[发明专利]一种用于测量介电常数的差分微波传感器

说明书

本发明公开一种用于测量介电常数的差分微波传感器。本发明包括上层介质基板、金属通孔、顶层SRRs环、电场强度最大的区域、中间层馈电环、下层介质基板、底层SRRs环；上层介质基板的顶层正中心印刷耦合SRRs环；上层介质基板的底层正中心印刷馈电环并延伸出馈电长脚；下层介质基板的底层正中心印刷耦合SRRs环；沿着SRRs的两条平行的金属条为电场强度最大的区域，该区域放置待测样本。该差分微波传感器不仅具备对介电常数精确测量的优良性能(高Q值和高灵敏度)，而且具有超小的电尺寸，差分测量的结构设计使其几乎不受测量环境的影响，具备在非实验室条件下作精确测量的能力，具有极强的实用性。

技术领域

本发明属于微波技术领域，提出了一种新型的差分微波传感器，能对未知介电常数材料的作差分测量，提高准确性和稳定性。

背景技术

随着微波技术在民用市场的快速普及，微波射频器件在各类电子设备中的使用率日益高涨，同时由于这类器件所使用的介质材料的介电常数对整个器件的性能影响很大，因此对介质材料介电常数的精确测量是十分必要的。

介电常数是反应物质电磁特性的重要物理性质之一，它是物质与电磁场之间相互作用的重要纽带。虽然介电常数是物质的固有参数，但是它并不是一个常数。它是频率的函数，并且跟温度、湿度等外部因素有关，这些外部影响因素增加了测量介电常数的难度。由于介电常数是无法直接测量的物理量，因此只能测量电压、电流、阻抗和散射参数等可测量的物理量，再根据介电常数与这些实际可测量的物理量之间的函数关系来反演出材料的介电常数。在微波射频频段，对介电常数的测量通常可以归为谐振法和非谐振法两类，由于具有成本低，易于集成，实时监测和小型化等优点，谐振方法引起了研究人员的极大兴趣。对于谐振法的测量，为了能对介电常数作出精确测量，就对传感器性能指标提出了较高的要求，一般需要其具有高灵敏度和高品质因数(Q值)。此外，基于实用性考虑，传感器还应具有较小的尺寸和一定的抗干扰能力。现有的测量介电常数的这类产品抗干扰能力基本都很弱，测量必须要在实验室的微波暗室或者低干扰源的条件下进行，本申请差分测量结构的设计主要是解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述所提到的困难，正视挑战，满足对介电常数测量的精准度和实用性的要求，提出了一种基于SRRs(split-ring resonators)的超小型、高Q值、高灵敏度以及强抗干扰的微波传感器，由于传感器采用差分测量设计，可以避免测试环境中物体的反射干扰以及温度对介电常数的影响。SRRs是一种新型的人工电磁超材料，因其优异的特性近年来被广泛应用于各类微波器件中。

本发明用于测量介电常数的差分微波传感器包括上层介质基板(1)、金属通孔(2)、顶层开口谐振环(简称顶层SRRs环)(3)、电场强度最大的区域(4)、中间层馈电环(5)、下层介质基板(6)、底层SRRs环(7)；

上层介质基板(1)的顶层印刷耦合顶层SRRs环(3)，底层印刷中间层馈电环(5)；其中中间层馈电环(5)延伸出馈电长脚，用于连接SMA连接头

下层介质基板(6)的底层印刷耦合底层SRRs环(7)；

顶层SRRs环(3)、中间层馈电环(5)、底层SRRs环(7)的中心位于同一直线；

所述的顶层SRRs环(3)、底层SRRs环(7)开口处均向环内延伸；顶层SRRs环(3)、底层SRRs环(7)尺寸相同但开口方向相反；其中顶层SRRs环向环内延伸部分为电场强度最大的区域(4)，该区域放置待测样本，最大化传感器对介电常数的灵敏度。

所述的传感器的上下层介质基板周围有一圈金属通孔(2)，降低传感的远场辐射效率。

传感器的Q值决定了测量的精度；灵敏度决定了对介电常数测量的分辨率；小型化和抗干扰能力决定了传感器的实用性。