CN213184568U - 基于分形微带天线的物质组分微小变化的检测装置 - Google Patents
基于分形微带天线的物质组分微小变化的检测装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN213184568U CN213184568U CN202021297239.7U CN202021297239U CN213184568U CN 213184568 U CN213184568 U CN 213184568U CN 202021297239 U CN202021297239 U CN 202021297239U CN 213184568 U CN213184568 U CN 213184568U
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- fractal
- microstrip antenna
- microstrip
- microstrip line
- power divider
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 18
- 239000000126 substance Substances 0.000 title claims description 13
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 22
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 17
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 14
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 8
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 claims description 9
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 8
- 238000003491 array Methods 0.000 claims description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 14
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 5
- 239000011344 liquid material Substances 0.000 abstract description 2
- 239000011343 solid material Substances 0.000 abstract description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 10
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 5
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 238000003889 chemical engineering Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- GBMDVOWEEQVZKZ-UHFFFAOYSA-N methanol;hydrate Chemical compound O.OC GBMDVOWEEQVZKZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000009774 resonance method Methods 0.000 description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 238000011897 real-time detection Methods 0.000 description 1
- 238000001028 reflection method Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Waveguide Aerials (AREA)
- Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
Abstract
本实用新型属于微波电路领域，具体涉及一种基于分形微带天线的物质组分微小变化的检测装置。所述分形微带天线包括:介质基板(4)；金属层(2)，所述金属层(2)的反面贴设于所述介质基板(4)的正面；辐射贴片(1)，是分形矩形镂空贴片，贴设于所述金属层(2)的正面；微带线(3)，贴设于所述介质基板(4)的反面。利用该分形微带天线制造检测装置制造成本低，测量精度高，可以检测液体和固体材料的微小介电变化。
Description
技术领域
本实用新型属于微波电路领域，具体涉及一种基于分形微带天线的物质组分微小变化的检测装置。
背景技术
随着现代微波的发展，微波技术已发展成为一门相当成熟的学科，不但在通信、雷达、电磁兼容、电子隐身技术，而且在化工及生物医学工程等行业都得到了越来越广泛的应用。尤其是在微波化学工程领域内，无论是在医药化工、食品化工、无机化学反应，微波能的应用都显示着巨大的生命力，而这些成功的应用都是通过研究微波与物质的相互作用即微波测量来实现的。在微波测量学中，化学溶液的介电常数测量是重要且热点的研究问题之一。然而对于传统的测量方法而言，在测量介电常数的微弱变化及耐腐蚀等方面具有一定的局限性。溶液介电常数测量的方法可以分为谐振腔法和网络参数法两大类。其中，谐振腔法是通过测量被测样品放入腔体前后品质因数和谐振频率的改变而计算其介电常数的。谐振法需要样品的准备，测试精度较高，但是样品的制备过程比较繁琐，同时，该方法不合适测量溶液特别是易腐蚀溶液介电变化。网络参数法是将测量装置及被测物看成是单端口或者双端口网络，然后采用合适的方法如传输/反射法等测量该网络的散射参数，然后依据材料的介电常数与测量得到的散射参数之间的关系计算得到被测样品的介电常数。网络参数法一般不需要样品的准备，但缺点是相对于谐振方法来说，测量精度容易受电路性能的影响，导致误差较大。
