[发明专利]一种用于测量磁介质材料介电常数和磁导率的重入式腔体传感器

说明书

一种用于测量磁介质材料介电常数和磁导率的重入式腔体传感器，包含谐振腔和共面波导馈电线。谐振腔由四块介质基板纵向叠加组成，每块介质基板均设多个金属化通孔形成谐振腔的金属边界。第二与第三介质基板中间的金属层均刻蚀有一长条凹槽。所有介质基板各刻蚀一个非金属通孔贯通作为介电常数传感区域，第三和第四介质基板的介质层各刻蚀一长条凹槽为磁导率传感区域。粉末样品装载于聚四氟乙烯管中分别放入两个传感区域进行测量。本发明将折叠技术应用于衬底集成波导重入式谐振腔，缩减了尺寸，并通过弱耦合馈电提高谐振腔的品质因数，同时在谐振腔强磁场区引入复磁导率传感区域，获得一种结构紧凑、易于加工与集成的全面表征磁性粉末磁介电特性的多功能传感器。

技术领域

本发明属于传感器领域，具体涉及适用于测量磁性粉末的复介电常数与复磁导率的微波无源传感器。

背景技术

随着微波技术在众多领域（军事、医疗、食品、冶金等）中的发展，各种高频器件被开发应用，各行业中出现多种新型磁介质材料，材料磁电特性测量的需求不断增大。铁合金行业历来是高耗能行业，传统冶金炼铁方式的热效率较低且会产生大量的环境污染。金属氧化矿的微波加热还原作为一种新型冶金技术相比于传统的生铁生产工艺具有能量利用率高，反应速率快和环境污染少的优点。为了达到最高的加热效率，需要确定不同生产原料的最高损耗频点。因此，研究各种金属氧化体粉末的基本磁电特性对于冶金工业具有较高的实用意义。

现有复介电常数与复磁导率测量方法主要可分为谐振法、自由空间传输法、同轴传输线法等。微波传输线法可以在一个宽频段内测量物质的复介电常数与复磁导率，有利于研究物质在不同频点的色散特性。相较于其他方法，谐振法因其所特有的高品质因数、高精度等优点得到了广泛的应用。微波谐振法可以更精确地表征待测物在特定频点的物质特性，但很多微波传感器只能单独检测介电常数或磁导率。科研人员近年来提出了单一结构的可同时表征磁电特性的多功能传感器，具有成本低廉、结构紧凑、设计灵活性强和利于射频检测系统集成的优点。然而目前报道的多功能传感器仍然存在电场与磁场的分离效果不好问题，磁性物质的介电常数测量受到自身高磁损耗的影响而产生了较大误差。

发明内容

本发明提出一种用于测量磁介质材料介电常数和磁导率的重入式腔体传感器，目的是将重入式谐振腔结构应用于磁性粉末复介电常数与复磁导率的测量，并通过电场与磁场的分离减少理论误差，由此简化数值模型。另一方面，该多功能传感器利用折叠结构缩小谐振腔的相对尺寸，同时保留腔体的高品质因数，为满足高损耗物质的测量需求通过弱耦合馈电进一步提高品质因数，通过利用腔体折叠处的强电场提高介电常数测量的灵敏度，从而实现对不同磁性粉末在特定频点的复介电常数与复磁导率的精确表征，以满足各学科领域对电磁多功能传感器的迫切需求。

本发明的技术方案如下：

一种用于测量磁介质材料介电常数和磁导率的重入式腔体传感器，所述传感器包含一个折叠的二分之一模矩形重入式谐振腔和两段锥形共面波导馈电线。

所述传感器由纵向叠合的四块介质基板构成传感器基体，每块介质基板均具有顶层金属层、中间介质层以及底层金属层三层结构。

所述第一介质基板的底层金属层和第二介质基板的顶层金属层、第三介质基板的底层金属层和第四介质基板的顶层金属层在中间区域均刻蚀有上下位置对应、形状面积相同的矩形凹槽，所述凹槽的槽底刻蚀至各自的中间介质层，所述矩形凹槽两两合拢形成并且上下重叠构成谐振腔，所述谐振腔是一个矩形重入式、沿中心线折叠的二分之一模腔。

所述两段共面波导馈电线位于第一介质基板的顶层金属层上。

所述每一块介质基板的中间介质层均刻蚀有多个金属化通孔（1-5），均匀分布在谐振腔的外围与馈电线的两侧，其目的是用于等效谐振腔的金属边界。