一种基于SIW的便携式液体介电常数测量系统的制作方法

本发明属于微波毫米波电路和智能传感
技术领域：
，提出了一种脱离矢量网络分析仪依赖的便携式液体介电常数测量系统。
背景技术：
材料介电常数的测量由于其在航空航天、新材料研制、气液监测以及生物医学等方面的潜在应用价值而受到越来越多的关注。其中，基于微波技术的介质检测方法，由于其特有的非接触和无损特性，在近年来愈发流行。目前，微波介电常数测量方法主要包括有集总电路法，传输线法，谐振腔微扰法，自由空间法等。其中，谐振腔微扰法是最常用和精确的一种方法，它通常是将介质材料放入谐振腔，从而扰动腔体内的场分布。通过对谐振频率偏移的测量，可计算得到材料的介电常数。通常情况下，为了测量更加精确，需要高品质因数的谐振器，传统的高品质因数谐振器如金属波导结构可以很好地胜任这一要求，广泛应用于液体介电常数测量，却也存在体积大、难以集成的缺点。基片集成波导(siw)谐振腔作为一种高品质因数的平面型波导，本发明将其应用于液体介电常数的测量，在具备较高灵敏度的同时与电路具有很好的电路兼容性。另外，谐振腔微扰法需要通过测量介质放入前后谐振频率偏移的大小来测量介电常数，谐振频率的测量需要体积庞大、价格昂贵的矢量网络分析仪去完成。但是矢量网络分析仪造成使用不便，成本过高，故而迫切需要摆脱其使用。因此，上述两点成为制约该方法广泛应用的重要因素。面对便携式应用的巨大需求，必须设法消除对大型实验设备矢量网络分析仪的依赖。因此，有关介电常数测量的便携式自持系统已经成为近年来学术和工业界的研究热点。如何快速，准确地测量材料的介电常数并有效的将其误差控制在一定范围内，对于工业检测，科学研究都有重要意义。技术实现要素：有鉴于此，本发明的目的是为了克服上述所提到的困难，正视挑战，提出了一种区别于传统测量方式的新型便携式微波介电常数测量方法。该系统包括连接基片集成波导(简称siw)谐振腔的压控振荡器vco和由该vco构成的锁相环电路pll组成。siw谐振腔作为锁相环电路pll中压控振荡器vco的反馈网络；作为优选，压控振荡器vco为反馈式结构；所述的锁相环电路pll为公知技术；所述的siw谐振腔是在介质基板中利用金属化过孔等间距排列来代替传统金属波导的波导壁，介质上下表面采用金属覆盖，形成波导的上下表面，当金属化过孔的排列距离在一定范围以内(工作波长的十分之一以下)，该结构内电磁传播特性与在金属波导中的传播特性几乎相同。因此siw在具备传统波导高品质因数特性的同时，大大缩小了体积，且平面易于集成。工作原理：谐振器作为一种产生谐振频率的无源器件，通过在其内部或上面放置不同介电常数εr的待测介质可以改变其频率响应，这种频率响应的变化造成该反馈式vco相位关系的变化，从而得到不同的振荡频率。pll作为一种稳定振荡频率的电路，可以通过输出反馈电压将vco固定在固定频率，从而可以将原始介电常数的变化对应于电压值的改变。因此通过电压表测量出控制电压进而可以得到介电常数大小，从而避开了矢量网络分析仪的使用。优选的锁相环pll电路采用adi公司芯片构建，该芯片有效集成了小数分频器，鉴相器，电荷泵等多个锁相环内部功能模块。相对于现有的技术，本发明通过改进测量方式大大降低了测量液体介电常数的成本，提高了使用的便捷性。附图说明图1是本例1的便携式介电常数测量系统结构框图。图2是本例1的siw整体结构以及参数标注图。图3是本例1中的连接siw谐振器的反馈式vco电路拓扑结构。图4是本例1中在玻璃管中放置不同介电材料时的siw谐振器的相位偏移(∠s21(siw)和(-∠s21(circuit)随频率变化的关系的仿真图。图5是本例1中振荡频率偏移随着介电常数变化的模拟点线图。图6是本例1检验过程中的液体介电常数和反馈电压拟合曲线图。图中：1.变容二极管cv；2.测试端口；3.金属通孔；4.非金属通孔；5.输入端口；6.输出端口；7.介质基板。具体实施方式以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。参见图1，实施例便携式介电常数测量系统为连接siw谐振腔的反馈式vco构成的pll电路。所述的连接siw谐振腔的反馈式vco电路包括siw谐振腔、第一至第四微带线、电容c3-c5、电阻r2、场效应管、变容管cv(1)；siw谐振腔由介质基板(7)、以及设置在介质基板上下表面的金属层；在介质基板以及上下两层金属层的周边上开有若干金属通孔(3)，以及在最中心位置开有一个非金属通孔，用于放置待测介质；在介质基板的边沿开有三个端口，这三个端口均为50欧，分别作为输入端口(5)、输出端口(6)、测试端口(2)；设计参数如下表所示。其中介质板采用rogersrt/duroid5870。