其主要的特点是可以满足在高温条件、非均匀物质、非接触测量条件下保证待测样品无损坏。尤其适合于在高频范围内实现对高损耗材料的测量。自由空间法还具有很大的灵活性，能够随意地改变入射电磁波的极化方向和入射角度，适合于测量复合材料的电磁参数。其主要缺点是在样品边缘会发生衍射效应和喇嘛天线的多重反射问题，且需要使用昂贵的聚焦透镜天线测量成本高。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种测量介电常数的六边形互补开口谐振环微带传感器，具有体积小、质量轻、成本低、无损测量、测量精度高以及便于样本制备的优点。
为实现上述目的，本实用新型提供了一种测量介电常数的六边形互补开口谐振环微带传感器，包括微带线，所述微带线由介质基片、固定于所述介质基片一侧的导体信号线、固定于所述介质基片另一侧的金属接地平面构成，所述金属接地平面上蚀刻有六边形互补开口谐振环。
优选的，待测样本与所述金属接地平面相贴设置，所述待测样本覆盖所述六边形互补开口谐振环。
优选的，所述六边形互补开口谐振环由内侧谐振环和外侧谐振环组成，所述内侧谐振环和所述外侧谐振环均具有开口，两个所述开口互补设置。
优选的，所述微带线两端与同轴连接器相连接。
因此，本实用新型采用上述结构的一种测量介电常数的六边形互补开口谐振环微带传感器，利用矢量网络分析仪测量谐振频率，实现介电常数的间接测量；采用六边形互补开口谐振环结构具有体积小、质量轻、成本低、无损测量以及便于样本制备的优点，同时将比较原有结构即四边形结构的微带传感器，具有较高的测量精度和品质因数。
下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本实用新型金属接地平面底面结构示意图；
图2为本实用新型一种测量介电常数的六边形互补开口谐振环微带传感器立体结构示意图；
图3为本实用新型一种测量介电常数的六边形互补开口谐振环微带传感器侧视图；
图4为本实用新型的等效电路图；
图5为本实用新型在不同待测样本厚度时，谐振频率的负二次方与介电常数线性关系折线图。
图6是本实用新型与传统的四边形谐振环微带传感器在不同介电常数下谐振频率偏移量的对比图。
图7为本实用新型与传统的四边形谐振环微带传感器品质因数的对比图。
图8为蚀刻四边形互补开口谐振环的金属接地平面结构示意图。
附图标记
1、导体信号线；2、介质基片；3、金属接地平面；4、六边形互补开口谐振环；41、外侧谐振环；42、内侧谐振环；5、待测样本。
具体实施方式
实施例
图1为本实用新型金属接地平面底面结构示意图，图2为本实用新型一种测量介电常数的六边形互补开口谐振环微带传感器立体结构示意图，图3为本实用新型一种测量介电常数的六边形互补开口谐振环微带传感器侧视图，如图所示，一种测量介电常数的六边形互补开口谐振环微带传感器包括微带线，微带线由介质基片2、固定于介质基片2一侧的导体信号线1、固定于介质基片2另一侧的金属接地平面3构成，金属接地平面3上蚀刻有六边形互补开口谐振环(CSRR)4。六边形互补开口谐振环4由内侧谐振环42和外侧谐振环41组成，内侧谐振环42和外侧谐振环41均具有开口，两个开口互补设置，如图1所示。
图4为本实用新型的等效电路图，如图4所示，当六边形互补开口谐振环微带传感器满足谐振条件时，谐振频率为
其中，fr为传感器的谐振频率；C是微带线和CSRR间的耦合电容；Lc和Cc分别代表CSRR的等效电感和等效电容。
利用CSRR的等效电容Cc的变化来反映待测样品介电常数的变化。微带线的金属接地平面3将空间分成两部分，第一部分位于接地平面上方，电容为固定值，用Csubstrate表示，第二部分在金属接地平面3以下，在进行材料介电常数的测量时，待测样本5紧贴金属接地平面3放置并完全覆盖CSRR，电容用Csample表示，其电容的大小与待测样品的介电常数成正比。由于电容值Csample和Csubstrate为并联关系，所以总电容可以写为式
Cc＝Csample+Csubstrate，
除了铁磁质外，其它媒质的μr均近似为1，因此待测样本的是否加载，并不影响电感Lc的变化。一旦传感器的结构确定，电感Lc、电容C和Csubstrate均为固定值，谐振频率只与待测样本的电容Csample有关，根据电容的表达式
