基于嵌入交指结构的微带微波传感器系统及其应用

本发明属于微波，涉及一种基于嵌入交指结构的微带微波传感器系统及其应用，特别涉及一种基于嵌入交指结构的微带微波传感系统及其在测量不同浓度液体的介电常数上的应用。

背景技术：

1、在不同浓度的溶液介电常数检测领域，涌现出了很多检测技术和方法，如：光谱法、电化学检测法、光纤传感技术以及微波传感技术等。其中，微波传感器技术因其具备检测便捷、灵敏度高、加工制作成本低和便于携带等优势受到了较大的关注和研究。

2、截至目前为止，世界各地的学者对微波传感器进行了广泛和深入的研究并提出了很多创新的设计思路和结构，主要分为两大路线：第一条路线是从无源谐振单元的结构出发通过优化不断改进谐振单元的结构使其电场或者磁场强度得到更大的束缚，从而提高检测的灵敏度；第二条路线是把有源电路嵌入到微波传感器中使之形成一款系统级检测设备。第一条路线通过开发无源谐振单元，涌现了许多新型的谐振单元结构，包括：裂环谐振器(split-ring resonator，srr)、互补裂环谐振器(complementary split-ringresonator，csrr)、电-lc(electric-lc，elc)、人工表面等离激元(spoof surface plasmonpolaritons，sspp)、基片集成波导(substrate integrated waveguide，siw)、半模基片集成波导(half-mode substrate integrated waveguide，hmsiw)、阶跃阻抗谐振器(steppedimpedance resonator，sir)以及它们的相关改进型结构。这类无源谐振器均是在谐振单元的基础上，通过引入新型的枝节结构以最大限度地束缚电场从而使更多的电场线穿过被检测物质。第二条路线可以说是在第一条路线的基础上，通过嵌入有源电路使之形成一款系统级检测设备，引入的有源电路可以把不同浓度介电常数与谐振频率的变化关系转化为介电常数与直流电压的关系从而综合出相应的数学模型以预测未知浓度液体的介电常数值。第一种路线因为仅仅依靠无源谐振单元进行介电常数的检测，虽然加工制作成本较低，但是需要昂贵矢量网络分析的依赖，也不方便携带，存在检测不方便的问题；第二种路线采用射频有源系统可以摆脱对昂贵矢量网络分析的依赖，制作成本将更低廉，也更加易于携带，检测更加便捷。本发明不仅在微波无源谐振单元上进行改进以增强电场的束缚能力，而且通过嵌入有源射频电路系统使之形成一款高灵敏的系统级检测设备。

3、本发明提出一种基于嵌入交指结构的微带微波传感器系统，主要包括两部分，一部分是嵌入交指结构的改进型微带结构，另一部分是有源传感器系统。

4、该嵌入交指结构的改进型微带结构是从传统的标准50欧姆微带线基础上改进而来，通过将标准微带线的中间部分宽度增宽，然后刻蚀交指结构从而增强电场的束缚能力进而提高检测灵敏度。与传统的交指结构相比，本发明引入新型交指结构，主要体现在三个方面：一是结构方面，通过将下半部分交指结构的中间刻蚀缝隙延长以贯通上半部分结构从而形成一个共同的主刻蚀通道，并且电场主要束缚于主刻蚀通道区域；二是产生的模式方面，通过子缝隙与主通道缝隙之间的电磁相互耦合作用，新型交指结构可产生两个奇模谐振模式，即奇模1和奇模2；三是高q值特性，本发明所提出的新型交指结构的奇模1谐振模式具有较高的陷波特性和高q值特点，更加有利于微流液体介电常数的检测。本发明利用奇模谐振模式1用来进行液体介电常数的检测。

