[发明专利]用于测量复介电常数的CSRR微带谐振传感器及其应用

说明书

本发明涉及一种用于测量复介电常数的CSRR(互补开口谐振环，全称为Complementary Split Ring Resonators)微带谐振传感器及其应用，所述微带谐振传感器包括介质基片、导体信号线、金属接地板以及互补开口谐振环，其中，导体信号线印刷在介质基片正上方，金属接地板一体成型设置于介质基片的正下方，互补开口谐振环蚀刻在金属接地板中。本发明是测量复介电常数的CSRR微带谐振传感器，基于CSRR实现复介电常数的测量，具有体积小、重量轻、成本低、精度高、无损测量、便于样本制备等优点，基本克服了传统微波测量技术存在的弊端。

技术领域

本发明涉及微波测量技术领域，具体涉及一种用于测量复介电常数的CSRR微带谐振传感器及其应用。

背景技术

目前，利用微波技术实现介电常数的测量方法主要有自由空间法、传输线法和谐振法。自由空间法将高斯微波束聚焦的天线放置在待测物质一侧或两侧，天线终端连接矢量网络分析仪测量衰减和相位常数以实现介电常数的测量，这种测量方法可以在很宽的频率范围内实现复介电常数的测量，但是测量精度不高且测试设备昂贵；传输线法通常需要将待测物质放置到传输线内部，如波导、同轴线、微带线等，通过测量反射系数和传输系数进而得到复介电常数，传输线法相对于自由空间法测试成本较低，但是样本的制备较为复杂；谐振腔微扰法是测量低损耗物质准确度最高的微波测量方法，该方法将待测样本全部填充或部分填充到腔体内部，通过测量谐振频率和品质因数获得物质的介电特性。谐振腔法能在很窄的频率范围内实现介电常数的高准确度测量，但同样存在样本制备过程复杂的问题。

综上，需要一种新的测量物质介电常数的技术和装置。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明提供了一种用于测量复介电常数的CSRR微带谐振传感器，包括介质基片、导体信号线、金属接地板以及互补开口谐振环，其中，导体信号线印刷在介质基片正上方，金属接地板一体成型设置于介质基片的正下方，互补开口谐振环蚀刻在金属接地板中。

其中，所述导体信号线印刷在介质基片正上方的中间位置，互补开口谐振环蚀刻于金属接地板的正中间位置，且位于导体信号线的正下方。

其中，所述金属接地板的下方用于容置待测的物质。

其中，所述传感器还包括一对SMA连接器，分别焊接于导体信号线两端，用于连接微波电缆和微带线。

本发明另外提供了一种用于测量复介电常数的测量系统，其包括CSRR微带谐振传感器和矢量网络分析仪，其中，所述CSRR微带谐振传感器选自上文所述的CSRR微带谐振传感器，所述SMA连接器与矢量网络分析仪通过微波电缆连接，矢量网络分析仪用于获取CSRR微带谐振传感器的谐振频率及传输系数幅度。

本发明另外提供一种确定物质的复介电常数的方法，基于上述测量系统进行，包括：

步骤S1：根据测试设备矢量网络分析仪测量出的传输系数幅度，计算得到微带谐振传感器的总的等效损耗电导；

步骤S2：根据拟合的总等效损耗电导与物质相对介电常数的实部以及介质损耗角的正切值之间的二元解析式，以及拟合的谐振频率与物质相对介电常数的实部以及介质损耗角的正切值之间的二元解析式；结合已知的谐振频率及总的等效损耗电导，计算得到物质相对介电常数的实部以及介质损耗角的正切值；

步骤S3：根据物质相对介电常数的实部以及介质损耗角的正切值，计算得到物质相对介电常数的虚部，从而得到物质完整的复介电常数。

其中，所述步骤S2中，总的等效损耗电导与物质相对介电常数的实部以及介质损耗角的正切值之间的二元解析式，以及谐振频率与物质相对介电常数的实部以及介质损耗角的正切值之间的二元解析式，通过有限元仿真软件HFSS建模仿真，并通过曲线拟合工具Origin 9.1对仿真数据进行分析得到。