一种基于SRR结构的介电常数测量传感器、方法和系统与流程

一种基于srr结构的介电常数测量传感器、方法和系统
技术领域
1.本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种基于srr结构的介电常数测量传感器、方法和系统。


背景技术：

2.介电常数是一种压电材料电介质在静电场作用下介电性质或极化性质的主要参数，通常用ε来表示。介电常数在电路设计、天线设计和电容器设计中要重要意义。例如对于微波电路板材设计，电容器绝缘填充材料设计等实际应用场景中，如果无法知道精确的材料介电常数会导致设计的电路、天线和电容器的性能无法预期，极大增大设计难度。同时板材等因为工艺差别，介电常数有所差异，实际生产过程中同时也需要检测技术对其进行质量保障。
3.因此，研究一种快速测量并且准确的测量仪器在实际的工业生产中有很好的实用价值。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于srr结构的介电常数测量传感器、方法和系统。
5.本发明第一方面提供一种基于srr结构的介电常数测量传感器，该传感器为采用单端口馈电的正面馈电且以一对开口谐振环作为工作结构的平面微波天线传感器，所述开口谐振环结构包括外环，以及设置在所述外环内的内环，所述外环和内环均设有开口，且所述内环的开口设置在远离于所述外环开口的一侧；还包括馈电结构，所述开口谐振环结构与馈电结构之间具有距离。
6.一些示例性实施例中，所述开口谐振环结构的尺寸为30mm
×
40mm。
7.一些示例性实施例中，r＝4.2mm，w＝w1＝w2＝g＝0.6mm，w3＝5.6mm，w4＝1mm，w5＝1.6mm；其中，r为外环边长长度的一半，w为内环和外环的宽度，g为内环和外环的距离，w1为外环和内环开口缝隙的距离，w2为开口谐振环结构和馈电结构之间距离，w3为开口谐振环结构和馈电结构之间距离，w4为传输线到后馈电结构之间宽度，w5为馈电宽度。
8.一些示例性实施例中，该传感器采用fr4作为传感器基板，所述基板的介电常数为4.4。
9.一些示例性实施例中，所述传感器基板的厚度为0.89mm～1mm，该厚度的介质基板能够有效在传感器内保持电场稳定性，并且保持合适的工作温度，同时保持小尺寸特点。
10.本发明第二方面提供一种介电常数测量方法，包括以下步骤：将待测物置于如上述的基于srr结构的介电常数测量传感器上；通过矢量网络分析仪得到所述待测物的s11参数；基于所述待测物的s11参数，通过仿真拟合得到的多变量线性拟合公式与实际测量的谐振频率相对应来得到所述待测物的介电常数。
11.一些示例性实施例中，在所述将待测物置于如上述的基于srr结构的介电常数测
量传感器上的步骤之前，还包括：通过设置多个不同介电常数的待测物样本，来对所述传感器进行仿真；其中，多个不同介电常数的待测物样本的介电常数分别是1、5、10、15、20、25、30，损耗角正切值均为0.02，样本厚度设置为0.8mm。
12.一些示例性实施例中，在所述通过矢量网络分析仪得到所述待测物的s11参数的步骤之前，还包括：在所述通过矢量网络分析仪得到所述待测物的s11参数的步骤之前，还包括：分别使用open、short和load三个校准件对所述矢量网络分析仪进行校准，校准的频率范围是0ghz～3ghz，分辨率为1mhz；其中，校准用待测物为微波工程生产中的板材材料，包括rogers 5880，rogers 4350，rf-35tc，fr4，rogers 3006，rogers3010中的一种或多种。
13.本发明第三方面提供一种介电常数测量系统，包括依次相连的待测系统模块、测试系统模块和比对模块，所述待测系统模块包括待测物，以及如上述的基于srr结构的介电常数测量传感器；所述待测系统模块包括支撑结构、稳定夹具、待测物和传感器，用于作为该测试系统的前置准备；所述测试系统模块包括矢量网络分析仪p5024a以及装配了矢量网络分析软件的计算机，用于通过矢量网络分析仪得到所述待测物的s11参数；所述比对模块用于基于所述待测物的s11参数，通过仿真拟合得到的多变量线性拟合公式与实际测量的谐振频率相对应来得到所述待测物的介电常数。
14.本发明提供的技术方案至少具有以下优点：
15.本发明提供一种基于srr结构的介电常数测量传感器、方法和系统。该介电常数测量传感器能够通过网络分析仪和计算机快速线性拟合得到待测物的介电常数，能够对常见的微波工程应用的电路板材进行快速高精度测量。从而为实际的工业生产提供了一种高精度、方便以及稳定性不错的传感器设计。本发明进行了严格的仿真与实验验证，并且对实际的工业常用微波电路板材进行了测量，具有实际应用价值。
