[发明专利]基于小型化介质谐振器天线的液体介电常数传感器及应用

说明书

本发明属于液体特性检测技术领域，公开了一种基于小型化介质谐振器天线的液体介电常数传感器及应用，介质谐振器的顶部引入微型腔体，介质谐振器的中间位置引入短路柱。馈电结构为位于谐振器一侧的馈电探针；馈电探针位于介质谐振器的一侧，馈电探针紧贴于介质谐振器的侧面。在介质谐振器中间引入的短路柱，短路柱与地板相连接。介质谐振器和馈电结构位于地板的同一侧。本发明的液体介电常数传感器具有体积小、结构简单和高灵敏度等特点，在液体传感器领域有着广阔的应用前景；通过在圆柱形介质谐振器天线中间引入短路柱，将其基模由HEM_11δ模式转变为TM_10δ模式。且相比于传统的圆柱形介质谐振器天线，TM_10δ模式也被大大降低。

技术领域

本发明属于液体特性检测技术领域，尤其涉及一种基于小型化介质谐振器天线的液体介电常数传感器及应用。

背景技术

目前，最接近的现有技术：微波传感器在日常生活以及工业生产应用领域具有广泛的应用。由于工作频段高(往往为GHz频段)，微波传感器具有体积小、灵敏度高、可靠性强、无污染以及成本低等优点，其被广泛的应用于温度检测、建筑物形态检测、生物医学以及化工领域。常见的微波传感器应用包括温度传感器、拉力及物体形变传感器以及物质介电特性传感器等等。液体介电特性传感器由于能够准确的检测不同液体的介电特性进而甄别不同种类的液体以及液体成分，其在食品检验、医学检测以及化学成分鉴定方面，具有广阔的前景。

现有技术一，采用具有高Q值的微波谐振器，通过激励谐振器结构中的不同模式，如圆柱形波导谐振器结构的准TM模式、矩形腔体谐振器的TE模式等，将待测试液体注入到谐振腔中，通过测试谐振腔谐振频率随待测液体介电常数的变化进而实现对不同液体的检测。这些技术所述的介质谐振器的尺寸通常在5到15cm以内，所需的待检测液体的体积也较大，有可能造成一定的浪费。而若是测量微量样本，又会出现不够精确的结果。

现有技术二是利用平面形式的谐振器，如基于微带传输线的谐振器以及基于介质集成波导的谐振器等。通过观测待测液体介电常数与平面型谐振器谐振频率之间的关系，确定待测液体的介电常数。一般情况下，这一方法也需要一定体积的待测液体才能完成测试。

现有技术三是将传统的谐振器结构与微流控技术相结合，通过少量的液体即可实现检测。近年来，微流控技术的发展，这一类技术得到了很大的提升，为利用微量溶液实现介电特性检测提供了一种很好的解决思路。以上几种方法，由于需要借助传输线技术完成测试，因此，需要用到双端口微波传输线，对传输线的传输参数进行测试，进而获得分析结果。这些方法测试较为复杂。

现有技术四，则是采用将液体加载至具有一定谐振频率的天线结构之上，不同的介电常数的液体对天线的谐振频率影响不同，通过测试天线的谐振频率进而反演出液体的介电特性。这种方法结构与原理简单，往往只需要测试天线输入端口的阻抗特性即可完成测试，因此，近年来这种方法也受到了人们的关注，包括微带天线，工作于HEM模式的介质谐振器天线等不同类型的天线都被用来实现液体介电特性的检测。但是，这种方法往往也需要一定体积的液体才能完成检测，造成了液体的浪费与环境污染。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有基于谐振器天线设计的液体介电常数传感器多数尺寸较大，所需待测液体的用量也较多，容易造成液体的浪费与环境污染。而若是测量微量样本，又会出现不够精确的结果。

解决上述技术问题的难度：本发明的关键在于寻找一种创新型的谐振器天线结构。介质谐振器天线由于其具有成本低、效率高等优点，受到人们的广泛关注，工作于HEM模式的圆柱形介质谐振器天线已经被引入到液体传感器的设计中，然而由于其工作模式的原因，无法实现天线的小型化设计，使得传感器体积较大。传统的介质谐振器天线结构包括半球形介质谐振器天线、圆柱形介质谐振器天线和矩形介质谐振器天线，这里应用新型圆柱形介质谐振器天线：在圆柱形介质谐振器天线中间引入一短路柱，大幅度的缩小天线的尺寸。同时，在液体传感器领域，实现高灵敏度的液体传感器仍有待发展。利用引入短路柱的圆柱形介质谐振器天线能够在少量液体样本的情况下完成高灵敏度检测。