基于分形微带天线的物质组分微小变化的检测装置

本实用新型属于微波电路领域，具体涉及一种基于分形微带天线的物质组分微小变化的检测装置。

背景技术：

随着现代微波的发展，微波技术已发展成为一门相当成熟的学科，不但在通信、雷达、电磁兼容、电子隐身技术，而且在化工及生物医学工程等行业都得到了越来越广泛的应用。尤其是在微波化学工程领域内，无论是在医药化工、食品化工、无机化学反应，微波能的应用都显示着巨大的生命力，而这些成功的应用都是通过研究微波与物质的相互作用即微波测量来实现的。在微波测量学中，化学溶液的介电常数测量是重要且热点的研究问题之一。然而对于传统的测量方法而言，在测量介电常数的微弱变化及耐腐蚀等方面具有一定的局限性。溶液介电常数测量的方法可以分为谐振腔法和网络参数法两大类。其中，谐振腔法是通过测量被测样品放入腔体前后品质因数和谐振频率的改变而计算其介电常数的。谐振法需要样品的准备，测试精度较高，但是样品的制备过程比较繁琐，同时，该方法不合适测量溶液特别是易腐蚀溶液介电变化。网络参数法是将测量装置及被测物看成是单端口或者双端口网络，然后采用合适的方法如传输/反射法等测量该网络的散射参数，然后依据材料的介电常数与测量得到的散射参数之间的关系计算得到被测样品的介电常数。网络参数法一般不需要样品的准备，但缺点是相对于谐振方法来说，测量精度容易受电路性能的影响，导致误差较大。

专利cn103969510a公开了：一种轴对称结构的金属测试腔，通过同轴线将金属腔体与测量仪器相连接，通过s参数计算被测量物质的介电常数，采用非接触式测量，进行高温状态下材料的介电测量。采用金属腔体进行介电测量，制造成本高，测量精度容易收到腔体尺寸的影响，且测试对象仅合能适完全填充金属腔体的粉末状材料，无法测量腐蚀性液体。

文献(应用科技018,vol.45:100-103)公开了一种测量微波介质基板复介电常数的方法：一种使用除长度外其他各参数均相同的2条微带线测量微波介质基板复介电常数的方法，该方法测量介电常数实部需要测量2条微带线在同一频率下由于长度不同产生的相位差。这一过程是通过测量微带线s21的相位来实现的。测量的频率范围为1-11ghz,测量步进40mhz,测量在不同频率下介质基板的实介电常数。采用微带线结构，传输线q值较低导致电路测量精度低，容易收到外界环境干扰。

所以，现有的技术无法满足化工领域生产过程中对易腐蚀性液体高精度测量和实时检测要求。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型目的在于提供一种分形微带天线。

分形结构大量应用于天线设计领域，例如基站天线、rfid电子标签等。其中将分形结构应用于电子标签天线的设计时，不仅可以缩小天线尺寸，也可以提高天线的工作性能，拓宽了天线的应用范围。

所述分形微带天线包括:

介质基板；

金属层，所述金属层的反面贴设于所述介质基板的正面；

辐射贴片，是分形矩形镂空贴片，贴设于所述金属层的正面；

微带线，贴设于所述介质基板的反面。

进一步，所述微带线包括：渐变微带线，从底部由宽变窄，包括宽端和窄端；

u型微带线；

所述渐变微带线的窄端连接所述u型微带线的底端，所述渐变微带线的宽端指向所述介质基板的反面任一边。

进一步，所述u型微带线的中心与所述辐射贴片的中心相连垂直于所述介质基板。

进一步，所述渐变微带线的渐变函数为y＝0.707*exp(0.03x)+1.12。

进一步，所述u型微带线w＝0.8-1.2mm，h＝5.5-6.0mm，优选为w＝1mm，h＝5.8mm。

进一步，所述微带线的厚度为0.01-0.02mm，优选为0.018mm。

进一步，所述介质基板采用的材料是rogers4350b板材，介电常数为3.6-3.7，厚0.25-0.30mm，优选为介电常数为3.66，厚0.254mm。

进一步，所述金属层(2)为铜层，为厚度0.01-0.02mm，优选为0.018mm。

进一步，所述辐射贴片(1)是通过腐蚀金属层(2)形成矩形镂空贴片。

具体地，本实用新型天线采用长方形镂空微带贴片作为辐射贴片,通过对镂空矩形部分进行闵可夫斯基分形操作，使得谐振单元尺寸从原来的15mm缩小到10mm。谐振单元底部采用微带线由宽变窄的渐变实现阻抗匹配，再通过u型微带线馈入辐射器，s11端口(小于-10db)频带宽度可达0.71ghz，为中心频率的7％，具有较好的宽带特性。

