[发明专利]一种基于SIW-CSRR结构的固体材料介电常数传感器

说明书

本发明涉及一种基于SIW‑CSRR结构的固体材料介电常数传感器，属于微波传感器技术领域。该传感器包括正面微带线结构，中间的介质基板和背面接地金属板；所述正面微带线结构为上下对称结构，包括50欧姆输入微带线及50欧姆输出微带线，以及基片集成波导和共面波导，正面微带线结构通过基片集成波导—共面波导—微带线转换结构实现转换，由50欧姆微带线、共面波导和基片集成波导进行激励；所述中间的介质基板两侧为金属化过孔；所述背面接地金属板通过开槽方式加载三个开口方向各不相同的互补开口谐振环。本发明具有灵敏度和选择性高，介电常数测试准确率高，测试方案简单，轮廓紧凑及制作成本低、加工简便等优点。

技术领域

本发明属于微波传感器技术领域，涉及一种基于SIW-CSRR(ComplementarySplit-Ring Resonator-Substrate Integrated Waveguide，互补开口谐振环-基片集成波导)结构的固体材料介电常数传感器。

背景技术

介电常数是表征介质材料的介电性质或极化性质的物理参数，准确测量物体的介电常数对物体材质的损耗判断有着重要的影响。市面上用于测量物体介电常数的仪器均较为昂贵。目前多采用谐振腔法、传输反射法及自由空间法测物体相对介电常数。其中谐振腔法精度最高，但对待测样品尺寸要求较高，测试范围较窄；传输反射法操作简便，测试频率范围较大，但是误差较高；自由空间法主要用于测试毫米波频段的介电常数，但是要求待测物体面积需要足够大以保证测试精度。近年来，随着微波技术的不断发展，微波传感器在工业中已经广泛应用于温度或流体环境中的材料属性的测量，基于微波电路的传感器为介电常数的测量提供了新的途径。

Jafari等人提出了一种新型的工业液体相对介电常数传感器(Jafari,FereshtehSadat,Javad Ahmadi-Shokouh,Industrial liquid characterization enhancementusing microwave sensor equipped with electronic band gap structure,AEU-Int.J.Electron.Commun.82(2017)152–159)，采用电子带隙(EBG)结构，提高了测量部位的电场强度，测试了该传感器对不同相对介电常数和损耗正切值的液体的特性。但是该传感器尺寸较大，不易于实现器件的小型化。

郭富祥等人提出了一种基于微带谐振法的相对介电常数方法(郭富祥,赖展军,薛锋章.基于微带谐振法的相对介电常数无损伤测量[J].重庆邮电大学学报(自然科学版),2017,29(03):346-351)，设计制作了一款谐振频率为2GHz的测试装置，该装置采用四分之一波长型阶跃阻抗谐振器(SIR)以及背面缝隙耦合的馈电结构，实现了对待测物体相对介电常数的无损伤测量。但是其灵敏度相对较低，仅为57.2MHz/单位。

Fereshteh Sadat Jafari等人提出了一种基于衬底集成波导的腔体传感器(Fereshteh Sadat Jafari,Javad Ahmadi-Shokouh,Reconfigurable microwave SIWsensor based on PBG structure for high accuracy permittivity characterizationof industrial liquids,Sensors and Actuators A:Physical,283(2018)386-395)，采用了光子带隙法和可变电容，利用腔微扰技术来计算相对介电常数，该方法和装置适用于石油老化程序的检测。但是该传感器无法进行固体物质测试，同时灵敏度仅为13.85MHz/单位。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于SIW-CSRR结构的固体材料介电常数传感器，该传感器利用SIW腔体品质因数高、轮廓紧凑、制作成本低、加工简便等特性，实现了一种紧凑的波导结构，在此基础上，将CSRR结构加载到微波电路可有效提高微波传感器的灵敏度和选择性，克服现有技术固体物质介电常数的测试准确度不高的缺点。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：