[發(fā)明專利]一種用于測(cè)量介電常數(shù)的差分微波傳感器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810420659.0
• 申請(qǐng)日: 2018-05-04
• 公開（公告）號(hào): CN108828321B
• 公開（公告）日: 2021-04-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐魁文;劉洋;趙文生;陳世昌;趙鵬;王高峰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 杭州電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G01R27/26
• 分類號(hào): G01R27/26
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 黃前澤

本發(fā)明公開一種用于測(cè)量介電常數(shù)的差分微波傳感器。本發(fā)明包括上層介質(zhì)基板、金屬通孔、頂層SRRs環(huán)、電場(chǎng)強(qiáng)度最大的區(qū)域、中間層饋電環(huán)、下層介質(zhì)基板、底層SRRs環(huán)；上層介質(zhì)基板的頂層正中心印刷耦合SRRs環(huán)；上層介質(zhì)基板的底層正中心印刷饋電環(huán)并延伸出饋電長(zhǎng)腳；下層介質(zhì)基板的底層正中心印刷耦合SRRs環(huán)；沿著SRRs的兩條平行的金屬條為電場(chǎng)強(qiáng)度最大的區(qū)域，該區(qū)域放置待測(cè)樣本。該差分微波傳感器不僅具備對(duì)介電常數(shù)精確測(cè)量的優(yōu)良性能(高Q值和高靈敏度)，而且具有超小的電尺寸，差分測(cè)量的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使其幾乎不受測(cè)量環(huán)境的影響，具備在非實(shí)驗(yàn)室條件下作精確測(cè)量的能力，具有極強(qiáng)的實(shí)用性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微波技術(shù)領(lǐng)域，提出了一種新型的差分微波傳感器，能對(duì)未知介電常數(shù)材料的作差分測(cè)量，提高準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

背景技術(shù)

隨著微波技術(shù)在民用市場(chǎng)的快速普及，微波射頻器件在各類電子設(shè)備中的使用率日益高漲，同時(shí)由于這類器件所使用的介質(zhì)材料的介電常數(shù)對(duì)整個(gè)器件的性能影響很大，因此對(duì)介質(zhì)材料介電常數(shù)的精確測(cè)量是十分必要的。

介電常數(shù)是反應(yīng)物質(zhì)電磁特性的重要物理性質(zhì)之一，它是物質(zhì)與電磁場(chǎng)之間相互作用的重要紐帶。雖然介電常數(shù)是物質(zhì)的固有參數(shù)，但是它并不是一個(gè)常數(shù)。它是頻率的函數(shù)，并且跟溫度、濕度等外部因素有關(guān)，這些外部影響因素增加了測(cè)量介電常數(shù)的難度。由于介電常數(shù)是無(wú)法直接測(cè)量的物理量，因此只能測(cè)量電壓、電流、阻抗和散射參數(shù)等可測(cè)量的物理量，再根據(jù)介電常數(shù)與這些實(shí)際可測(cè)量的物理量之間的函數(shù)關(guān)系來(lái)反演出材料的介電常數(shù)。在微波射頻頻段，對(duì)介電常數(shù)的測(cè)量通常可以歸為諧振法和非諧振法兩類，由于具有成本低，易于集成，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和小型化等優(yōu)點(diǎn)，諧振方法引起了研究人員的極大興趣。對(duì)于諧振法的測(cè)量，為了能對(duì)介電常數(shù)作出精確測(cè)量，就對(duì)傳感器性能指標(biāo)提出了較高的要求，一般需要其具有高靈敏度和高品質(zhì)因數(shù)(Q值)。此外，基于實(shí)用性考慮，傳感器還應(yīng)具有較小的尺寸和一定的抗干擾能力。現(xiàn)有的測(cè)量介電常數(shù)的這類產(chǎn)品抗干擾能力基本都很弱，測(cè)量必須要在實(shí)驗(yàn)室的微波暗室或者低干擾源的條件下進(jìn)行，本申請(qǐng)差分測(cè)量結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要是解決上述問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了克服上述所提到的困難，正視挑戰(zhàn)，滿足對(duì)介電常數(shù)測(cè)量的精準(zhǔn)度和實(shí)用性的要求，提出了一種基于SRRs(split-ring resonators)的超小型、高Q值、高靈敏度以及強(qiáng)抗干擾的微波傳感器，由于傳感器采用差分測(cè)量設(shè)計(jì)，可以避免測(cè)試環(huán)境中物體的反射干擾以及溫度對(duì)介電常數(shù)的影響。SRRs是一種新型的人工電磁超材料，因其優(yōu)異的特性近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于各類微波器件中。

本發(fā)明用于測(cè)量介電常數(shù)的差分微波傳感器包括上層介質(zhì)基板(1)、金屬通孔(2)、頂層開口諧振環(huán)(簡(jiǎn)稱頂層SRRs環(huán))(3)、電場(chǎng)強(qiáng)度最大的區(qū)域(4)、中間層饋電環(huán)(5)、下層介質(zhì)基板(6)、底層SRRs環(huán)(7)；

上層介質(zhì)基板(1)的頂層印刷耦合頂層SRRs環(huán)(3)，底層印刷中間層饋電環(huán)(5)；其中中間層饋電環(huán)(5)延伸出饋電長(zhǎng)腳，用于連接SMA連接頭

下層介質(zhì)基板(6)的底層印刷耦合底層SRRs環(huán)(7)；

頂層SRRs環(huán)(3)、中間層饋電環(huán)(5)、底層SRRs環(huán)(7)的中心位于同一直線；

所述的頂層SRRs環(huán)(3)、底層SRRs環(huán)(7)開口處均向環(huán)內(nèi)延伸；頂層SRRs環(huán)(3)、底層SRRs環(huán)(7)尺寸相同但開口方向相反；其中頂層SRRs環(huán)向環(huán)內(nèi)延伸部分為電場(chǎng)強(qiáng)度最大的區(qū)域(4)，該區(qū)域放置待測(cè)樣本，最大化傳感器對(duì)介電常數(shù)的靈敏度。

所述的傳感器的上下層介質(zhì)基板周圍有一圈金屬通孔(2)，降低傳感的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射效率。

傳感器的Q值決定了測(cè)量的精度；靈敏度決定了對(duì)介電常數(shù)測(cè)量的分辨率；小型化和抗干擾能力決定了傳感器的實(shí)用性。