基于共面波导/槽线线型的流体介电特性微小变化检测装置的制作方法

本发明属于微波测量技术领域，具体涉及一种基于共面波导/槽线线型的流体介电特性微小变化检测装置。

背景技术：

随着微波技术的不断发展，物质的介电特性测量在微波工程、微波化学和电磁场生物医学等领域占据了重要的地位。传统的微波介电特性测量可以分为谐振法和非谐振法，其中非谐振法相对简单。在非谐振法中，传输-反射法在宽带测量中得到了广泛的应用，且对低损耗的物质的介电特性测量都可达到较高的精度。

但是对于蛋白质热变性、单细胞特性、微波化学非热效应检测及生物医学信息的电检测等，均面临被测物质介电特性的微小变化的测量，这些微小变化可能是被测物质的介质或者介质团十分微小即被测对象为微流体，或者是被测物质在外界因素的扰动下，其自身的温度或者微观结构发生了微弱的偏移，从而引起介电特性的微小改变。这些微小变化的信息十分微弱且伴随有强背景噪声，或者信号波动性强且常处于变化状态，传统的微波测量装置无法捕捉到这些微弱的信息。文献（yang,y.,h.zhang,j.zhu,etal.distinguishingtheviabilityofasingleyeastcellwithanultra-sensitiveradiofrequencysensor[j],labchip,10(5):553–555,2010.）提出了一种射频传感器，该文献采用“两支路相消”的理念设计检测装置。与传统传输-反射法相比，其灵敏度大大提高，在射频频段检测到了细胞的特性，但上述检测装置带宽有限。因此，需要提供另选的更有效且更灵敏的宽带测量装置来检测流体介电特性微小变化。

技术实现要素：

针对现有的流体物质介电特性微小变化测量技术中存在的带宽窄、灵敏度低等问题，本发明的目的在于提供了一种基于共面波导/槽线线型的流体介电特性微小变化检测装置。

本发明为实现上述目的采用如下技术方案，基于共面波导/槽线线型的流体介电特性微小变化检测装置，其特征在于包括两个宽带平面槽线结构的混合环耦合器，第一混合环耦合器的输入端口采用共面波导传输线，该输入端口与第一1/4环形槽线之间连接有共面波导-槽线巴伦，第一1/4环形槽线的两个平衡端口和隔离端口为共面波导传输线，其中隔离端口的末端加载有扇形辐射面，两个平衡端口为180°反相输出且在该平衡端口的末端分别连接有共面波导-槽线背靠背巴伦；第二混合环耦合器的输出端口采用共面波导传输线，第二1/4环形槽线的两个平衡端口为共面波导传输线，其中隔离端口为槽线，其末端加载有扇形辐射面，两个平衡端口为同相输出且在该平衡端口的末端分别连接有共面波导-槽线背靠背巴伦；两个混合环耦合器的平衡端口分别通过槽线段相连接形成传输线路和参考线路两条支路，并且在连接两个混合环耦合器的槽线段上设有微流体通道。

进一步优选，所述的第一混合环耦合器的输入端口和第二混合环耦合器的输出端口分别与矢量网络分析仪连接。

进一步优选，所述的微流体通道为t型微流体通道，该t型微流体通道用于放置被测样品。

本发明的技术方案是提供了一种流体介电特性微小变化检测装置，其主要包括一个输入端口、一条传输线路、一条参考线路及一个输出端口；在两条线路上设置有微流体通道，用于承载检测及参考微流体。测试过程中，将被测流体放置在微流体通道上，这相当于引入了不连续性结构，从而使测试装置的端口散射参数信息发生变化，这种变化反映了被测物介电特性的微小改变。本发明正是利用了微波的上述传输原理，设计出了基于共面波导/槽线线型的流体介电特性微小变化检测装置，微流通道使被测物充分影响电磁波的传输，因此该装置的检测灵敏度可大大提高。

通过有限元（fem）算法对该检测装置进行了数值仿真，实验结果显示该装置可在2-4.5ghz的频带能够敏感感知纳升量级的微流体引起的微弱信息，并且能够检测的两条线路微流体介电特性变化的极限是1.6。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明提供的基于共面波导/槽线结构的流体介电特性微小变化检测装置，所需的被测流体体积为纳升量级，可用于细胞学、电磁场生物医学、微波化学非热效应及蛋白质热变性等领域的应用，并且该检测装置灵敏度高，频带宽，检测方法简单，易于集成，具有与其它装置组合成微型分析系统的潜质，本发明提出的检测装置为双端口测量，可避免多解问题，因而其流体介电特性微小变化的信息捕捉结果更加精确、更加可靠。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明核心部件及电场示意图；

