[发明专利]一种高灵敏度的终端开路同轴探头

说明书

技术领域

本发明涉及一种微波频率下物质参数测量技术，特别涉及一种微波频率下测量介质材料介电常数高灵敏度的复合终端开路同轴探头，属于微波测量技术领域。

背景技术

物质的介电常数（ε_r）是反应电磁波在物质中传播特性的重要参数。用来测量介电常数的方法有很多，比如终端开路/短路电路同轴线法，传输线法，自由空间法等等。这些方法在测量过程中，都需要用到散射参数的幅值和相位信息，因此测量时必须精确地获取散射参数，这里用反射系数（S₁₁）来作为表征散射参数的幅值和相位信息。所述终端开路同轴线法是最常用和有效的测量介电常数的方法之一，而介电常数的测量精度直接被终端开路同轴探头的灵敏度所影响，在使用传统终端开路同轴探头测量介电常数时发现很难区分其反射系数（S₁₁）的幅值和相位值的微弱变化。当两种媒质的介电常数非常接近时，所测得的反射系数幅值和相位也非常相近。由于传统终端开路同轴探头很难区分反射系数的这种微小差异变化，从而导致获取的反射系数不准确，最终得到的介电常数也会不准确，因而影响了对物质介质特性的判断。时域有限差分（FDTD）是计算电磁场分布的一种数值方法，可以用于终端开路同轴探头加载结构和测量系统的仿真计算。因此，如果能提供一种加载结构的新型复合终端开路同轴探头，通过该终端开路同轴探头加载结构和测量系统的数值仿真，来提高终端开路同轴探头在测量系统中的灵敏度，这正是本发明的任务所在。

发明内容

本发明的目的正是为了克服传统终端开路同轴探头在测量介电常数的测量系统中所存在的缺陷和不足，而提供一种结构简单、使用方便的新型结构的高灵敏度的复合终端开路同轴探头。该复合终端开路同轴探头是采用通过在传统终端开路同轴探头末端加载一个由基于S形左手材料结构组成的阵列附加结构来构成的；即采用S形左手材料结构组成的阵列结构形式连同一个终端开路同轴线构成的新型结构的复合终端开路同轴探头；来达到提高复合终端开路同轴探头在测量系统中测量介电常数的灵敏度。

本发明的基本思路：采用S形左手材料单元结构组成的阵列结构形式连同一个终端开路同轴线构成的新型结构的复合终端开路同轴探头；即采用通过在传统终端开路同轴探头末端加载一个由基于左手材料结构的S形左手材料单元周期谐振结构阵列组成的附加结构，来达到改善传统终端开路同轴探头在测量系统中测量灵敏度低下的缺陷。它利用了左手材料结构对电磁波具有“完美聚焦”的放大特性，来弥补传统终端开路同轴探头对被测介质材料灵敏度不高的缺陷。并通过时域有限差分（FDTD）算法对该复合终端开路同轴探头测量系统进行数值仿真，经数值仿真其结果显示该复合终端开路同轴探头结构确实能够大大提高整个测量系统对介质介电常数发生微弱变化时的感知灵敏度，从而弥补了传统终端开路同轴探头对测量介电常数微弱变化时，感知灵敏度低的缺陷。

为实现上述目的，本发明采用由以下技术措施构成的技术方案来实现的。

本发明提供的一种高灵敏度的复合终端开路同轴探头，包括传统终端开路同轴探头，其特征在于还包括S形左手材料结构组成的阵列附加结构；具体是在所述传统终端开路同轴探头末端加载一个由基于左手材料结构的S形左手材料单元周期谐振结构阵列组成的附加结构，来达到提高复合终端开路同轴探头在测量系统中对介电常数测量的灵敏度。

上述技术方案中，所述S形左手材料结构组成的阵列附加结构是由正面的S形左手材料结构单元和反面的S形左手材料结构单元组成。

上述技术方案中，所述正面的S形左手材料结构单元由若干个相同的正面S形左手材料结构单元组成。

上述技术方案中，所述反面的S形左手材料结构单元由若干个相同的反面S形左手材料结构单元组成。

上述技术方案中，所述正面的S形左手材料结构单元和反面的S形左手材料结构单元相互交替组成。

本发明提供的一种高灵敏度的复合终端开路同轴探头用于测量介电常数的测量系统，该测量系统包括矢量网络分析仪，密闭金属谐振腔，待测介质，传统终端开路同轴探头，复合终端开路同轴探头，S形左手材料结构组成的阵列加载结构；所述矢量网络分析仪通过连接电缆与复合终端开路同轴探头连接，复合终端开路同轴探头置于密闭金属谐振腔中，密闭金属谐振腔中放置有待测介质。

所述传统终端开路同轴探头用于测量介电常数的测量系统，与本发明复合终端开路同轴探头的上述测量系统结构及连接方式相同，只是所用终端开路同轴探头为传统终端开路同轴探头。