一种基于人工斯格明子结构的高性能微波传感器

1.本发明涉及微波传感技术领域，尤其涉及一种基于人工斯格明子结构的高性能微波传感器。


背景技术：

2.介电常数是描述介质材料电特性的宏观参数，也是麦克斯韦方程中本构参数之一。微波环境下固体材料的相对介电常数测量在航空航天、农业、国防工业、生物医学和毫米波器件等领域有着广泛的应用。随着科技的发展，介电常数测量的方法从最原始的电容器测量法发展到波导反射法、谐振腔法和传输反射法等等。微波传感器测量技术具有非侵入性、高灵敏度、高测量精度、可实时监测等优点，在固体的介电常数测量领域已经成为主流技术。
3.其中，以开口环谐振器、基片集成波导等平面谐振器为基础设计平面式传感器成为近年的热门研究课题，相较于其他种类微波测量传感器，平面式传感器结构稳定，易于制作，可以方便地印刷在电路板上，易于集成到射频芯片上，可实现高可靠性、高性能、低成本的介电常数测量。
4.尽管平面微波传感器已经发展地相对成熟，但普遍精度不高，灵敏性也够，同时也不具有拓扑鲁棒性。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于人工斯格明子结构的高性能微波传感器。
6.本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
7.一种基于人工斯格明子结构的高性能微波传感器，包括同轴馈电探针、人工斯格明子谐振器、以及矢量网络分析仪；
8.所述人工斯格明子谐振器包含衬底基板和人工斯格明子结构，其中，所述衬底基板的介电常数值小于3；所述人工斯格明子结构为连续形变的波导卷绕元结构，里端封闭、外端开放，刻蚀在所述衬底基板的上表面；所述衬底基板在所述人工斯格明子结构的中心处设有金属化过孔；
9.所述的人工斯格明子结构具有等间隔的谐振频点，谐振频点λm与其波导有效长度s唯一相关：
[0010][0011]
式中，m为人工斯格明子结构的模式数；
[0012]
所述同轴馈电探针设置在所述衬底基板的下端面，一端通过衬底基板上的金属化过孔和所述人工斯格明子结构的中心直接相连，另一端和所述矢量网络分析仪相连；
[0013]
所述矢量网络分析仪用于发射高频电磁波信号激励人工斯格明子谐振器工作并
接收人工斯格明子谐振器反馈的s11参数。
[0014]
作为本发明一种基于人工斯格明子结构的高性能微波传感器进一步的优化方案，所述衬底基板采用厚度为1mm，尺寸是10*10mm，相对介电常数值为2.2的聚四氟乙烯基板。
[0015]
作为本发明一种基于人工斯格明子结构的高性能微波传感器进一步的优化方案，所述人工斯格明子结构采用厚度是0.018mm的金属铜箔制成的连续形变的波导卷绕元结构。
[0016]
作为本发明一种基于人工斯格明子结构的高性能微波传感器进一步的优化方案，所述人工斯格明子结构的金属臂采用圆形、方形、六边形、椭圆中的任意一种。
[0017]
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0018]
本发明所设计的传感器在兼具平面微波传感器结构紧凑、易于集成、方便测试、价格低廉等优势的同时，还具有人工斯格明子结构所具备的固有优势：
[0019]
1.高灵敏度：利用人工斯格明子结构的强局域型场，所设计的传感器平均灵敏度达到4.5％以上；
[0020]
2.拓扑鲁棒性：基于人工斯格明子结构对连续形变的卷绕元具有拓扑鲁棒性，所设计的传感器在线长相等的前提下，对不同形状结构的人工斯格明子谐振器有相同的谐振频点及传感性能；
[0021]
3.宽频多模测试：利用人工斯格明子谐振器的前八个模式，实现了宽频带、多模式的协同测试，进一步提高了传感器的精度，并满足了不同频段下传感测试的需求。
附图说明
[0022]
图1为本发明的除去矢量网络分析仪的结构示意图；
[0023]
图2为本发明在空载情况下的s参数曲线；
[0024]
图3为人工斯格明子谐振器加载测试板后的结构示意图；
[0025]
图4为测试板厚度对本发明谐振频点及传感结果的影响示意图；
[0026]
图5为本发明前八个模式的谐振频点随测试板相对介电常数值变化而偏移的曲线示意图；
[0027]
图6为测试板相对介电常数值与本发明前八个模式的谐振频点关系拟合曲线的示意图；
[0028]
图7为本发明前八个模式的灵敏度示意图；
[0029]
图8为本发明前八个模式的频率检测分辨率示意图。
具体实施方式
[0030]
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
[0031]
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
[0032]
如图1所示，本发明公开了一种基于人工斯格明子结构的高性能微波传感器，包括同轴馈电探针、人工斯格明子谐振器、以及矢量网络分析仪；