附图说明
16.一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
17.图1为本发明提供的介电常数测量系统的系统框图；
18.图2(a)为本发明提供的基于srr结构的介电常数测量传感器中开口谐振环基本单元结构；
19.图2(b)为本发明提供的基于srr结构的介电常数测量传感器的结构示意图；
20.图3为本发明提供的介电常数测量系统在加载待测物体的示意图；
21.图4为本发明提供的介电常数测量系统中网络分析仪的示意图；
22.图5为本发明中以实物测量的s11参数；
23.图6为本发明中不同介电常数待测物仿真的s11参数。
24.图7为本发明中线性拟合曲线。
具体实施方式
25.发明人发现，专利1涉及一种基于谐振法的液晶介电常数测量装置，包括从上到下依次设置的上介质基板、介质板和金属底板；上介质基板与介质板固定连接，介质板与金属底板可拆卸连接；上介质基板的上表面的两个对侧边缘均设置有两个sma接头，两个sma接
头之间均设置有耦合微带线，上介质基板的下表面中心设置有谐振贴片；上介质基板的上表面边缘还设置有金属圆形贴片，金属圆形贴片对应的上介质基板上设置有金属通孔，金属圆形贴片通过金属通孔中的导线与谐振贴片连接；介质板的中心设置有液晶腔体，其面积小于谐振贴片的面积；金属底板上设置两个金属圆孔，两个所述金属圆孔与液晶腔体相通。该测量装置具有结构简单，成本低。然而，专利1测量需要反复拆卸测量装置，无法完全保证多次测量的有效性。
26.专利2涉及一种高灵敏度液体介电常数测量微波传感器，属于传感器技术领域。包括介质基板和立体容器结构；所述介质基板包括两个馈电端口、两组λ/4阶跃阻抗谐振器、一个矩形辐射贴片，辐射贴片中间加载csrr结构；立体容器结构位于介质基板中央，底部为介质基板，通过两条平行耦合线实现馈电。本发明在结构上通过λ/4阶跃阻抗谐振器实现匹配，与传统微带均匀阻抗传输线相比，在设计上多一个自由度，可以通过调节各段传输线的长度和宽度来实现相应的谐振频率，在设计上实现阻抗匹配。然而，专利2并没有固体测量的方面。
27.专利3公开了一种基于螺旋谐振器的双频段无损介电常数测量传感器，该传感器为二端口器件，由介质层、金属贴片层和接地层组成，该传感器1ghz～4ghz的频率范围内产生两处谐振点，可实现在1.0ghz～2.0ghz和2.1ghz～3.1ghz两个频段的介电常数及介质损耗角正切的测量；本发明结构简单，q值高，灵敏度高，加工难度小，成本低。然而，该发明只有低介电常数的测量情况。
28.为了解决现有技术存在中的问题，本发明提出了一种基于互补开口谐振环(srr)结构，使用谐振法的用于物体的介电常数快速测量的传感器，即通过天线结构和电磁波原理获取微波工程中重要测量参数——散射(s)参数的变化，以此变化的参数间接线性拟合得到谐振频率与介电常数的关系，从而基于小尺寸的传感器一种快速、低成本以及高精度的介电常数测量方法。
29.下面结合具体实施例进行说明。
30.基于srr的贴片天线的介电常数测量原理是：与天线接触的待测物体的介电常数的改变，会导致微波工程测量的参数——s参数的改变，通常有s参数的幅度，谐振频率以及相位的改变发生。根据相应的变化，得到变化的参数与仿真曲线得到的线性拟合公式的关系，实现介电常数的测量。
31.本发明提出了一种基于srr结构的介电常数测量传感器，其功能实现框图如图1所示，主要包括三个模块，分别为：1)待测物与传感器组成待测系统模块；2)连接网络分析仪的测试系统模块；3)判断变化特征与预测结果进行对比。每个模块的主要功能及具体实现如下所图1所示。
32.(一)待测物与传感器组成待测系统模块
33.该模块主要功能是组成基本的待测物与传感器结合的待测系统，包括传感器的设计尺寸结构。
34.传感器的设计采用开口谐振环(split ring resonator，srr)结构，尺寸大小为30
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40mm，采用fr4作为传感器基板，基板的介电常数为4.4，厚度为1mm。在设计过程中，首先使用电子设计自动化软件ads设计仿真了传感器，并对加载不同介电常数模型的传感器进行仿真，得到不同介电常数下的反射系数s11。