5、本发明的有源传感器系统主要包括有源射频器件和低频模拟器件，即功分器、低噪声放大器、时延线、下变频器、低通滤波器和模拟基带放大器。该有源传感器系统的工作原理可简述为：当信号源发出某一个特定的频率信号时，经过功分器分为两路射频信号，即支路1和支路2；支路1的射频信号经过无源谐振单元，此时改变了该射频信号的幅度和相位；接着，支路1的射频信号又经过延时线，此时改变了该射频信号的相位；接下来，支路1和支路2的射频信号通过下变频器，此时输出一个2倍频射频信号和另一个零中频信号(直流电压)；紧接着，经过低通滤波器后，该2倍频信号被滤除，只剩下直流电压；最后，该直流电压被基带放大器放大，利用万用表测试出该直路电压的读数。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术的不足，提出了一种基于嵌入交指结构的改进型微带微波传感器系统。该传感器的无源谐振单元部分是从传统标准的50欧姆微带线结构改进而来，通过把该标准50欧姆微带线的中间部分宽度加宽以刻蚀交指结构，交指结构的嵌入将使电场得到更大的束缚从而提高检测灵敏度。与传统的交指结构相比，本发明引入新型交指结构，主要体现在三个方面：一是结构方面，通过将下半部分交指结构的中间刻蚀缝隙延长以贯通上半部分结构从而形成一个共同的主刻蚀通道，并且电场主要束缚于主刻蚀通道区域；二是产生的模式方面，通过子缝隙与主通道缝隙之间的电磁相互耦合作用，新型交指结构可产生两个奇模谐振模式，即奇模1和奇模2；三是高q值特性，本发明所提出的新型交指结构的奇模1谐振模式具有较高的陷波特性和高q值特点，更加有利于微流液体介电常数的检测。通过增加有源射频器件和低频模拟器件的形式组成该检测系统，将介电常数与谐振频率的变化关系转化为介电常数与直流电压的关系从而建立起数学模型用以预测未知浓度液体的介电常数，摆脱对昂贵矢量网络分析的依赖。

2、本发明按以下技术方案实现：

3、第一方面，本发明提供一种基于嵌入交指结构的改进型微带微波传感系统，是一个系统级检测设备，包括依次级联的信号发生器(1)、功分器(2)、并行设置的两条支路、混频器(7)、低通滤波器(8)、基带放大器(9)以及万用表(10)；

4、所述并行设置的两条支路包括第一支路、第二支路；所述第一支路包括依次级联的第一射频放大器(3)、嵌入交指结构的微带微波无源谐振单元(5)、延时线(6)；所述第二支路包括第二射频放大器(4)；

5、所述信号发生器(1)发出某一特定频率的射频信号，被功分器(2)一分为二，第一支路的射频信号依次经过第一射频放大器(3)、微波无源谐振单元(5)和延时线(6)，此时的射频信号的幅值和相位被微带微波无源谐振单元(5)和延时线(6)所改变；第二支路的射频信号经过第二射频放大器(4)；第一支路的输出射频信号当作混频器(7)的输入信号，第二支路的输出射频信号当作混频器(7)的本振信号，混频器(7)输出的信号为一个2倍频的射频信号和一个零中频的直流信号，接着经过低通滤波器(8)，此时2倍频的射频信号被低通滤波器(8)滤除，只剩下零中频的直流信号，然后该直流信号被基带放大器(9)放大，最后放大后的直流信号被万用表(10)测量获取。

6、所述嵌入交指结构的微带微波无源谐振单元(5)包括顶层(21)、中间层(22)、底层(23)；

7、所述顶层(21)是一块金属层；所述金属层在传统标准50欧姆微带线的基础上，通过把微带线中间部分的线宽加宽，从而便于刻蚀交指结构(219)，使电场更加被束缚于交指结构区，该区域可作为液体检测的感应区域；所述金属层包括依次连接的输入端口(211)、第一微带线(213)、第二微带线(214)、第三微带线(220)和输出端口(212)；所述第二微带线(214)的中心位置刻蚀有交指结构(219)；

8、所述第一微带线(213)与第二微带线(214)相互连接，并且在连接处的位置刻蚀了第一小缝隙(215)和第二小缝隙(216)；所述第三微带线(220)与第二微带线(214)相互连接，并且在连接处刻蚀了上下对称的第三小缝隙(217)和第四小缝隙(218)；