本发明目的之二在于提供一种物质组分微小变化检测装置。

物质组分微小变化检测装置包括：

微波信号输入/接收器，用于信号输出/接收；

功率分配器，包括输入端和输出端；

电磁场包围的分形微带天线阵，包括至少两个如前面任一所述的分形微带天线；

待测材料检测区设置于所述分形微带天线阵正上方，位于所述

电磁场中；

所述微波信号输入/接收器连接所述功率分配器的输入端，所述分形微带天线阵连接功率分配器的输出端；

进一步，所述微波信号输入/接收器为矢量网络分析仪。

进一步，所述率分配器是一分四功分器，所述分形微带天线阵包括四个分形微带天线。

进一步，所述矢量网络分析仪的输出端连接所述一分四功分器的输入端，所述一分四功分器的输出端等分成四路幅度相等、相位相反的信号连接四个分形连接分形微带天线阵。

具体地，信号由矢量网络分析仪输出，进入一分四功分器后等分成四路幅度相等、相位相反的信号，接着四路信号同时进入四个分形微带天线，并与放置于四个分形微带天线正上方的待测材料相互作用，这种相互作用由于待测材料的引入将会改变电路的中心频率和衰减频率等电参数。四个分形微带天线周围设置电磁场，当待测量材料检测于该电磁场中时，会干扰分形微带天线周围的电场分布，改变其谐振频率和衰减频率，最终这种改变可以通过矢量网络分析仪测量电路1端口的散射参数s11，探测到这种微小的组分变化。

进一步，所述检测装置不仅可以应用与材料组分微小变化检测领域，也可以应用到车辆无线自动识别装置、卫星通信领域等。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型提出检测装置制造成本低，测量精度高，可以检测液体和固体材料的微小介电变化。

本实用新型提供的检测装置不仅可以应用与材料组分微小变化检测领域，也可以应用到车辆无线自动识别装置、卫星通信领域等。

附图说明

图1分形微带天线结构图，(a)正面图，(b)背面图，(c)侧面图。

图2仿真的谐振单元s11曲线图。

图3物质组分微小变化的检测装置简图。

图4不同体积分数下甲醇-水混合溶液对应的s11变化图。

具体实施方式

所举实施例是为了更好地对本实用新型进行说明，但并不是本实用新型的内容仅局限于所举实施例。所以熟悉本领域的技术人员根据上述实用新型内容对实施方案进行非本质的改进和调整，仍属于本实用新型的保护范围。

实施例1

本实用新型提出的5.8ghz分形微带天线结构如由图1所示。该天线由辐射贴片(采用在矩形结构上进行2阶闵可夫斯基分形操作)，介质基板，u型微带线组成。如图1，(a)正面图中，1为辐射贴片，2为金属层；(b)反面图中，3为微带天线，4为介质基板；(c)侧面图中，2为金属层，3为微带线，4为介质基板。介质基板采用的材料是rogers4350b板材，介电常数为3.66，厚0.254mm。以正方形10mm*10mm微带贴片作为基础，通过对该正方形贴片进行闵可夫斯基分形操作，获得镂空微带贴片，使得谐振单元尺寸从原来的15mm缩小到10mm。谐振单元底部采用微带线由宽变窄的渐变实现阻抗匹配，再通过u型微带线馈入辐射器。从图2还可以看出，s11端口(小于-10db)频带宽度可达0.71ghz，为中心频率的7％，具有较好的宽带特性。

本实施例中，rogers4350b板材为常用的高频罗杰斯rogers4350b板材。

实施例2

本实用新型提出一种基于分形微带天线的溶液浓度微小变化检测装置。本检测装置包括一分四功分器、四个完全相同的分形微带天线、矢量网络分析仪和电磁场。检测电路如图3所示，信号由矢量网络分析仪(微波信号输入/接收器)输出，进入一分四功分器(功率分配器)后等分成四路幅度相等、相位相反的信号，接着四路信号同时进入四个分形微带天线，并与放置于待测材料检测区的待测材料相互作用，这种相互作用由于待测材料的引入将会改变电路的中心频率和衰减频率等电参数。通过设计使得四个分形天线周围集中大量电磁场，当待测量材料放置于该电磁场集中区域时，会干扰分形微带天线周围的电场分布，改变其谐振频率和衰减频率，最终这种改变可以通过矢量网络分析仪测量电路一端口的散射参数s11，探测到这种微小的组分变化。

实施例3

本实施例中，实现对常温(25摄氏度)常压下甲醇-水混合溶液水体积分数从0.5％增加到12％时对应的s参数仿真，仿真结果如图4，甲醇中水的体积分数比直接影响到混合物整体的复介电常数变化，进而影响到电路的s参数的幅度、相位和频率偏移等变化。通过分析可知，随着混合溶液中水的体积分数的增加，其混合的等效介电常数实部逐渐变大，其谐振频率逐渐向左偏移，s11的幅度保持不变；随着混合溶液中水的体积分数的增加，其混合的等效介电常数虚部逐渐变大，即混合物虚部逐渐增大，介电损耗随着增大，s11的幅度随损耗正切的增加而变大。结合甲醇水溶液在体积分数0.5％时的介电常数实部ε＝76.28，损耗正切tanδ＝0.126，对应的中心频率和幅度为-39.66db和5.815ghz；体积分数6％时的介电常数实部ε＝67.41，损耗正切tanδ＝0.197，对应的中心频率和幅度为-16.15db和5.513ghz；体积分数12％时的介电常数实部ε＝57.39，损耗正切tanδ＝0.284，对应的中心频率和幅度为-12.79db和5.452ghz。因此，该电路可以探测物质介电常数实部变化ε＝57.39到76.28，损耗正切tanδ＝0.126-0.284范围内的材料组分变化。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。