一种复合微波传感器以及被测物的介电常数测量方法技术

pa5000功率分析仪电流测量有直接输入和传感器输入两组端口，当使用的传感器/互感器输出为电流信号时，接入到pa5000的电流直接输入端口，根据所用传感器/互感器正确设置pa的“ct”比例系数，如300a/5a，则ct=300a/5a=60。输入部分，我找到四路，一路是cd，一路是收音机、一路是aux，还有一路不太明白是什么，由于耦合电容是成对的，所以只要你知道大概位置，是比较好判断的，输出四个是并排的，很整齐，而且在贴片电容元件中体积较大，很容易看出来，另外6个输入耦合都集中在输出电容的左边或者称为右边也行，呵呵，看我的照片复介电常数测量，大家应该好判断，结合电路板上成对的电容，大家也可以很好的找到，因为他们都是两两一对的，排的非常整齐，我当时应该把电容号抄下来，但是忘了，对给大家的不变深表遗憾。程序分频器：程序分频器系列是单片集成的ecl，高速程控分频器可实现2 64 之间任意自然数连续可变分频其分频比由6 位二进制码控制电路时钟输入内部已设有直流偏置使用时不需外加直流偏置时钟只需交流耦合输入该产品数据输入为ttl 电平输出既有e c l 互补射随器输出又有ttl 输出该电路采用18 引线双列外壳(d18s)封装。

A composite microwave sensor, including metal, the bottom of the middle layer of the medium and the top of the input port and output port of a branch line coupler, a power divider and a split ring resonator, microstrip line, microstrip line I and II, the input and output ports of the vector network analyzer is connected with the output side branch line; the coupler is provided with an isolation port and the output port 1; input power divider and the input port is communicated with the output port II and III respectively output port through a microstrip line directional coupler is connected with the ring; between the split ring resonator is arranged in a power divider and a branch line coupler and two microstrip lines。

The invention can effectively eliminate the background noise, the weak background signal under test, which measured disturbance can be caused by tiny sensor resonant frequency offset greatly, so the composite microwave sensor provided by the invention is used for the measurement of dielectric constant has higher sensitivity and accuracy, can be used for high sensitivity test for dielectric small changes in the constants。

全部详细技术资料下载

【技术实现步骤摘要】

一种复合微波传感器以及被测物的介电常数测量方法

本专利技术涉及一种微波频率下物质参数测量技术，特别涉及一种基于开口谐振环(SRR)及相消型电路的测量介质材料介电特性的高灵敏度复合微波传感器，属于微波测量

技术介绍

随着微波技术在越来越多的行业被广泛的应用复介电常数测量，材料的介电常数测量也得到了长足的发展。如医学、食品、化工及气象学等领域都是通过材料的介电特性的测定获得所需要的各种参数的，像湿度、温度、密度等。用来测量介电常数的方法有很多，主要可以分为谐振法和非谐振法。谐振法因具备较高的灵敏度和精确度而得到了广型泛的应用，传统的谐振法是采用矩形或者圆形谐振腔作为主要测试装置，通过分析空腔及加载被测物的腔的品质因数(Q)的变化反推被测物的复介电常数。谐振法是基于微扰法进行的测试，只适合单频率点测试，多频率点测试需要不同的谐振腔，这大大增加了测试成本，且该方法无法与其它微波电路集成。而微波平面电路技术因加工方便价格低廉，相较金属谐振腔优势明显而被广泛应用在材料介电常数的测量中。例如，研究人员采用基片集成波导技术，通过微带线激励基片集成波导谐振腔TE101模式来实现材料介电常数的测量，但是由于微带线等平面传输线在激励基片集成波导谐振器时存在背景噪声而影响了测量的精确度。且基片集成波导谐振腔需要在介质板上加工金属通孔，这增加了加工的代价和难度。

