用于测量介电常数的互补开口谐振环微带谐振传感器及测量系统的制作方法

本实用新型涉及微波测量技术领域，具体涉及一种用于测量介电常数的互补开口谐振环微带谐振传感器及测量系统。

背景技术：

介电常数是物质材料的一个重要特性。目前，用于材料介电常数测量的主要方法有自由空间法、传输线法和谐振腔法。自由空间法的测量装置由一对用于发射和接收的聚焦透镜天线分别连接到矢量网络分析仪两端构成，将样本放置在两天线的共焦面处，通过测量自由空间的反射系数和传输系数实现介电常数的测量。自由空间法是一种无损无接触测量方法，但是需要使用昂贵的聚焦透镜天线测量成本高；传输线法是将待测材料样本填充到传输中(波导或同轴线等)，通过使用网络分析仪测量传输线的散射系数，并根据散射方程推算出介电常数。这种方法较自由空间法具有设备成本低的优点，但材料样品要求与传输线紧密配合，制备过程要求较高；谐振腔法将待测材料样本填充到谐振腔中，通过测量谐振频率的偏移量和品质因数实现介电常数的测量。虽然谐振腔法只能在窄带范围内实现介电常数的测量，但相比于自由空间法和传输线法，谐振腔具有最高的测量准确度，不过仍然存在样品制备复杂的问题。

综上，需要一种新的用于测量物质介电常数的技术及其装置。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的不足，本实用新型提供了一种用于测量介电常数的互补开口谐振环(下文简称“csrr”)微带谐振传感器，包括介质基片、导体信号线、金属接地板以及互补开口谐振环，其中，导体信号线印刷在介质基片正上方，金属接地板一体成型设置于介质基片的正下方，互补开口谐振环蚀刻在金属接地板中。

其中，所述导体信号线印刷在介质基片正上方的中间位置，互补开口谐振环蚀刻于金属接地板的正中间位置，且位于导体信号线的正下方。

其中，所述金属接地板的下方用于容置待测的物质。

其中，所述传感器还包括一对sma连接器，分别焊接于导体信号线两端，用于连接微波电缆和微带线。

本实用新型另外提供一种用于测量介电常数的测量系统，包括csrr微带谐振传感器和矢量网络分析仪，所述csrr微带谐振传感器选自上文所述的csrr微带谐振传感器，其中，所述sma连接器与矢量网络分析仪通过微波电缆连接，矢量网络分析仪用于获取csrr微带谐振传感器的谐振频率。

其中，所述互补开口谐振环的横截面呈现两个相互包覆的方形结构，两个方形结构上各自具有一个开口，开口所处方向相对。

其中，所述互补开口谐振环的横截面呈现的两个相互包覆的方形结构，其边长分别介于7.0-8.0mm及5.0-5.5mm，两个方形结构的间距介于0.2-0.4mm，开口的口径均介于0.3-0.5mm。

本实用新型提供的用于测量介电常数的csrr微带谐振传感器及测量系统，基于csrr实现介电常数的测量，具有体积小、重量轻、成本低、精度高、无损测量、便于样本制备等优点，基本克服了传统微波测量方法存在的弊端。

附图说明

图1：本实用新型的用于测量介电常数的测量系统的完整的结构示意图。

图2：本实用新型的用于测量介电常数的csrr微带谐振传感器的仰视图。

图3：本实用新型的用于测量介电常数的csrr微带谐振传感器的主视图。

图4：本实用新型的微带谐振传感器中互补开口谐振环的俯视结构示意图。

图5：本实用新型的微带谐振传感器对应的等效电路图。

图6：本实用新型建模仿真得到的谐振频率的负二次方与介电常数的线性关系仿真图。

图7：本实用新型在不同样本厚度下建模仿真得到的谐振频率的负二次方与介电常数的线性关系仿真图。

附图标记说明

10-介质基片、20-导体信号线、30-金属接地板、40-互补开口谐振环、50-sma连接器、60-矢量网络分析仪、70-微波线缆。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术方案及有益效果有更进一步的了解，下面结合附图详细说明本实用新型的技术方案及其产生的有益效果。

