一种耦合补型螺旋谐振传感器

1.本发明涉及微波传感器技术领域，特别是涉及一种耦合补型螺旋谐振传感器。


背景技术：

2.准确测量介质材料的特性在许多领域中都有着重要应用，例如医药、电子信息、航空航天、国防等。目前应用的主要测量方法有反射法、传输线法以及谐振腔法等。反射法一般通过发射天线回波的相位和幅度，在较宽的频段内实现厚度和介电常数测量，但这种方法一般成本较高且精度较低；传输线法一般是将待测介质放置在传输线(例如波导等)内部，通过测量传输参数获得厚度和介电常数信息；谐振腔法一般是将待测材料样品放置在谐振腔内部，通过测量谐振频率和品质因数的变化得到厚度和介电常数信息；这两种方法对样品制备的要求较高，因为要放入体积受限的腔体内，也不容易实现无损测量。
3.为了解决上述问题，近年来，随着超材料技术的发展，亚波长平面微波传感器得到了广泛的应用，为介质材料的电磁特性测量提供了可选的方法，常见的单谐振器传感器无法同时测量待测材料样品介电常数以及厚度，且单谐振器传感器的灵敏度较低。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种耦合补型螺旋谐振传感器，以解决单谐振器传感器无法同时测量待测材料样品介电常数以及厚度，灵敏度低的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种耦合补型螺旋谐振传感器，包括：由上至下依次叠放的微带线、介质基底以及金属接地板；
7.所述金属接地板上刻蚀两个互相耦合的圆形互补旋转谐振器；所述金属接地板的底部放置待测材料样品，且所述待测材料样品设于两个所述圆形互补旋转谐振器的下方；
8.当所述待测材料样品与电场能量相互作用扰乱场分布时，获取两个所述圆形互补旋转谐振器的谐振频率，并根据两个所述谐振频率同时测量得到所述待测材料样品的厚度和介电常数。
9.可选的，所述圆形互补旋转谐振器由一条金属线螺旋而成。
10.可选的，通过改变所述圆形互补旋转谐振器的外直径、相邻的金属线之间的间距、金属线宽以及两个所述圆形互补旋转谐振器之间的间隙，调整耦合补型螺旋谐振传感器的品质因数q值以及测试频率。
11.可选的，所述电场集中于两个所述圆形互补旋转谐振器之间的间隙。
12.可选的，所述谐振频率测量与所述待测材料样品的厚度和介电常数的关系式为：
13.f
l
(εd,t)＝3.086-0.2836εd+0.0155ε
d2
+(0.2836ε
d-0.0155ε
d2
)e-t/0.1483
14.fh(εd,t)＝3.248-0.317εd+0.0181ε
d2
+(0.317ε
d-0.0181ε
d2
)e-t/0.1353
15.其中，f
l
为两个谐振频率中较低的频率值；fh为两个谐振频率中较高的频率值；，f
l
(εd,t)为两个谐振频率中较低的频率值关于εd和t的函数；fh(εd,t)为两个谐振频率中较高
的频率值关于εd和t的函数；εd为待测材料样品的介电常数与空气的介电常数之差；t为待测材料样品的厚度。
16.可选的，所述微带线的两端连接sma连接器，在测量时，所述微带线通过所述sma连接器与矢量网络分析仪相连接；所述矢量网络分析仪用于分析两个所述谐振频率同时测量得到所述待测材料样品的厚度和介电常数。
17.可选的，所述微带线的特征阻抗为50欧姆。
18.可选的，所述介质基底的材料为特氟龙。
19.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种耦合补型螺旋谐振传感器，采用两个圆形互补螺旋谐振器相互耦合，其电磁耦合可以等效为互电容以及互感，这样可以使传感器具有两个谐振频率。当加载待测样品时，两个谐振频率同时发生变化，以此进行厚度和介电常数的同时测量。另外，与单谐振器情况相比，加入耦合后传感器的谐振频率偏移增大，从而进一步提高了传感器的灵敏度。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本发明所提供的耦合补型螺旋谐振器传感器的侧视结构示意图；
22.图2为本发明所提供的耦合补型螺旋谐振器传感器俯视图；
23.图3为本发明所提供的圆形互补螺旋谐振器示意图；
24.图4为本发明所提供的圆形互补螺旋谐振器传感器对应的等效电路图；
25.图5为本发明建模仿真得到的不同介电常数下的传输参数s21仿真图；
26.图6为本发明建模仿真得到的不同厚度下的传输参数s21仿真图；
27.图7为本发明建模仿真得到的f
l
与介电常数和厚度的关系图；
28.图8为本发明建模仿真得到的fh与介电常数和厚度的关系图。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.本发明的目的是提供一种耦合补型螺旋谐振传感器，能够同时测量待测材料样品的厚度和介电常数，还进一步提高了传感器的灵敏度。