技术实现思路

根据现有技术的不足，提供一种结构简单、使用方便、易集成的测量材料介电常数的新型结构的高灵敏度的复合微波传感器。该复合微波传感器是基于开口谐振环(SRR)及相消型电路进行设计的。本专利技术按以下技术方案实现：一种复合微波传感器，该微波传感器为两端口器件，所述微波传感器包括：一个输入端口和一个输出端口Ⅰ，两端口与矢量网络分析仪相连通；一个分支线耦合器，其输出侧设有隔离端口以及所述输出端口Ⅰ；一个功分器，其输入端与输入端口相连通，其输出端口Ⅱ和输出端口Ⅲ分别通过一条微带线与环形定向耦合器相连通；一个开口谐振环，设置在功分器、分支线耦合器以及两条微带线之间。优选的是，所述输出端口Ⅱ通过微带线Ⅰ与分支线耦合器的端口Ⅰ相连通；所述输出端口Ⅲ通过微带线Ⅱ与分支线耦合器的端口Ⅱ相连通。优选的是，所述微带线Ⅰ与微带线Ⅱ之间有λ/4的程差。优选的是，所述微带线Ⅰ与端口Ⅰ之间设有一条弯曲微带线，通过此弯曲微带线实现微带线Ⅰ与微带线Ⅱ之间的λ/4程差。优选的是，经所述微带线Ⅰ和微带线Ⅱ的信号到达输出端口Ⅰ时有λ/2的程差，分别由弯曲微带线和分支线耦合器的端口Ⅰ与端口Ⅱ之间的距离产生。优选的是，所述输出端口Ⅱ和输出端口Ⅲ之间粘贴有隔离电阻。

优选的是，所述隔离电阻的阻值为100欧姆。优选的是，所述隔离端口与50欧姆的匹配负载相连。一种被测物的介电常数测量方法，该方法为：测试时，将复合微波传感器的输入端口和输出端口Ⅰ分别与矢量网络分析仪相连，待测物放置在开口谐振环的测量区，此处是整个微波传感器中电场最强的地方，通过分析空载及负载谐振频率的变化反推被测物的介电常数。优选的是，当微波传感器用于测试液体物质时，需在开口谐振环电场最强的地方加载器皿，用于盛放被测物，器皿是粘贴在测量区的塑料管或者是打孔加载的石英玻璃管。本专利技术有益效果：本专利技术提供的新型结构的复合微波传感器用于测量介电常数的测量系统中，在测量相同的待测物，在保持相同的体积的实验条件下，根据传感器实际尺寸，采用FEM数值计算分别对复合传感器和微带线激励的SRR测量装置进行计算，结果显示复合传感器在捕捉被测物介电常数微小变化方面具有很高的灵敏度，因而介电常数的测量结果更加精确，更加可靠，且该传感器属平面结构，易于集成，制作过程无需打孔，测试时无需任何参考物，可适应于液体、粉末及块状固体的测试，具有广泛的实用性。附图说明：图1是本专利技术的结构示意图；图2是开口谐振环结构示意图；图3是空载时传感器两端口散射参数；图4是负载时谐振频率相对于空载时变化情况；图5是不同体积的被测物引起的谐振频率的偏移情况。

具体实施方式下面结合附图用具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。如图1所示，一种复合微波传感器，该微波传感器为两端口器件，由底层的金属地1、中间层的介质2以及顶层的测量装置组成；测量装置包括输入端口3、输出端口Ⅰ4、分支线耦合器6、功分器5、开口谐振环9、50欧姆的微带线Ⅰ7以及50欧姆的微带线Ⅱ8。输入端口3和输出端口Ⅰ4与矢量网络分析仪相连通；分支线耦合器6的输出侧设有隔离端口16以及输出端口Ⅰ4；功分器5的输入端与输入端口3相连通，功分器5的输出端口Ⅱ10通过微带线Ⅰ7与分支线耦合器6的端口Ⅰ12相连通；功分器5的输出端口Ⅲ11通过微带线Ⅱ8与分支线耦合器6的端口Ⅱ13相连通。开口谐振环9设置在功分器5、分支线耦合器6以及两条微带线之间。特别地，微带线Ⅰ7与微带线Ⅱ8之间有λ/4的程差，通过微带线Ⅰ7与端口Ⅰ12之间设有一条弯曲微带线15实现微带线Ⅰ7与微带线Ⅱ8之间的λ/4程差(λ指的是工作波长，本专利技术中指频率为3GHz对应的波长)。隔离端口16与50欧姆的匹配负载17相连。输出端口Ⅱ10和输出端口Ⅲ11之间粘贴有隔离电阻14。隔离电阻14的阻值为100欧姆。理想情况下，信号由微波传感器的输入端口3输入，经3dB功分器5分成两路相同信号，这两路信号共同激励开口谐振环9，部分信号经微带线Ⅰ7和微带线Ⅱ8传输到分支线耦合器6的端口Ⅰ12和端口Ⅱ13，最后到达输出端口Ⅰ4。