35.如图2传感器结构设计所示(groundplane为传感器的地平面)，各项结构参数：r为外环边长长度的一半，w为内环和外环的宽度，g为内环和外环的距离,w1为外环和内环开口缝隙的距离；w2为开口谐振环结构和馈电结构之间距离，w3为开口谐振环结构和馈电结构之间距离，w4为传输线到后馈电结构之间宽度，w5为馈电宽度。
36.通过扫频方法与电磁学原理得到结构参数：r＝4.2mm，w＝w1＝w2＝g＝0.6mm，w3＝5.6mm，w4＝1mm，w5＝1.6mm。
37.如图3加载待测物体的传感器测量系统所示(material under test，mut为待测物体；dielectric为电介质即fr4基板)，各项结构参数：介质基板厚度t＝0.89mm，h为待测用品的厚度。
38.(二)连接网络分析仪的测试系统模块
39.该模块是实际测量中的主要原始数据测量模块，主要通过矢量网络分析仪得到s11参数。
40.将模型投板制造出实物进行测试，需要的测试工具包括：矢量网络分析仪、射频电缆各介电常数材料。矢量网络分析仪使用的是keysight公司生产的，型号为p5024a。整体测试系统如图4所示。
41.实验前准备工作，首先需要对网络分析仪进行校准，分别使用open、short和load三个校准件对网络分析仪进行校准，校准的频率范围是0-3ghz，分辨率为1mhz。待测物为微波工程生产中常用的板材材料：rogers 5880，rogers 4350，rf-35tc，fr4，rogers3006，rogers3010。
42.观察输入回波损耗s11参数，并保存数据，实测结果得到的谐振频率如图5所示。
43.(三)判断变化特征与预测结果进行对比
44.该模块的主要功能是使用仿真拟合得到的多变量线性拟合公式与实际测量的谐振频率相对应，间接得到待测物的介电常数。
45.1)在传感器结构以及参数不变的情况下，改变mut的介电常数，并设置7个mut模型，介电常数分别是1、5、10、15、20、25、30，损耗角正切值均为0.02，样本厚度设置为0.8mm。不同介电常数传感器下仿真得到的s11参数如图6所示。
46.采用直接将谐振频率作为横坐标和介电常数作为纵坐标的方式，使用matlab对表2的待拟合数据进行处理并绘制拟合图，得到经验公式(1)，公式(1)由一次函数与二次函数计算得到，有利于程序化实现。判定拟合优度的可决系数为0.999。与拟合的直线相比，拟合曲线的可决系数更大，因此曲线的拟合优度更好，拟合公式更加准确。
[0047][0048]
εr为介电常数，f为谐振频率。
[0049]
在传感器结构以及参数不变的情况下，分别在mut介电常数为1、5、10、15、20、25、30的模型中，改变mut的厚度分别为0.25mm、0.5mm、0.8mm、1mm、2mm、4mm、6mm。分别记录每组介电常数和厚度对应的谐振频率，数据记录如表3所示。将谐振频率作为因变量，样本介电常数和样本厚度作为自变量，使用matlab进行数据处理以及拟合并结合公式(1)。最终得到三者的关系如公式(2)所示。结合表1的数据、公式(2)的拟合公式，可以得到结论：随着mut厚度的逐渐增加，厚度变化对谐振频率变化的影响逐渐变小，当mut厚度达到2mm以上，同一
介电常数下，mut厚度增大使谐振频率趋于稳定值。
[0050][0051]
εr为介电常数，f为谐振频率，d为待测物/样本厚度。
[0052]
表1仿真情况下不同样本厚度下各介电常数的谐振频率(ghz)
[0053][0054]
将测量得到的谐振频率代入公式(2)，得到材料介电常数的预测值，预测值与材料介电常数的标准值进行对比，得到误差，结果如表2所示。
[0055]
表2各待测物介电常数预测
[0056][0057][0058]
由表2可以清楚的看出mut的测量值与官方标准值之间的误差大小，可以得到结论：除最后一组rogers 3010的测量结果，其余样本介电常数的测量误差均保持在5％以内。产生误差的主要原因有：实物与仿真模型本身存在的偏差、测量时外界环境的影响、mut不能完全与传感器贴合以及拟合公式的偏差。
[0059]
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本技术的具体实施例，
而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本技术的精神和范围。任何本领域技术人员，在不脱离本技术的精神和范围内，均可作各自更动与修改，因此本技术的保护范围应当以权利要求限定的范围为准。