31.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
32.图1为本发明所提供的耦合补型螺旋谐振器传感器的侧视结构示意图，图2为本发明所提供的耦合补型螺旋谐振器传感器俯视图，如图1-图2所示，一种耦合补型螺旋谐振传感器，包括：由上至下依次叠放的微带线1、介质基底2以及金属接地板3；所述金属接地板3
上刻蚀两个互相耦合的圆形互补螺旋谐振器4；所述金属接地板3的底部放置待测材料样品，且所述待测材料样品设于两个所述圆形互补螺旋谐振器4的下方；当所述待测材料样品与电场能量相互作用扰乱场分布时，获取两个所述圆形互补螺旋谐振器4的谐振频率，并根据两个所述谐振频率同时测量得到所述待测材料样品的厚度和介电常数。
33.在实际应用中，微带线1设置在介质基底2的正上方中间位置，金属接地板3设置在介质基底2的正下方；两个圆形互补螺旋谐振器4刻蚀在金属接地板3的中央，且通过微带线1下方；微带线两端放置sma连接器，在测量时与矢量网络分析仪相连，所述矢量网络分析仪用于分析两个所述谐振频率同时测量得到所述待测材料样品的厚度和介电常数，图2中微带线1的宽度为w；微带线1和金属接地板3的厚度选取市场上常用的厚度。
34.图3为本发明所提供的圆形互补螺旋谐振器示意图，如图3所示，所述圆形互补螺旋谐振器4的由一条金属线螺旋而成。
35.在实际应用中，圆形互补螺旋谐振器4的尺寸参数通过仿真优化并考虑制造时的精度确定，螺旋谐振器的上下两部分各由一组同心的半圆金属线组成，两部分圆心不同，金属线在左端相连。
36.通过改变所述圆形互补螺旋谐振器4的外直径lr、相邻的金属线之间的间距s、金属线宽w以及两个所述圆形互补螺旋谐振器4之间的间隙d，结合加工时的精度，调整耦合补型螺旋谐振传感器的品质因数q值以及测试频率。
37.本发明利用平面传感器结构表征待测样品厚度，这种测量方法基于场的微扰，当待测材料与存储的磁场和电场能量相互作用从而扰乱场分布时，谐振结构的谐振频率将会改变。本发明所用的圆形互补螺旋谐振器4可以在金属线的间隙之间提供较强的电场，从而产生更大的灵敏度。本发明通过矢量网络分析仪测量传感器加在待测样品后的谐振频率变化值，进而确定待测介质的介电常数和厚度。
38.在实际应用中，所述电场集中于两个所述圆形互补螺旋谐振器4之间的间隙。
39.在实际应用中，经过优化，介质基底2的厚度综合测量灵敏度与制造成本决定，材料为特氟龙。微带线1的特征阻抗为50欧姆，以达到匹配。
40.图4为本发明的传感器对应的等效电路图。当谐振器的电尺寸足够小时，即可用集总电路模型描述其电磁相应。c
c1
和c
c2
分别表示微带线1与两个谐振器之间的耦合电容；lr和cr是螺旋谐振器自身的等效电感和电容；两个谐振器之间存在的电耦合以及磁耦合分别由等效电路中的互电容cm以及互感m表示；p1为等效电路的第一端口；r1为微带线的等效电阻；p2为等效电路的第二端口；rr为谐振器的等效电阻。
41.如此，两个谐振支路就可以产生两个谐振点。随着两个谐振器之间距离的增大，互电容和互感将会减小。当无耦合时与单个谐振器情况相同。互电容可以等效为两支路间的π形电路。当传感器上放置待测样品时，待测样品会使电容cr发生变化。此时谐振频率f对电容cr的导数大于无耦合情况，因此传感器的灵敏度会提高。
42.本发明采用的圆形互补螺旋谐振器4，与通常使用的csrr(互补开口谐振环)相比，可以使电场更加集中于谐振器的间隙之中，当待测样品对谐振器的电场造成微小扰动时，可以获得更高的灵敏度。另外，相比其他形状，圆形谐振器可以得到更高的等效电容，而等效电感的值相对变化较小，从而得到较高的品质因数q值，由此可以使得测量的精度更高。
43.本发明通过全波仿真软件的建模仿真，对上述确定尺寸的传感器进行建模仿真。
如图5所示，其中，εr为待测材料样品的介电常数，待测样品厚度1mm时，本发明得到不同介电常数下的传输参数s21仿真图。当介电常数保持不变时，f
l
和fh都会随着厚度的增大而下降。当厚度达到1mm后，谐振频率的变化较小。待测样品的相对介电常数较大时，对厚度测量的灵敏度也会上升。另外，保持厚度不变的情况下，f
l
和fh也会随着介电常数的增大而下降。当待测样品的厚度较大时，谐振频率关于介电常数的灵敏度也较大。从中可以得到，当待测样品的厚度为1mm时，介电常数由1变化至10时，两个谐振频率的偏移量可达1.406ghz和1.516ghz，介电常数每变化1的平均偏移量为156mhz和168mhz，灵敏度较高。
44.如图6所示，待测样品为fr4介质(相对介电常数4.5)时，本发明得到不同厚度下的传输参数s21仿真图。当厚度从0.1mm变化至1mm时，两个谐振频率的偏移量为372mhz和404mhz，每0.1mm厚度导致的平均偏移量为41.3mhz和44.9mhz，灵敏度较高。