9、所述交指结构(219)包括上下部分、以及贯通上下部分的第三刻蚀缝隙(2193)，其中上部分包括第一刻蚀缝隙(2191)、第六刻蚀缝隙(2196)、第五刻蚀缝隙(2195)，下部分包括第二刻蚀缝隙(2192)、第四刻蚀缝隙(2194)、第七刻蚀缝隙(2197)；所述第一刻蚀缝隙(2191)位于交指结构(219)的上端；所述第二刻蚀缝隙(2192)位于交指结构(219)的下端，并且第一刻蚀缝隙(2191)和第二刻蚀缝隙(2192)通过第三刻蚀缝隙(2193)相贯通，呈现“工”字形状；所述第四刻蚀缝隙(2194)位于第二刻蚀缝隙(2192)的朝向所述第一刻蚀缝隙(2191)侧并与第二刻蚀缝隙(2192)直接连接，且其与所述第一刻蚀缝隙(2191)存在间距；所述第五刻蚀缝隙(2195)位于第一刻蚀缝隙(2191)的朝向所述第二刻蚀缝隙(2192)侧并与第一刻蚀缝隙(2191)直接连接，且其与所述第二刻蚀缝隙(2192)存在间距；所述第六刻蚀缝隙(2196)位于第二刻蚀缝隙(2192)的朝向所述第一刻蚀缝隙(2191)侧并与第二刻蚀缝隙(2192)直接连接，且其与所述第一刻蚀缝隙(2191)存在间距；所述第七刻蚀缝隙(2197)于第一刻蚀缝隙(2191)的朝向所述第二刻蚀缝隙(2192)侧并与第一刻蚀缝隙(2191)直接连接，且其与所述第二刻蚀缝隙(2192)存在间距；

10、所述第五刻蚀缝隙(2195)位于第三刻蚀缝隙(2193)、第四刻蚀缝隙(2194)间；所述第六刻蚀缝隙(2196)位于第三刻蚀缝隙(2193)、第七刻蚀缝隙(2197)间；

11、所述第四刻蚀缝隙(2194)和第五刻蚀缝隙(2195)呈上下对称交错排列；所述第六刻蚀缝隙(2196)位于第一刻蚀缝隙的右上角并且直接与第一刻蚀缝隙(2191)直接连接；所述第七刻蚀缝隙(2197)位于第二刻蚀缝隙的右下角并且与第二刻蚀缝隙(2192)直接连接；第六刻蚀缝隙(2196)和第七刻蚀缝隙(2197)呈上下对称交错排列；

12、所述第一微带线(213)、第二微带线(214)、第三微带线(220)均位于介质基板的中心位置；所述刻蚀的交指结构(219)位于第二位微带线(214)的中心位置，起到束缚电场的作用以增强检测灵敏度；所述交指结构(219)作为电磁感应区域，pdms基片(24)放置于交指结构(219)的上表面；所述pdms基片(24)的内部刻蚀出微流通道(25)以放置检测液体；此交指结构(219)将产生两个奇模谐振模式，即奇模1和奇模2，利用奇模1进行液体介电常数的检测；

13、所述中间层(22)是一块介质基板；

14、所述底层(23)是一块完整的金属层；

15、所述第一微带线(213)的长度、宽度分别与第三微带线(220)的长度、宽度一致；第二微带线(214)的宽度大于第一微带线(213)和第三微带线(220)的宽度；

16、在pdms基片(24)的内部挖出一个微流通道(25)，用以盛放待测液体；

17、通过第二微带线(214)延长以贯通所述交指结构(219)的上下部分，从而形成一个共同的主通道缝隙，并且电场主要束缚于主通道缝隙区域；第六刻蚀缝隙(2196)、第五刻蚀缝隙(2195)、第四刻蚀缝隙(2194)、第七刻蚀缝隙(2197)作为子缝隙与主通道缝隙之间的电磁相互耦合作用，交指结构(219)可产生两个奇模谐振模式，即奇模1和奇模2，利用奇模1谐振模式实现微流液体介电常数的检测。

18、第二方面，本发明提供上述改进型微带微波传感系统在测量不同浓度液体的介电常数上的应用。

19、第三方面，本发明提供基于上述的改进型微带微波传感系统的液体介电常数测量方法，所述方法具体是：

20、步骤s1：计算空载状态下基带放大器(9)输出信号的数学表达式：

21、s11：假定信号发生器(1)发出的射频信号s满足以下数学表达式：

22、a·cos(2πf0t)   式(1)