专利CN 103969510 A公开了：一种轴对称结构的金属测试腔，通过同轴线将金属腔体与测量仪器相连接，通过S参数计算被测量物质的介电常数，采用非接触式测量，进行高温状态下材料的介电测量。采用金属腔体进行介电测量，制造成本高，测量精度容易收到腔体尺寸的影响，且测试对象仅合能适完全填充金属腔体的粉末状材料，无法测量腐蚀性液体。
文献(应用科技018,Vol.45:100-103)公开了一种测量微波介质基板复介电常数的方法：一种使用除长度外其他各参数均相同的 2条微带线测量微波介质基板复介电常数的方法，该方法测量介电常数实部需要测量2条微带线在同一频率下由于长度不同产生的相位差。这一过程是通过测量微带线S21的相位来实现的。测量的频率范围为1-11GHz,测量步进40MHz,测量在不同频率下介质基板的实介电常数。采用微带线结构，传输线Q值较低导致电路测量精度低，容易收到外界环境干扰。
所以，现有的技术无法满足化工领域生产过程中对易腐蚀性液体高精度测量和实时检测要求。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型目的在于提供一种分形微带天线。
分形结构大量应用于天线设计领域，例如基站天线、RFID电子标签等。其中将分形结构应用于电子标签天线的设计时，不仅可以缩小天线尺寸，也可以提高天线的工作性能，拓宽了天线的应用范围。
所述分形微带天线包括:
介质基板；
金属层，所述金属层的反面贴设于所述介质基板的正面；
辐射贴片，是分形矩形镂空贴片，贴设于所述金属层的正面；
微带线，贴设于所述介质基板的反面。
进一步，所述微带线包括：渐变微带线，从底部由宽变窄，包括宽端和窄端；
U型微带线；
所述渐变微带线的窄端连接所述U型微带线的底端，所述渐变微带线的宽端指向所述介质基板的反面任一边。
进一步，所述U型微带线的中心与所述辐射贴片的中心相连垂直于所述介质基板。
进一步，所述渐变微带线的渐变函数为 y＝0.707*exp(0.03x)+1.12。
进一步，所述U型微带线W＝0.8-1.2mm，H＝5.5-6.0mm，优选为 W＝1mm，H＝5.8mm。
进一步，所述微带线的厚度为0.01-0.02mm，优选为0.018mm。
进一步，所述介质基板采用的材料是Rogers4350b板材，介电常数为3.6-3.7，厚0.25-0.30mm，优选为介电常数为3.66，厚0.254mm。
进一步，所述金属层(2)为铜层，为厚度0.01-0.02mm，优选为0.018mm。
进一步，所述辐射贴片(1)是通过腐蚀金属层(2)形成矩形镂空贴片。
具体地，本实用新型天线采用长方形镂空微带贴片作为辐射贴片, 通过对镂空矩形部分进行闵可夫斯基分形操作，使得谐振单元尺寸从原来的15mm缩小到10mm。谐振单元底部采用微带线由宽变窄的渐变实现阻抗匹配，再通过U型微带线馈入辐射器，S11端口(小于-10dB) 频带宽度可达0.71GHz，为中心频率的7％，具有较好的宽带特性。
本发明目的之二在于提供一种物质组分微小变化检测装置。
物质组分微小变化检测装置包括：
微波信号输入/接收器，用于信号输出/接收；
功率分配器，包括输入端和输出端；
电磁场包围的分形微带天线阵，包括至少两个如前面任一所述的分形微带天线；
待测材料检测区设置于所述分形微带天线阵正上方，位于所述
电磁场中；
所述微波信号输入/接收器连接所述功率分配器的输入端，所述分形微带天线阵连接功率分配器的输出端；
进一步，所述微波信号输入/接收器为矢量网络分析仪。
进一步，所述率分配器是一分四功分器，所述分形微带天线阵包括四个分形微带天线。
进一步，所述矢量网络分析仪的输出端连接所述一分四功分器的输入端，所述一分四功分器的输出端等分成四路幅度相等、相位相反的信号连接四个分形连接分形微带天线阵。
具体地，信号由矢量网络分析仪输出，进入一分四功分器后等分成四路幅度相等、相位相反的信号，接着四路信号同时进入四个分形微带天线，并与放置于四个分形微带天线正上方的待测材料相互作用，这种相互作用由于待测材料的引入将会改变电路的中心频率和衰减频率等电参数。四个分形微带天线周围设置电磁场，当待测量材料检测于该电磁场中时，会干扰分形微带天线周围的电场分布，改变其谐振频率和衰减频率，最终这种改变可以通过矢量网络分析仪测量电路 1端口的散射参数S11，探测到这种微小的组分变化。
进一步，所述检测装置不仅可以应用与材料组分微小变化检测领域，也可以应用到车辆无线自动识别装置、卫星通信领域等。
本实用新型的有益效果在于：
本实用新型提出检测装置制造成本低，测量精度高，可以检测液体和固体材料的微小介电变化。
本实用新型提供的检测装置不仅可以应用与材料组分微小变化检测领域，也可以应用到车辆无线自动识别装置、卫星通信领域等。
附图说明
图1分形微带天线结构图，(a)正面图，(b)背面图，(c) 侧面图。
图2仿真的谐振单元S11曲线图。
图3物质组分微小变化的检测装置简图。
图4不同体积分数下甲醇-水混合溶液对应的S11变化图。
具体实施方式
所举实施例是为了更好地对本实用新型进行说明，但并不是本实用新型的内容仅局限于所举实施例。所以熟悉本领域的技术人员根据上述实用新型内容对实施方案进行非本质的改进和调整，仍属于本实用新型的保护范围。
实施例1
本实用新型提出的5.8GHz分形微带天线结构如由图1所示。该天线由辐射贴片(采用在矩形结构上进行2阶闵可夫斯基分形操作)，介质基板，U型微带线组成。如图1，(a)正面图中，1为辐射贴片， 2为金属层；(b)反面图中，3为微带天线，4为介质基板；(c) 侧面图中，2为金属层，3为微带线，4为介质基板。介质基板采用的材料是Rogers4350b板材，介电常数为3.66，厚0.254mm。以正方形10mm*10mm微带贴片作为基础，通过对该正方形贴片进行闵可夫斯基分形操作，获得镂空微带贴片，使得谐振单元尺寸从原来的15mm 缩小到10mm。谐振单元底部采用微带线由宽变窄的渐变实现阻抗匹配，再通过U型微带线馈入辐射器。从图2还可以看出，S11端口(小于-10dB)频带宽度可达0.71GHz，为中心频率的7％，具有较好的宽带特性。