45.图7和图8为本发明的两个谐振频点关于介电常数和厚度的关系图。为了从谐振频率值得到待测样品的厚度和介电常数，需要建立数学模型找到他们的关系。本发明中，谐振频率与待测介质介电常数之间的关系可以用二次函数表示，与厚度之间的关系可以用指数函数表示。并且当待测样品的相对介电常数为1或厚度为0时，谐振频率应当等于空载谐振频率。基于数据拟合，可以得到谐振频率与厚度和介电常数的关系式为：
46.f
l
(εd,t)＝3.086-0.2836εd+0.0155ε
d2
+(0.2836ε
d-0.0155ε
d2
)e-t/0.1483
47.fh(εd,t)＝3.248-0.317εd+0.0181ε
d2
+(0.317ε
d-0.0181ε
d2
)e-t/0.1353
48.其中，f
l
为两个谐振频率中较低的频率值；fh为两个谐振频率中较高的频率值；，f
l
(εd,t)为两个谐振频率中较低的频率值关于εd和t的函数；fh(εd,t)为两个谐振频率中较高的频率值关于εd和t的函数；为待测材料样品的介电常数与空气的介电常数之差；t为待测材料样品的厚度。
49.基于上述公式，当使用本发明进行相对介电常数和厚度测量时，可以将待测样品放置在两个螺旋谐振器下方，并将它们全部覆盖；通过传感器的两个谐振频率偏移，计算出待测材料样品的介电常数和厚度。
50.本发明的实验过程简单、样品制备要求较低、测试容易。
51.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
52.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种耦合补型螺旋谐振传感器，其特征在于，包括：由上至下依次叠放的微带线、介质基底以及金属接地板；所述金属接地板上刻蚀两个互相耦合的圆形互补旋转谐振器；所述金属接地板的底部放置待测材料样品，且所述待测材料样品设于两个所述圆形互补旋转谐振器的下方；当所述待测材料样品与电场能量相互作用扰乱场分布时，获取两个所述圆形互补旋转谐振器的谐振频率，并根据两个所述谐振频率同时测量得到所述待测材料样品的厚度和介电常数。2.根据权利要求1所述的耦合补型螺旋谐振传感器，其特征在于，所述圆形互补旋转谐振器由一条金属线螺旋而成。3.根据权利要求2所述的耦合补型螺旋谐振传感器，其特征在于，通过改变所述圆形互补旋转谐振器的外直径、相邻的金属线之间的间距、金属线宽以及两个所述圆形互补旋转谐振器之间的间隙，调整耦合补型螺旋谐振传感器的品质因数q值以及测试频率。4.根据权利要求2所述的耦合补型螺旋谐振传感器，其特征在于，所述电场集中于两个所述圆形互补旋转谐振器之间的间隙。5.根据权利要求1所述的耦合补型螺旋谐振传感器，其特征在于，所述谐振频率测量与所述待测材料样品的厚度和介电常数的关系式为：f
l
(ε
d
,t)＝3.086-0.2836ε
d
+0.0155ε
d2
+(0.2836ε
d-0.0155ε
d2
)e-t/0.1483
f
h
(ε
d
,t)＝3.248-0.317ε
d
+0.0181ε
d2
+(0.317ε
d-0.0181ε
d2
)e-t/0.1353
其中，f
l
为两个谐振频率中较低的频率值；f
h
为两个谐振频率中较高的频率值；，f
l
(ε
d
,t)为两个谐振频率中较低的频率值关于δ
d
和t的函数；f
h
(ε
d
,t)为两个谐振频率中较高的频率值关于ε
d
和t的函数；为待测材料样品的介电常数与空气的介电常数之差；t为待测材料样品的厚度。6.根据权利要求1所述的耦合补型螺旋谐振传感器，其特征在于，所述微带线的两端连接sma连接器，在测量时，所述微带线通过所述sma连接器与矢量网络分析仪相连接；所述矢量网络分析仪用于分析两个所述谐振频率同时测量得到所述待测材料样品的厚度和介电常数。7.根据权利要求1所述的耦合补型螺旋谐振传感器，其特征在于，所述微带线的特征阻抗为50欧姆。8.根据权利要求1所述的耦合补型螺旋谐振传感器，其特征在于，所述介质基底的材料为特氟龙。

技术总结
本发明涉及一种耦合补型螺旋谐振传感器。该传感器包括：由上至下依次叠放的微带线、介质基底以及金属接地板；所述金属接地板上刻蚀两个互相耦合的圆形互补旋转谐振器；所述金属接地板的底部放置待测材料样品，且所述待测材料样品设于两个所述圆形互补旋转谐振器的下方；当所述待测材料样品与电场能量相互作用扰乱场分布时，获取两个所述圆形互补旋转谐振器的谐振频率，并根据两个所述谐振频率同时测量得到所述待测材料样品的厚度和介电常数。本发明能够同时测量待测材料样品的厚度和介电常数，提高了传感器的灵敏度。提高了传感器的灵敏度。提高了传感器的灵敏度。


技术研发人员：邓晖 孙昊宁
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2022.09.28
技术公布日：2023/1/6