图3是本发明中t型微流体通道的结构示意图；

图4是本发明在加载微流体前的传输参数。

图中：1、输入端口，2、输出端口，3、信号传输缝隙，4、中间导带，5、第一1/4环形槽线，51、第二1/4环形槽线，6、共面波导-槽线巴伦，61、共面波导-槽线背靠背巴伦，7、平衡端口，8、隔离端口，9、扇形辐射面，10、槽线段。

具体实施方式

结合附图详细描述本发明的具体内容。本发明的基于共面波导/槽线线型的流体介电特性微小变化检测装置如图1所示，包括输入端口1和输出端口2，两者均为共面波导传输线，其包括两条信号传输缝隙3和中间导带4；输入端口1与第一1/4环形槽线5之间连接有共面波导-槽线巴伦6；信号从第一混合环耦合器的输入端口1输入，经过共面波导-槽线巴伦6传输到1/4环形槽线5处时分成幅度相同相位相反的两路信号，这两路信号极少部分会到达第一个混合环耦合器的隔离端口8，该隔离端口8采用共面波导传输线且在该共面波导传输线的末端加载有扇形辐射面9；大部分信号到达由共面波导传输线组成的第一个混合环耦合器的两个平衡端口7，此后经过共面波导-槽线背靠背巴伦61过渡成槽线模式，并分别经过槽线段10部分到达第二个混合环耦合器的两个平衡端口7，第二混合环耦合器的两个平衡端口7为共面波导传输线，在槽线段10及第二个混合环耦合器的两个平衡端口7部分采用槽线-共面波导背靠背巴伦61，最后这两路信号分别经第二1/4环形槽线51到达第二混合环耦合器的输出端口2，理想情况下，到达第二混合环耦合器输出端口2的两路信号可以相消，极少部分会反射到由槽线组成的第二个混合环耦合器的隔离端口8处，在该隔离端口8的末端也加载有扇形辐射面9。

图2是组成本发明提出的测试装置的核心部件及各部分电场的示意图，从图2可以看出，信号由e臂输入时，到达1/4环形槽线部分将转变成幅度相同相位相反的两路信号，即两个平衡臂（平衡臂1和平衡臂2）的输出信号将有180°的相位差，理想情况下h臂无信号输出；反之如果信号由h臂输入，两个平衡臂（平衡臂1和平衡臂2）将输出相同的信号，而理想情况下e臂无信号输出。

为便于微流体介电特性的检测，在如图1所示的两支路部分传输线路和参考线路分别设计了t型微流体通道，其形状如图3所示。测试时将被测样品放置于传输线路的t型微流体通道中，同时第一混合环耦合器的输入端口1与第二混合环耦合器的输出端口2分别与矢量网络分析仪相连。

本发明关于流体介电特性微小变化检测的对象是微流体或者是被测流体的温度、浓度或内部结构的微小变化，检测原理是通过分析检测装置加载被测对象前后两端口散射参数变化情况，并采用神经网络方法依据散射参数信息重构被测物质介电特性的微小变化。由于本发明提出的检测装置在未加载被测物时有效地消除了背景噪声，因此可灵敏感知极微弱的外界干扰。

图4给出了检测装置未加载被测物时的传输参数情况，从图中可以看出，本发明提出的检测装置在2-4.5ghz的范围内有效消除了传输线的背景噪声，其传输参数在整个频带内低于-45db，当将被测对象放置于检测装置的微流体通道时，相当于引入了不连续性结构，原来的平衡被打破，两支路上微小差异将反映在端口的散射参数的相位及幅度变化中。研究表明，该发明可在宽带范围内灵敏感知纳升量级的微流体，并且微流体体积越大，灵敏度越高，因为对于相同的被测流体，其体积越大，传输参数的频偏将越大。

本发明提出的流体介电特性微小变化检测装置，全部采用共面传输线构造，且各部分无需焊接引线，更便于实现高灵敏度测试、小型化制作及与其它微波电路集成，微流体通道只需设置在连接两个混合环耦合器的槽线段上，具体位置无明确要求。

以上显示和描述了本发明的基本原理，主要特征和优点，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围。