23、其中a为射频信号s的幅值，f0为射频信号s的频率，t为时间；

24、s12：射频信号s通过功分器(2)后均分为第一支路和第二支路的射频信号，其数学表达式写为：

25、a/2·cos(2πf0t)   式(2)

26、s13：第一支路的射频信号通过射频放大器(3)以及第二支路的射频信号通过射频放大器(4)之后，其数学表达式均可写为：

27、a/2·b·cos(2πf0t)   式(3)

28、其中，b是射频放大器的增益；

29、s14：第一支路的射频信号接着通过微带微波无源谐振单元(5)，其输出的信号数学表达式可写为：

30、a/2·b·c·cos(2πf0t-2πf0τ1)   式(4)

31、其中b为微带微波无源谐振单元(5)的衰减系数，τ1是微带微波无源谐振单元(5)的延时时间；

32、s15：第一支路的射频信号经过延时线(6)后，其数学表达式可写为：

33、a/2·b·c·cos(2πf0t-2πf0τ1-2πf0τ2)   式(5)

34、其中τ2为延时线的延时时间；

35、s16：第一支路的射频信号作为混频器(7)的输入端口，第二支路的射频信号作为混频器(7)的本振端口，那么混频器(7)的输出端口信号的数学表达式可写为：

36、

37、其中d为混频器(7)的变频损耗；

38、s17：混频器(7)的输出端的信号经过低通滤波器(8)后，其数学表达式可写为：

39、

40、s18：低通滤波器(8)输出的信号经过基带放大器(9)后，其数学表达式可写为：

41、

42、其中e为基带放大器的倍数；

43、s19：空载状态下，调整延时线的长度使基带放大器(9)输出的直流电压为零伏。

44、s2、制作标准曲线：

45、s2-1：将不同浓度的待检测液体注入pdms基片(24)时，此时奇模1谐振模式将发生变化，此时基带放大器(9)输出信号直流电压的数学表达式可写为：

46、

47、其中τ3为微波无源谐振单元加载不同浓度液体时的延时时间。

48、s2-2：记录不同浓度液体的液体注入pdms基片时所对应的直流电压输出值，利用matlab数值软件拟合出不同浓度液体的介电常数与直流电压的数学表达式；

49、s3、待检测液体的介电常数检测：

50、将待测液体注入pdms基片(24)后，将所得到的直流电压带入上述的标准曲线方程式中推算出待检测液体的介电常数。

51、本发明的有益效果为：

52、1、与传统的交指结构相比，本发明引入新型交指结构，主要体现在三个方面：一是结构方面，通过将下半部分交指结构的中间刻蚀缝隙延长以贯通上半部分结构从而形成一个共同的主刻蚀通道，并且电场主要束缚于主刻蚀通道区域；二是产生的模式方面，通过子缝隙与主通道缝隙之间的电磁相互耦合作用，新型交指结构可产生两个奇模谐振模式，即奇模1和奇模2；三是高q值特性，本发明所提出的新型交指结构的奇模1谐振模式具有较高的陷波特性和高q值特点，更加有利于微流液体介电常数的检测。

53、2、本发明在传统标准50欧姆的微带线的基础上，通过加宽中间部分微带线的宽度以便于容纳交指结构，此时将产生两个奇模谐振模式。本发明利用奇模1谐振模式用来检测待测液体的介电常数值。交指结构的嵌入将有效提高检测灵敏度。

54、3、本发明的基于嵌入交指结构的微带微波传感系统将介电常数与谐振频率的变化关系转化为介电常数与直流电压的关系，从而更加便捷地检测不同浓度的介电常数值，摆脱对昂贵矢量网络分析仪的依赖。

55、4、本发明的基于嵌入交指结构的微带微波传感系统具有方便携带、制作加工成本低廉、检测方便等优点。

56、5、本发明的基于嵌入交指结构的微波传感系统后续可增加额外的无线网络模块以接入5g/6g网络从而实现实时、无线、远程监控的目的。