别置于被测钢板的上下两边，位置固定，间隔为h，设被测钢板厚度为h，两涡流传感器与被测钢板距离分别为x1和x2，涡流传感器和电容c组成谐振回路，则回路频率f将随间隙的变化而改变，使其输出电压幅值也随之变化，经放大、检波和滤波后，可得被测距离x1和x2，将它们输入运算器中进行如下运算，即可实时监测钢板厚度：。图 4 将相同质量的小棒或橡皮泥置于音叉的不同位置测出的谐振点3 驱动电流对谐振点的影响保持信号频率不变(在谐振点附近)，把输出功率调节旋钮逆时针旋到 0，然后调节输出功率依次增大，观察谐振点频率和振幅 ［7］ 的变化，绘出图 5，并探究驱动电流与振幅的关系。pa5000功率分析仪电流测量有直接输入和传感器输入两组端口，当使用的传感器/互感器输出为电流信号时，接入到pa5000的电流直接输入端口，根据所用传感器/互感器正确设置pa的“ct”比例系数，如300a/5a，则ct=300a/5a=60。

测试过程中，将复合微波传感器的输入端口3和输出端口Ⅰ4分别与矢量网络分析仪相连，将不同摩尔浓度(X1)的乙醇溶液放置在传感器的测试区，检测到的谐振频率的变化情况如图5所示，可以看出被测物浓度的微小变化即可看到传感器谐振频率很明显的偏移，从谐振频率的变化情况可反映被测物介电特性的变化。图4也说明该复合微波传感器可以检测的乙醇溶液的最小摩尔浓度变化为0.05。可见本专利技术提出的复合微波传感器具备捕捉介电常数微小变化的能力

【技术保护点】

pa5000功率分析仪电流测量有直接输入和传感器输入两组端口，当使用的传感器/互感器输出为电流信号时，接入到pa5000的电流直接输入端口，根据所用传感器/互感器正确设置pa的“ct”比例系数，如300a/5a，则ct=300a/5a=60。从输入输出端口的多少选择，两位led数码管的显示需要有10个端口，风机工作状态的输出得有4个端口，按键的输入也得有3个端口，复位键有专用的端口，传感器也得需要1个端口，基本上需要18个输入输出口，所以就选择了常用的stc系列单片机，具体选用的是规格28引脚的stc12c5616ad单片机，由于本次温控器所执行的功能不是很多，所以只要端口数量满足，有模数转化端口，0℃～60℃在单片机的工作环境温度之中，还要照顾到经济效益。程序分频器：程序分频器系列是单片集成的ecl，高速程控分频器可实现2 64 之间任意自然数连续可变分频其分频比由6 位二进制码控制电路时钟输入内部已设有直流偏置使用时不需外加直流偏置时钟只需交流耦合输入该产品数据输入为ttl 电平输出既有e c l 互补射随器输出又有ttl 输出该电路采用18 引线双列外壳(d18s)封装。

【技术特征摘要】

1.一种复合微波传感器，该微波传感器为两端口器件，其特征在于，所述微波传感器包括：一个输入端口(3)和一个输出端口Ⅰ(4)，两端口与矢量网络分析仪相连通；一个分支线耦合器(6)，其输出侧设有隔离端口(16)以及所述输出端口Ⅰ(4)；一个功分器(5)，其输入端与输入端口(3)相连通，其输出端口Ⅱ(10)和输出端口Ⅲ(11)分别通过一条微带线与环形定向耦合器(6)相连通；一个开口谐振环(9)，设置在功分器(5)、分支线耦合器(6)以及两条微带线之间。2.根据权利要求1所述的一种复合微波传感器，其特征在于：所述输出端口Ⅱ(10)通过微带线Ⅰ(7)与分支线耦合器(6)的端口Ⅰ(12)相连通；所述输出端口Ⅲ(11)通过微带线Ⅱ(8)与分支线耦合器(6)的端口Ⅱ(13)相连通。3.根据权利要求2所述的一种复合微波传感器，其特征在于：所述微带线Ⅰ(7)与微带线Ⅱ(8)之间有λ/4的程差。4.根据权利要求3所述的一种复合微波传感器，其特征在于：所述微带线Ⅰ(7)与端口Ⅰ(12)之间设有一条弯曲微带线(15)，通过此弯曲微带线(15)实现微带线Ⅰ(7)与微带线Ⅱ(8)之间的λ/4程差。5.根据权利要求4所述的一种复合微波传感器，其特征在于：经所...

【专利技术属性】

技术研发人员：刘伟娜，杨新伟，张满满，刘长虹，

申请(专利权)人：河南师范大学，

类型：发明

国别省市：河南,41

全部详细技术资料下载 我是这个专利的主人