图1为本实用新型提供的用于测量介电常数的测量系统的完整的结构示意图，图2及图3分别为本实用新型提供的用于测量介电常数的测量系统中测量部分，即csrr微带谐振传感器的测量部分的俯视图及主视图，如图1-图3所示，本实用新型提供的用于测量介电常数的csrr微带谐振传感器，包括介质基片10、导体信号线20、金属接地板30、互补开口谐振环40(下称csrr)、sma连接器50，其中，导体信号线20设置于介质基片10正上方的中间位置，金属接地板30一体成型设置于介质基片10的正下方，互补开口谐振环40蚀刻在金属接地板30的正中间位置，且位于导体信号线20的正下方，sma连接器50设置为一组，分别位于导体信号线20两端，sma连接器50通过微波线缆70与矢量网络分析仪60连接，测量介电常数时，将待测物质放于金属接地板30的下方，矢量网络分析仪60将接收整个微带谐振传感器的谐振频率，经进一步处理后，得到待测物质的介电常数。

图4为本实用新型的微带谐振传感器中，互补开口谐振环的俯视结构示意图，如图4所示，互补开口谐振环的横截面呈现两个相互包覆的方形结构，两个方形结构上各自具有一个开口，开口所处方向相对。方形互补开口谐振环与微带线耦合结构为本实用新型的设计重点，通过在介质基片，以及介质基片两侧设置的导体信号线和金属接地板所形成的微带线结构加载互补开口谐振环构成csrr微带谐振传感器，其中，将csrr蚀刻在微带线结构的金属接地板30上，测量时，待测物质紧密贴合互补开口谐振环40，将传输系数s21在谐振点处的频率值作为传感量(下详述)，实现物质介电常数的测量。

本实用新型提供的用于测量介电常数的csrr微带谐振传感器，当受到垂直的电场激励时csrr产生谐振。微带线中传播的主模是准tem模式，当在微带线的一端以适当的方式激励时，准tem模电场的极化方向基本上垂直于接地平面，特别是信号线与接地平面之间的区域。因此，电场垂直于csrr平面，满足激励条件。

本实用新型提供的用于测量介电常数的csrr微带谐振传感器，根据矢量网络分析仪测量csrr微带谐振传感器得到的谐振频率，进而确定待测物质介电常数的理论依据及分析如下：

图5为本实用新型的微带谐振传感器对应的等效电路图：只要csrr结构的电尺寸足够小，可用集总电路模型描述csrr的响应特性。根据等效电路模型，当谐振器满足谐振条件时，谐振频率为

其中，fr为传感器的谐振频率；c是微带线和csrr间的耦合电容；lc和cc分别代表csrr的电感和电容。

当进行材料介电常数的测量时，待测材料样品紧贴接地板放置并完全覆盖csrr，如果将待测材料的电容用cmut表示，这相当于等效电路上并联一个电容cmut。因此，令cc＝c0+cmut，c0为没有放置待测材料样本时，csrr的固有电容。而除了铁磁质外，其它媒质的相对磁导率μr均近似为1，因此待测材料样本的是否加载，并不影响电感lc的变化。一旦传感器的结构确定，电感lc、电容c和c0均为固定值，谐振频率只与待测材料的电容cmut有关，根据电容的表达式：

其中：ε0为真空中绝对介电常数；εr为介质的相对介电常数；s为介质平行于接地板的横截面积；k是静电力常量；d是介质的厚度。

由式(2)可知，待测样本的电容与样本的介电常数εr成线性关系，则电容cc也与待测样本介电常数成线性关系，即：

εmut∝cc(3)

式(3)中：εmut为待测材料的相对介电常数。

由(1)-(3)可知，与εmut存在线性关系，即

本实用新型的一较佳实施例确定的微带谐振传感器，其结构参数如下：导体信号线的宽度w选取为3mm以实现50ω的阻抗匹配。介质基板采用fr4_epoxy，介电常数为εr＝4.4，介质损耗正切值tanδ＝0.02，信号线与接地板均采用0.035mm的覆铜。介质基板的厚度t＝1.6mm，宽度wg＝20mm，长度lg＝40mm。csrr谐振环尺寸为：l＝7.4mm，w1＝w3＝g＝0.4mm，w2＝0.3mm，l1＝5.2mm。csrr微带传感器两端采用同轴连接器(sma连接器)馈电，阻抗为50ω。