[0033]
所述人工斯格明子谐振器包含衬底基板和人工斯格明子结构，其中，所述衬底基
板的介电常数值小于3；所述人工斯格明子结构为连续形变的波导卷绕元结构，里端封闭、外端开放，刻蚀在所述衬底基板的上表面；所述衬底基板在所述人工斯格明子结构的中心处设有金属化过孔；
[0034]
所述的人工斯格明子结构具有等间隔的谐振频点，谐振频点λm与其波导有效长度s唯一相关：
[0035][0036]
式中，m为人工斯格明子结构的模式数；
[0037]
所述同轴馈电探针设置在所述衬底基板的下端面，一端通过衬底基板上的金属化过孔和所述人工斯格明子结构的中心直接相连，另一端和所述矢量网络分析仪相连；
[0038]
所述矢量网络分析仪用于发射高频电磁波信号激励人工斯格明子谐振器工作并接收人工斯格明子谐振器反馈的s11参数。
[0039]
所述的人工斯格明子谐振器结构采用同轴馈电的激励方式，将人工斯格明子结构刻蚀在厚度为1mm，尺寸是10*10mm，相对介电常数值为2.2的聚四氟乙烯(f4b)衬底基板上。
[0040]
所述的人工斯格明子结构为一端短路的波导卷绕元结构，材料为厚度是0.018mm的金属铜箔，为验证斯格明子结构对连续形变的卷绕元具有拓扑鲁棒性，本发明中的人工斯格明子结构的金属臂采用圆形、方形、六边形、椭圆中的任意一种。
[0041]
为了验证本发明的效果，这里使用的测试板的尺寸与衬底基板相同，为10*10mm，厚度需1mm以上，相对介电常数值在1-10之间。
[0042]
本发明公开的基于人工斯格明子结构的高性能微波传感器在1-8ghz之间具有等间隔的谐振频点，通过在谐振器上方加载测试板，对斯格明子强局域场产生了扰动，谐振器频点产生偏移，利用曲线拟合技术分别得出测试板相对介电常数值和每个模式谐振频点之间的关系式，就能够实现了固体介电常数的传感测量功能。
[0043]
如图1所示，人工斯格明子结构线长为128mm，线宽w为0.15mm，缝隙宽度为0.3mm，厚度为0.018mm，材料为金属铜。衬底基板是厚度为1mm，相对介电常数为2.2的f4b板材，该基板在保证传感器传感性能的前提下提供了良好的支撑作用。采用同轴探针的馈电方式目的在于能够激励起更多的斯格明子模式，从而实现宽频多模传感测量。
[0044]
图2示出了实施例中基于人工斯格明子结构的高性能微波传感器在空载情况下的s参数曲线。由图可知，该传感器具有等间隔的多个谐振频点，取前八个谐振频点用作传感测量。
[0045]
图3示出了该实施例中基于人工斯格明子结构的高性能微波传感器在加载测试板后的结构示意图。其中，区域
①
为测试板，区域
②
为衬底基板。测试板大小与衬底基板相同，为10*10*1mm，其放置位置为人工斯格明子结构正上方。
[0046]
图4示出了测试板厚度对实施例中基于人工斯格明子结构的高性能微波传感器传感结果的影响。由图可知，随着测试板厚度的增加，传感器的谐振频点及频偏将不受测试板厚度影响，这是因为人工斯格明子场的强局域性，当厚度达到一定值时将不再对场产生新的扰动。
[0047]
图5示出了实施例中基于人工斯格明子结构的高性能微波传感器前八个模式谐振频点随测试板相对介电常数值的变化情况。由图可知，随着测试板相对介电常数值的增加，
谐振频点向低频处偏移，且偏移趋势减缓。此外，随着模式数的增加，频移值逐渐增大。
[0048]
图6示出了实施例中基于人工斯格明子结构的高性能微波传感器在进行固体介电常数测量时，固体相对介电常数值与谐振频点的拟合曲线，通过拟合曲线可得固体相对介电常数值与谐振频点的关系式，从而通过直接可以测得的谐振频点推算出测试板介电常数值。例如，本实施例中测试板相对介电常数值与斯格明子基模的谐振频点关系式为：
[0049][0050]
图7示出了实施例中的传感器前八个模式灵敏度值。由图可知，传感器灵敏度最高可达5.0％以上。
[0051]
图8示出了实施例中的传感器前八个模式频率检测分辨率值。由图可知，传感器频率检测分辨率值随模式数的增加而增大，最高可达0.7ghz以上。
[0052]
在其他实施例中，衬底基板并不局限于f4b板材，只要能够对刻蚀在上的人工斯格明子结构能够起到很好的支撑作用，不易形变，且相对介电常数值较低，对传感结果影响较小即可。人工斯格明子结构的金属臂也可以采用其他形状。
[0053]
人工斯格明子结构中的金属臂采用圆形时，人工斯格明子结构的形状公式为其波导总有效长度其中，r是圆形卷绕元的外半径，nr为螺旋线的匝数，d为线宽w和缝隙宽度s之和，即周期长度。
[0054]
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0055]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。