[发明专利]一种基于SIW的便携式液体介电常数测量系统

说明书

本发明公开一种基于SIW的便携式液体介电常数测量系统。该系统以传统的谐振腔微扰法为测量方式并通过一个连接基于基片集成波导SIW谐振器的反馈式压控振荡器的锁相环电路提取液体的介电常数信息。其中，SIW谐振器通过中间插入一个石英晶体管来放置待测液体，基于连接SIW的反馈式压控振荡器用来提取振荡频率偏移和介电常数之间的关系，最后通过锁相环电路将振荡频率的偏移转化为电压的偏移，从而通过简单测量电压信号来测量介电常数的信息。相对于现有的谐振腔测量技术依赖矢量网络分析仪才能测量介电常数，本发明在保证精确度的前提下消除了对大型实验设备的依赖，大大降低了测量的成本。

技术领域

本发明属于微波毫米波电路和智能传感技术领域，提出了一种脱离矢量网络分析仪 依赖的便携式液体介电常数测量系统。

背景技术

材料介电常数的测量由于其在航空航天、新材料研制、气液监测以及生物医学等方 面的潜在应用价值而受到越来越多的关注。其中，基于微波技术的介质检测方法，由于其特有的非接触和无损特性，在近年来愈发流行。目前，微波介电常数测量方法主要包 括有集总电路法，传输线法，谐振腔微扰法，自由空间法等。其中，谐振腔微扰法是最 常用和精确的一种方法，它通常是将介质材料放入谐振腔，从而扰动腔体内的场分布。 通过对谐振频率偏移的测量，可计算得到材料的介电常数。通常情况下，为了测量更加 精确，需要高品质因数的谐振器，传统的高品质因数谐振器如金属波导结构可以很好地 胜任这一要求，广泛应用于液体介电常数测量，却也存在体积大、难以集成的缺点。基 片集成波导(SIW)谐振腔作为一种高品质因数的平面型波导，本发明将其应用于液体 介电常数的测量，在具备较高灵敏度的同时与电路具有很好的电路兼容性。

另外，谐振腔微扰法需要通过测量介质放入前后谐振频率偏移的大小来测量介电常 数，谐振频率的测量需要体积庞大、价格昂贵的矢量网络分析仪去完成。但是矢量网络分析仪造成使用不便，成本过高，故而迫切需要摆脱其使用。

因此，上述两点成为制约该方法广泛应用的重要因素。面对便携式应用的巨大需求， 必须设法消除对大型实验设备矢量网络分析仪的依赖。因此，有关介电常数测量的便携 式自持系统已经成为近年来学术和工业界的研究热点。如何快速，准确地测量材料的介电常数并有效的将其误差控制在一定范围内，对于工业检测，科学研究都有重要意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是为了克服上述所提到的困难，正视挑战，提出了一种区别于传统测量方式的新型便携式微波介电常数测量方法。

该系统包括连接基片集成波导(简称SIW)谐振腔的压控振荡器VCO和由该VCO 构成的锁相环电路PLL组成。

SIW谐振腔作为锁相环电路PLL中压控振荡器VCO的反馈网络；

作为优选，压控振荡器VCO为反馈式结构；

所述的锁相环电路PLL为公知技术；

所述的SIW谐振腔是在介质基板中利用金属化过孔等间距排列来代替传统金属波导的波导壁，介质上下表面采用金属覆盖，形成波导的上下表面，当金属化过孔的排列 距离在一定范围以内(工作波长的十分之一以下)，该结构内电磁传播特性与在金属波 导中的传播特性几乎相同。因此SIW在具备传统波导高品质因数特性的同时，大大缩小 了体积，且平面易于集成。

工作原理：谐振器作为一种产生谐振频率的无源器件，通过在其内部或上面放置不同介电常数ε_r的待测介质可以改变其频率响应，这种频率响应的变化造成该反馈式 VCO相位关系的变化，从而得到不同的振荡频率。PLL作为一种稳定振荡频率的电路， 可以通过输出反馈电压将VCO固定在固定频率，从而可以将原始介电常数的变化对应于 电压值的改变。因此通过电压表测量出控制电压进而可以得到介电常数大小，从而避开 了矢量网络分析仪的使用。

优选的锁相环PLL电路采用ADI公司芯片构建，该芯片有效集成了小数分频器，鉴相器，电荷泵等多个锁相环内部功能模块。