[發(fā)明專利]一種基于混合左右手傳輸線的相消型傳感器

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011114163.4
• 申請日: 2020-10-18
• 公開（公告）號: CN112255466A
• 公開（公告）日: 2021-01-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉偉娜;任學(xué)堯;施艷艷;牛有田
• 申請（專利權(quán)）人: 河南師范大學(xué);中國人民解放軍空軍工程大學(xué)
• 主分類號: G01R27/26
• 分類號: G01R27/26
• 代理公司: 徐州創(chuàng)榮知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 32353
• 代理人: 陳俊杰

本發(fā)明公開了一種基于混合左右手傳輸線的相消型傳感器，包括兩個微帶型威爾金森功分器，兩條倒U型支路和兩個結(jié)構(gòu)相同、尺寸不同的左手傳輸線；兩個微帶型威爾金森功分器分別與兩條倒U型支路相連構(gòu)成一個雙端口測試器件；兩個左手傳輸線加載在兩條倒U型支路之間；其中，左手傳輸線由微帶型交指電容和正對于交指電容刻飾的互補開口諧振環(huán)組成，且在兩個結(jié)構(gòu)相同、尺寸不同的互補開口諧振環(huán)上設(shè)置有微流控通道，用于承載檢測及參考微流體，測試過程中，將被測流體和參考流體通過微流通道的進口壓進測試區(qū)域和參考區(qū)域。本發(fā)明可敏感感知微流體介電特性及其微小變化。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種微波頻率下的材料介電特性的檢測裝置，屬于微波測量技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，是涉及一種基于混合左右手傳輸線的相消型傳感器。

背景技術(shù)

隨著微波技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是基于傳輸線結(jié)構(gòu)的電磁超介質(zhì)的迅猛發(fā)展，為各種信息元件的新突破提供了新的契機，在各行各業(yè)引起了廣泛的重視。電磁超介質(zhì)所具有的亞波長諧振、負折射、完美透鏡、能量匯聚及表面波抑制等特性使其于近7年在微波測試領(lǐng)域得到科研工作者的喜愛。電磁超介質(zhì)可通過設(shè)計不同的基本單元實現(xiàn)不同的相位響應(yīng)，從而為微波傳感器的設(shè)計提供了新的思路。尤其是在小尺寸樣本（微流體）的介電特性檢測中，由于混合左右手傳輸線在設(shè)計中可實現(xiàn)的完美對稱性，因此可進一步提高檢測靈敏度。在微波測試領(lǐng)域內(nèi)，為實現(xiàn)微小樣品介電特性的檢測，需在傳統(tǒng)的測試方案的基礎(chǔ)上提出新的檢測機制，最典型的代表是相消型傳感器。該類型傳感器通過實現(xiàn)近零傳輸而消除了傳輸線的背景噪聲，從而大大提高了測試靈敏度。隨著微波技術(shù)及電磁超材料的不斷發(fā)展，新型的設(shè)計方案及新穎的檢測機理不斷被提出，文獻Saghati A P, Batra J S,Kameoka J, et al. A Metamaterial-Inspired Wideband Microwave InterferometrySensor for Dielectric Spectroscopy of Liquid Chemicals [J]. IEEE Transactionson Microwave Theory and Techniques, 2017:1-14.提出了一種用于測試化學(xué)樣本介電譜的混合左右手加載的相消型系統(tǒng)，該文獻一方面通過傳輸信號相消實現(xiàn)背景信號消除，另一方面在傳輸線上加載了左手傳輸線，實現(xiàn)了測試區(qū)域的信號增強，從而提高了靈敏度。但是該文獻提出的相消型測試裝置需要借助于180度移相器，這增加了整個測試系統(tǒng)的尺寸，也使提出的測試裝置在與180度移相器連接過程中增加了反射。

鑒于電磁超介質(zhì)具備優(yōu)良的調(diào)控電磁波的能力，本發(fā)明獨辟蹊徑，提出了一種易集成、小型化、高靈敏度的相消型射頻傳感器，該傳感器無需借助其他微波系統(tǒng)便可實現(xiàn)小尺寸樣本的介電特性的測試。

在前期的研究中，我們也對相消型傳感器及進行了深入研究，取得了一些成果，授權(quán)號為ZL201710710583.0的“一種介電特性測試裝置以及測量方法”提出了一種新型的相消型傳感器，并在測試區(qū)域加載了基片集成波導(dǎo)技術(shù)，實現(xiàn)了弱背景信號下的強測試技術(shù)，該技術(shù)通過某一支路的信號多走1/2波長實現(xiàn)信號相消，該發(fā)明獨辟蹊徑，引入完美對稱技術(shù)，通過調(diào)整左手傳輸線的工作狀態(tài)實現(xiàn)180度的相位差及背景信號的相消，所述的兩條支路在波程上具有相同的尺寸，因此相比較于原來的技術(shù)，可進一步減小器件尺寸，且無需額外對測試區(qū)域進行設(shè)計，其引入的互補開口環(huán)在工作頻率上可實現(xiàn)諧振，從而實現(xiàn)測試區(qū)域的信號增強。

在前期的研究中也引入了雙支路加載超材料技術(shù)的檢測方案，申請?zhí)枮椤癈N201910859160.4”的“一種基于分頻技術(shù)的電小尺寸樣本介電特性檢測裝置”中也通過引入兩個威爾金森功分器構(gòu)成兩支路兩端口的檢測方案，并在兩支路上加載了兩個相同的多環(huán)開口諧振環(huán)。與上述方案相比，本方案具備完全不同的檢測手段，上述方案使用的分頻技術(shù)，即空載時因為開口諧振環(huán)的作用產(chǎn)生了一個傳輸零點，當(dāng)兩支路加載不同被測物時，不同被測物將影響兩個開口諧振環(huán)的諧振頻率，從而產(chǎn)生兩個傳輸零點。而本發(fā)明則根據(jù)兩個結(jié)構(gòu)相同尺寸不同的左手傳輸線產(chǎn)生180度相位差，實現(xiàn)一個傳輸零點，當(dāng)兩支路放上不同被測物時，傳輸零點會發(fā)生頻偏。兩者具備完全不同的測試原理。