本实施例中，Rogers4350b板材为常用的高频罗杰斯 Rogers4350b板材。
实施例2
本实用新型提出一种基于分形微带天线的溶液浓度微小变化检测装置。本检测装置包括一分四功分器、四个完全相同的分形微带天线、矢量网络分析仪和电磁场。检测电路如图3所示，信号由矢量网络分析仪(微波信号输入/接收器)输出，进入一分四功分器(功率分配器)后等分成四路幅度相等、相位相反的信号，接着四路信号同时进入四个分形微带天线，并与放置于待测材料检测区的待测材料相互作用，这种相互作用由于待测材料的引入将会改变电路的中心频率和衰减频率等电参数。通过设计使得四个分形天线周围集中大量电磁场，当待测量材料放置于该电磁场集中区域时，会干扰分形微带天线周围的电场分布，改变其谐振频率和衰减频率，最终这种改变可以通过矢量网络分析仪测量电路一端口的散射参数S11，探测到这种微小的组分变化。
实施例3
本实施例中，实现对常温(25摄氏度)常压下甲醇-水混合溶液水体积分数从0.5％增加到12％时对应的S参数仿真，仿真结果如图4，甲醇中水的体积分数比直接影响到混合物整体的复介电常数变化，进而影响到电路的S参数的幅度、相位和频率偏移等变化。通过分析可知，随着混合溶液中水的体积分数的增加，其混合的等效介电常数实部逐渐变大，其谐振频率逐渐向左偏移，S11的幅度保持不变；随着混合溶液中水的体积分数的增加，其混合的等效介电常数虚部逐渐变大，即混合物虚部逐渐增大，介电损耗随着增大，S11的幅度随损耗正切的增加而变大。结合甲醇水溶液在体积分数0.5％时的介电常数实部ε＝76.28，损耗正切tanδ＝0.126，对应的中心频率和幅度为 -39.66dB和5.815GHz；体积分数6％时的介电常数实部ε＝67.41，损耗正切tanδ＝0.197，对应的中心频率和幅度为-16.15dB和5.513GHz；体积分数12％时的介电常数实部ε＝57.39，损耗正切tanδ＝0.284，对应的中心频率和幅度为-12.79dB和5.452GHz。因此，该电路可以探测物质介电常数实部变化ε＝57.39到76.28，损耗正切 tanδ＝0.126-0.284范围内的材料组分变化。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.分形微带天线，其特征在于,包括:
介质基板(4)；
金属层(2)，所述金属层(2)的反面贴设于所述介质基板(4)的正面；
辐射贴片(1)，是分形矩形镂空贴片，贴设于所述金属层(2)的正面；
微带线(3)，贴设于所述介质基板(4)的反面。
2.根据权利要求1所述的分形微带天线，其特征在于，所述微带线(3)包括：渐变微带线，从底部由宽变窄，包括宽端和窄端；
U型微带线；
所述渐变微带线的窄端连接所述U型微带线的底端，所述渐变微带线的宽端指向所述介质基板(4)的反面任一边。
3.根据权利要求2所述的分形微带天线，其特征在于，所述U型微带线的中心与所述辐射贴片(1)的中心相连垂直于所述介质基板(4)。
4.根据权利要求2所述的分形微带天线，其特征在于，所述渐变微带线的渐变函数为y＝0.707*exp(0.03x)+1.12。
5.根据权利要求3或4所述的分形微带天线，U型微带线W＝0.8-1.2mm，H＝5.5-6.0mm。
6.根据权利要求1所述的分形微带天线，其特征在于，所述介质基板采用的材料是Rogers4350b板材，介电常数为3.6-3.7，厚0.25-0.30mm。
7.物质组分微小变化的检测装置，其特征在于，包括：
微波信号输入/接收器，用于信号输出/接收；
功率分配器；
电磁场包围的分形微带天线阵，包括至少两个如权利要求1-6任一所述的分形微带天线；
待测材料检测区设置于所述分形微带天线阵正上方，位于所述电磁场中；
所述微波信号输入/接收器连接所述功率分配器的输入端，所述分形微带天线阵连接功率分配器的输出端。
8.根据权利要求7所述的检测装置，其特征在于，所述微波信号输入/接收器为矢量网络分析仪。
9.根据权利要求8所述的检测装置，其特征在于，所述功率分配器是一分四功分器，所述分形微带天线阵包括四个分形微带天线。
10.根据权利要求9所述的检测装置，其特征在于，所述矢量网络分析仪的输出端连接所述一分四功分器的输入端，所述一分四功分器输出端等分成四路幅度相等、相位相反的信号连接四个分形连接分形微带天线阵。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202021297239.7U CN213184568U (zh) | 2020-07-06 | 2020-07-06 | 基于分形微带天线的物质组分微小变化的检测装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202021297239.7U CN213184568U (zh) | 2020-07-06 | 2020-07-06 | 基于分形微带天线的物质组分微小变化的检测装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN213184568U true CN213184568U (zh) | 2021-05-11 |
Family
ID=75792274
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202021297239.7U Expired - Fee Related CN213184568U (zh) | 2020-07-06 | 2020-07-06 | 基于分形微带天线的物质组分微小变化的检测装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN213184568U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113466263A (zh) * | 2021-08-20 | 2021-10-01 | 苏州大学 | 一种非接触式溶液浓度无线测量装置 |
-
2020