parametersw1w2l1l2srunit(mm)32.32127116siw谐振腔的测试端口(2)与变容管cv(1)的一端连接，变容管cv(1)的另一端作为pll电路的输出端；siw谐振腔的输入端口(5)与第四微带线的一端连接，第四微带线的另一端与隔直电容c5的一端连接，隔直电容c5的另一端与第三微带线的一端连接，第三微带线的另一端与场效应管的漏极连接，场效应管的源极接地，场效应管的栅极与第二微带线的一端、电容c3的一端连接，电容c3的另一端与电阻r2的一端连接，电阻r2的另一端接地，第二微带线的另一端与隔直电容c4的一端连接，隔直电容c4的另一端与第一微带线的一端连接，第一微带线的另一端与siw谐振腔的输出端口(6)、第五微带线的一端连接，第五微带线的另一端作为反馈式vco电路的输出端；pll电路包括连接siw谐振腔的反馈式vco电路、adf4157芯片(集成了分频器，鉴相器和电荷泵等模块)、低通滤波器，其中低通滤波器包括电容c1-c2、电阻r1；连接siw谐振腔的反馈式vco电路的输出端与adf4157芯片的信号输入引脚连接，adf4157芯片的信号输出引脚与电容c1的一端、电容c2的一端连接后作为pll电路的输出端，电容c1的另一端接地，电容c2的另一端与电阻r2的一端连接，电阻r2的另一端接地。其中pll电路的输出端接用于测试的电压表。adf4157芯片的另一个信号输入引脚接参考晶振，用于后续vco产生的输出信号和参考晶振的输出信号进行频率比较。将待测介质放置在siw谐振腔的中心非金属通孔内(在电磁场最强的地方)时，vco的振荡频率会发生变化，adf4157会对该vco产生的输出信号和参考晶振进行比较，并输出控制电压(该控制电压为vco产生的输出信号和参考晶振的输出信号的频率差值有关，为现有技术人员所掌握的常规技术)反馈给vco，使得vco回到初始振荡频率；同时pll输出的控制电压由电压表测量出来。图2给出了反馈式siwvco的电路拓扑结构。该振荡器由siw谐振器通过电长度分别为θg1，θg2，θg3和θg4的50ω微带线连接在场效应管的栅极和漏极构成。siw谐振器的测试端口连接一个变容二极管，用于调节siw谐振频率并连接pll电压输出。在振荡频率处，整个环路的增益大于1(0db)，并通过调整第一至第四微带线电长度的大小使整个环路的相位偏移为2π·n(其中n任意自然数)。因此对于在频率f0处的稳定振荡，其幅度条件和相位条件如下：|ga(f0)|*|ls(ε'r,f0)|≥1(1)φa(f0)+φf(ε'r,f0)＝2π·n,n＝(0,1,2......)(2)ga和ls分别为放大器的增益和siw谐振器的插损。φa和φf分别为放大器和反馈回路的相位偏移。不同的振荡频率可由不同的相位条件获得，不同待测材料的介电常数可以获得不同的谐振状态进而获得不同的相位条件。本实施例将不同液体材料的振荡频率在hfss和ads中进行联合仿真来分析介电常数和振荡频率的关系。图3展示了放置不同介电材料时的siw谐振器的相位偏移(∠s21(siw)和(-∠s21(circuit)随频率变化的关系，其中∠s21(circuit)电路部分包括放大器和微带线的相位偏移。这些直线之间的交点的值即为振荡频率。当εr’升高时，满足环路零相位的条件往下偏移，因此连续的振荡频率可以反映出连续的介电常数值。从而可以通过确定振荡频率的变化估计出介电常数的值。图4给出了振荡频率偏移随着介电常数变化的模拟点线图。振荡频率偏移的测量需要通过pll电路来实现。低通滤波器设计参数下表所示。测量时，首先通过配置adf芯片将振荡频率锁定在f0处。f0为未放置液体介电材料时的振荡频率，此时控制电压为0v。当放入待测液体介电材料时，初始振荡频率将往下偏移，但是pll通过输出控制电压vc可将系统频率重新调整回锁定状态，此时变容管两端电压，即vco控制电压发生变化，通过数字电压表测量该反馈电压，便可计算出待测液体介电常数的值。本发明同样给出了完整的测量结果。为了检验传感器的准确性，甲醇，乙醇，二甲苯，乙酸乙酯和乙二醇被应用于该传感器的检验中。该检验过程分为三部分，第一步：将甲醇，乙醇和乙二醇放入该传感器中心非金属通孔(为了液体介质放置方便，故而在通孔处放置石英玻璃管)中，分别测量出反馈电压；第二步：将这三种液体介电常数和对应的反馈电压值带入matlab中拟合出介电常数电压关系曲线方程；第三步：测量出二甲苯和乙酸乙酯两种液体的反馈电压值，并将这五种液体的反馈电压值带入方程计算出介电常数值，并与标准值加以比较，计算出误差。图6给出了反馈电压和介电常数的拟合校准图，其拟合方程如下：vc＝-0.02783ε'r2+0.8002ε'r-0.7548下表给出了五种液体标准介电常数值和用该传感器的测量值的误差比较。待测液体标准值测量值误差二甲苯2.532.571.6％乙醇5.385.492.0％乙酸乙酯6.046.111.2％乙二醇9.199.021.8％甲醇14.9514.373.9％以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明中进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的，本申请中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本申请所示的这些实施例，而是要符合与本申请所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。当前第1页12