[發(fā)明專利]一種基于CMRC結(jié)構(gòu)的便攜式材料介電常數(shù)測(cè)量系統(tǒng)

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810517183.2
• 申請(qǐng)日: 2018-05-25
• 公開（公告）號(hào): CN109039330A
• 公開（公告）日: 2018-12-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳世昌;郭夢(mèng)楚;徐魁文;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): H03L7/085
• 分類號(hào): H03L7/085;H03L7/093;H03L7/099;H03L7/18
• 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)明公開一種基于CMRC結(jié)構(gòu)的便攜式材料介電常數(shù)測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一連接CMRC諧振腔的負(fù)阻式壓控振蕩器VCO和鎖相環(huán)電路PLL組成構(gòu)成。CMRC作為一個(gè)平面緊湊型的電路結(jié)構(gòu)，通過在上面放置待測(cè)介質(zhì)來改變其諧振頻率，進(jìn)而改變?cè)揤CO的振蕩頻率。最后通過PLL將振蕩頻率的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化，從而可以方便地測(cè)量出待測(cè)材料的介電常數(shù)。幾種已知介電常數(shù)的介質(zhì)材料塊用來作為校準(zhǔn)元件，提取介電常數(shù)與VCO輸出控制電壓的關(guān)系。相對(duì)于現(xiàn)有的技術(shù)，本發(fā)明在測(cè)量過程中避開了矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的使用，大大降低了測(cè)試成本。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微波毫米波電路和智能傳感技術(shù)領(lǐng)域，提出了一種脫離矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀依賴的便攜式介電常數(shù)測(cè)量系統(tǒng)。

背景技術(shù)

在工程領(lǐng)域，介電常數(shù)是材料特性的一個(gè)重要表征，其往往能夠?yàn)槲覀兲峁┰S多有價(jià)值的信息。因此精準(zhǔn)的介電常數(shù)測(cè)量也帶來了許多廣泛的應(yīng)用，如：食品質(zhì)量檢測(cè)、生物材料檢測(cè)、血糖檢測(cè)等。其中，基于微波技術(shù)的介質(zhì)檢測(cè)方法如諧振腔微擾法，由于其特有的非接觸和無損特性，在近年來受到越來越多的關(guān)注。傳統(tǒng)的諧振腔微擾法通過測(cè)量介電材料放入諧振腔前后造成諧振頻率的變化來測(cè)量介電常數(shù)，由于其簡(jiǎn)便和準(zhǔn)確性，成為學(xué)術(shù)和工業(yè)上最常用的方法之一。通常情況下，為了測(cè)量結(jié)果更加精確，該方法往往需要使用高品質(zhì)因數(shù)的諧振器。傳統(tǒng)的金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在滿足高品質(zhì)要求外，卻存在體積大、難以集成的缺點(diǎn)。后來為了克服上述缺陷，提出使用平面型諧振器如開口環(huán)諧振器SRR，互補(bǔ)性開口環(huán)諧振器CSRR。但是，對(duì)于SRR結(jié)構(gòu)，由于其激勵(lì)較為困難，因此降低了其測(cè)量靈敏度。CSRR由于是一種典型的缺陷地結(jié)構(gòu)，與常規(guī)電路形式存在兼容性問題，也限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。緊湊微帶諧振器CMRC是一種電子帶隙結(jié)構(gòu)單元，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于濾波器，天線，混頻器等設(shè)計(jì)中。本發(fā)明首次將其應(yīng)用于介電常數(shù)測(cè)量，能夠極大的增強(qiáng)測(cè)量靈敏度。

此外，現(xiàn)有諧振腔微擾法是通過測(cè)量出在不同介電常數(shù)介質(zhì)存在下諧振頻率的變化來測(cè)量介電常數(shù)的。對(duì)于諧振頻率的測(cè)量必須需要體積龐大、價(jià)格昂貴的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀去完成。但是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀造成使用不便，成本過高，故而迫切需要擺脫其使用。

上述幾個(gè)方面成為制約諧振腔微擾法廣泛應(yīng)用的重要因素。因此，有關(guān)介電常數(shù)測(cè)量的便攜式自持系統(tǒng)已經(jīng)成為近年來學(xué)術(shù)和工業(yè)界的研究熱點(diǎn)。如何快速，準(zhǔn)確地測(cè)量材料的介電常數(shù)并有效的將其誤差控制在一定范圍內(nèi)，對(duì)于工業(yè)檢測(cè)，科學(xué)研究都有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)中的缺陷，設(shè)計(jì)了一種基于緊湊型微帶諧振單元CMRC結(jié)構(gòu)的便攜式材料介電常數(shù)測(cè)量系統(tǒng)。

該系統(tǒng)包括連接CMRC諧振腔的負(fù)阻式壓控振蕩器VCO和鎖相環(huán)電路PLL組成。

CMRC諧振腔作為鎖相環(huán)電路PLL中壓控振蕩器VCO的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)；

作為優(yōu)選，壓控振蕩器VCO為負(fù)阻式結(jié)構(gòu)；

所述的鎖相環(huán)電路PLL為公知技術(shù)；

所述的CMRC諧振器是一種電子帶隙結(jié)構(gòu)。通過在一段傳統(tǒng)微帶線上刻蝕成相應(yīng)的對(duì)稱金屬層圖案，刻蝕之后的裸露介質(zhì)的槽可以等效為分布電容，刻蝕后剩余金屬間隙可以等效為分布電感，從而增大了該諧振元件整體的等效電容和電感，從而可以降低波速，來達(dá)到一種低通和慢波效果，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，平面易于集成，且沒有缺陷地，易于激勵(lì)。

工作原理：諧振器作為一種產(chǎn)生諧振頻率的無源器件，通過在其內(nèi)部或上面放置不同介電常數(shù)ε_r的待測(cè)介質(zhì)可以改變其頻率響應(yīng)，這種頻率響應(yīng)的變化造成該VCO相位關(guān)系的變化，從而得到不同的振蕩頻率。PLL作為一種穩(wěn)定振蕩頻率的電路，可以通過輸出反饋電壓將VCO固定在固定頻率，從而可以將原始介電常數(shù)的變化對(duì)應(yīng)于電壓值的改變。因此通過電壓表測(cè)量出PLL輸出控制電壓進(jìn)而可以得到介電常數(shù)大小，從而避開了矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的使用。