- 2020-07-06 CN CN202021297239.7U patent/CN213184568U/zh not_active Expired - Fee Related
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113466263A (zh) * | 2021-08-20 | 2021-10-01 | 苏州大学 | 一种非接触式溶液浓度无线测量装置 |
| CN113466263B (zh) * | 2021-08-20 | 2022-07-12 | 苏州大学 | 一种非接触式溶液浓度无线测量装置 |
| WO2023019705A1 (zh) * | 2021-08-20 | 2023-02-23 | 苏州大学 | 一种非接触式溶液浓度无线测量装置 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Gao et al. | A new miniature magnetic field probe for measuring three-dimensional fields in planar high-frequency circuits | |
| Lamminen et al. | Patch antenna and antenna array on multilayer high-frequency PCB for D-band | |
| CN110531164B (zh) | 基于siw-csrr的用于测量介电常数的微波传感器 | |
| CN104865449B (zh) | 基于波导多谐基片集成振腔法的介质基片测量装置及方法 | |
| CN112505429B (zh) | 基于同轴带状线谐振器的复介电常数测试系统及测试方法 | |
| Gershon et al. | Open-ended coaxial probe for high-temperature and broad-band dielectric measurements | |
| CN108982971B (zh) | 一种基于矩形腔微扰法测量非磁性材料复介电常数的方法 | |
| Sorocki et al. | Broadband microwave microfluidic coupled-line sensor with 3-D-printed channel for industrial applications | |
| Chen et al. | Circularly polarized UHF RFID tag antenna for wireless sensing of complex permittivity of liquids | |
| CN111474411A (zh) | 相对介电常数测试系统、方法、装置和存储介质 | |
| CN213184568U (zh) | 基于分形微带天线的物质组分微小变化的检测装置 | |
| Kanitkar et al. | A comparative analysis of two dielectric extraction methods of a PCB material for D-band applications | |
| Yasin et al. | Top loaded TM01δ mode cylindrical dielectric resonator for complex permittivity characterization of liquids | |
| Ding et al. | Complex permittivity measurements of liquid crystals using epsilon-near-zero metamaterials | |
| Bahar et al. | The CSIW resonator sensor for microfluidic characterization using defected ground structure | |
| CN114137316A (zh) | 一种材料微小介电波动无损检测的微波传感器测量方法 | |
| Karatepe et al. | A monopole microwave-assisted electrochemical sensor for the detection of liquid chemicals. | |
| CN110231583B (zh) | 一种厚膜材料磁导率的测量夹具 | |
| Sivakumar et al. | A Free-Space Measurement System for Microwave Materials at Kuband | |
| CN112097815A (zh) | 一种用于微波传感的散射矩阵参数检测系统 | |
| CN111830093A (zh) | 基于射频技术的材料微小介电变化实时检测方法及装置 | |
| Wan et al. | Measurement of Substrate High Frequency Complex Dielectric Constant with 2-D Spatial Distribution | |
| Lu et al. | Characterization of dielectric constants and dissipation factors of liquid crystal polymer in 60–80 GHz band | |
| TWI781770B (zh) | 電性參數量測系統 | |
| Ali et al. | A Novel Fractal Hilbert Curve-Based Low-Cost and Highly Sensitive Microwave Sensor for Dielectric Characterization of Liquid Materials |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20210511 |