其中，l和l1代表两个方形结构的长度，w1代表外圈的宽度，g代表开口尺寸，w2代表内环与外环的距离，w3代表内环的宽度。

本实用新型通过有限元仿真软件hfss，对上述确定尺寸和参数的微带谐振传感器进行建模仿真，具体的，保持其他参数不变，将待测材料样本的厚度设置为1mm，分别设置介电常数从1变化到10，得到谐振频率，图6为本实用新型建模仿真得到的谐振频率的负二次方与介电常数的线性关系仿真图，由仿真结果可知，随着介电常数的增大，谐振频率减小，传感器谐振频率的负二次方与待测材料样本介电常数εmut成线性关系。这是因为，根据式(2)介电常数的增大导致样本电容cmut增大，即电容cc增大，根据式(1)可知，电容增大，谐振频率相应减小。当待测样品厚度为1mm时，将仿真结果利用专业函数绘图软件originpro9.1进行数据处理，得到谐振频率的负二次方与介电常数εmut存在线性关系的结论，与式(4)相符。

本实用新型同时分别在不同待测材料样品厚度下，将样本介电常数从1变化到10，通过仿真并对仿真数据进行处理，得到不同样品厚度下，谐振频率的负二次方与介电常数之间的关系，如图7所示，结果表明，在不同样品厚度下，均与εmut存在线性关系，厚度的改变将影响线性关系的斜率值。随着厚度的增大，斜率值增大，这就意味着，当待测样本的厚度较大时，介电常数实部值的变化对谐振频率的影响大，传感灵敏度高，测量准确度高。当厚度d≥4mm时，厚度的变化对斜率值的影响不大。

基于以上分析，综合讨论待测样品的介电常数εmut与厚度d对谐振频率的影响，最终拟合出不同样本厚度下，通过测量谐振频率求解介电常数的数学解析式，得到计算介电常数的数学解析式：

式(5)中：εmut为待测材料的介电常数值；fr为传感器的谐振频率；d为待测材料的厚度。

综上所述，当加载待测物质的csrr传感器两侧连接矢量网络分析仪，通过测量传感器的传输系数s21，得到谐振频率fr，再利用游标卡尺测量待测物质的厚度d，由式(5)即可以实现不同厚度待测材料介电常数的测量。

本实用新型的矢量网络采用多种不同厚度不同介电常数的介质基板作为待测材料样本，将待测样本紧贴接地板放置，并完全覆盖csrr谐振环，分别测量传输系数s21，获得不同样本下的谐振频率值fr。采用游标卡尺测量待测样本的厚度，得到厚度值d，由数学解析式(5)计算出待测物质的介电常数，如表1所示。

利用加工制造的csrr微带传感器测量出谐振频率如表1第2列所示，游标卡尺测量得到的厚度值如表第7列所示，进而由式(5)计算出的基质板介电常数值如表1第4列所示。测量结果与介质基板制造商提供的参考数据，如表1中第3和第6列所示进行对比。介电常数值和待测样本厚度值的测量误差由表1第5列和第8列给出。由表1可知，介电常数的测量值和厚度测量值与参考值相比，厚度相对测量误差在1.5％以内，介电常数的误差与厚度有关，厚度越小，介电常数的测量误差越大，当厚度d>2mm时，介电常数的测量误差在3.5％以内。因此，在实际测量时，在制备待测样本时，应尽量使其厚度值大于2mm，以保证测量的准确度。

表1：本实用新型测量所得介电常数与实际值的比对结果

综上，本实用新型采用基于csrr的微带谐振传感器，当待测物质紧贴并覆盖csrr环时，待测物质的介电常数影响电容值，进而影响谐振频率，通过测量传输系数s21谐振点处的频率，从而实现物质介电常数的间接测量。

本实用新型的用于测量介电常数的csrr微带谐振传感器，基于csrr实现介电常数的测量，具有体积小、重量轻、成本低、精度高、无损测量、便于样本制备等优点，基本克服了传统微波测量方法存在的弊端。

本实用新型中的csrr微带传感器，综合考虑了待测材料样本厚度对测量结果的影响，具有较高的测量精度。将不同厚度不同类型的基质板用于介电常数的测量，实验结果表明，待测物质厚度越大，测量精度越高，当厚度d>2mm时，介电常数的测量误差在3.5％以内。因此，在实际测量时，在制备待测材料样本时，应尽量使其厚度值大于2mm，以保证测量的准确度。

本实用新型中，所谓的“sma连接器”为已有的通用连接器，用于连接微带谐振传感器与微波线缆，以实现微带谐振传感器与矢量网络分析仪的连接，作为输入输出接口。

虽然本实用新型已利用上述较佳实施例进行说明，然其并非用以限定本实用新型的保护范围，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围之内，相对上述实施例进行各种变动与修改仍属本实用新型所保护的范围，因此本实用新型的保护范围以权利要求书所界定的为准。