其中：ε0为真空中绝对介电常数；εr为待测样本的相对介电常数；S为待测样本平行于金属接地平面3的横截面积；k是静电力常量；d是待测样本的厚度。
由上式可知，待测样本的电容与样本的介电常数εr成线性关系，则电容Cc也与待测样本介电常数成线性关系，待测样本的相对介电常数用εsample表示。
由上述可知，fr -2与εsample存在线性关系。
因此，在实际测量时，通过测量传感器的谐振频率就可反推出待测样品的介电常数，从而实现其传感性能。
与传统的四边形CSRR结构相比，相同尺寸的六边形结构具有更高的品质因数和测量精度，如图6和7所示，当待测样品的厚度为5mm时，介电常数每从1增加到10，对应的四边形CSRR微带谐振传感器谐振频率变化为703MHz，而六边形CSRR的谐振频率的变化量约为1GHz。相较于四边形CSRR微带谐振传感器，六边形结构的频率偏移量提高了约42％，大大提高了测量精度。同样，六边形CSRR微带传感器的品质因数较四边形结构有所提高。
保持其他参数不变，将待测样本的厚度设置为1mm，分别设置介电常数从1变化到10，由仿真结果可知，随着介电常数的增大，谐振频率减小。这是因为介电常数的增大导致样本电容Csample增大，即电容Cc增大，电容增大，谐振频率相应减小。
如图5所示，分别在不同待测样本样品厚度下，改变样本介电常数的实部从1变化到10，得到不同样品厚度下，谐振频率的负二次方与介电常数之间的关系，结果表明，在不同样品厚度下，fr -2均与εsample存在线性关系，厚度的改变将影响线性关系的斜率值。随着厚度的增大，斜率值增大，这就意味着，当待测样本的厚度较大时，介电常数实部值的变化对谐振频率的影响大，传感灵敏度高，测量准确度高。当厚度d≥5mm时，厚度的变化对斜率值的影响不大。因此，可选择5mm待测样本，一方面便于加工制造，另一方面能够保证较高的测量精度。
基于以上分析，当待测样本厚度为5mm时，得到计算介电常数的数学解析式，
其中，εsample为待测样本的介电常数值；fr为传感器的谐振频率。
综上所述，当加载待测样本的CSRR传感器两侧连接矢量网络分析仪，通过测量传感器的传输系数，得到谐振频率fr，由式上式即可以实现待测样本介电常数的测量。
在测量时，待测样本5与金属接地平面3相贴设置，待测样本5覆盖六边形互补开口谐振环4。微带线两端与同轴连接器相连并经微波电缆连接用于测量谐振频率的矢量网络分析仪，采集矢量网络分析仪的测量传输系数得到谐振频率值fr，从而计算得出待测样本5的介电常数。
因此，本实用新型采用上述结构的一种测量介电常数的六边形互补开口谐振环微带传感器，利用矢量网络分析仪测量谐振频率，实现介电常数的间接测量；采用六边形互补开口谐振环结构具有体积小、质量轻、成本低、无损测量以及便于样本制备的优点，同时将比较原有结构即四边形结构的微带传感器，具有较高的测量精度和品质因数。
以上是本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围不应局限于此。任何熟悉本领域的技术人员在本实用新型所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内，因此本实用新型的保护范围应以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种测量介电常数的六边形互补开口谐振环微带传感器，包括微带线，其特征在于：所述微带线由介质基片、固定于所述介质基片一侧的导体信号线、固定于所述介质基片另一侧的金属接地平面构成，所述金属接地平面上蚀刻有六边形互补开口谐振环。
2.根据权利要求1所述的一种测量介电常数的六边形互补开口谐振环微带传感器，其特征在于：待测样本与所述金属接地平面相贴设置，所述待测样本覆盖所述六边形互补开口谐振环。
3.根据权利要求1所述的一种测量介电常数的六边形互补开口谐振环微带传感器，其特征在于：所述六边形互补开口谐振环由内侧谐振环和外侧谐振环组成，所述内侧谐振环和所述外侧谐振环均具有开口，两个所述开口互补设置。
4.根据权利要求1所述的一种测量介电常数的六边形互补开口谐振环微带传感器，其特征在于：所述微带线两端与同轴连接器相连。
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