[发明专利]基于微带互补开环谐振器结构的有源微波传感器

说明书

本发明公开基于微带互补开环谐振器结构的有源微波传感器，用于测量介质材料的复介电常数。传感器包括微带互补开环谐振器结构、有源反馈环路、介质层、金属薄片，其中有源反馈环路为带微波放大器MRF947的微带线环路，可以产生负电阻来补偿谐振器的损耗；微带互补开环谐振器结构由一对馈线和刻槽金属CSRR结构构成，刻槽金属CSRR结构为一个方形槽环，槽沟之间的部分为电场强度最大区域，将待测介质样品覆盖整个CSRR结构，通过矢量网络分析仪测量传感器S参数曲线。本发明具有高灵敏度、高质量因子和超小电尺寸，保证了测量的准确度。

技术领域

本发明属于微波技术领域，涉及一种有源环路激励传感器，特别涉及一种基于微带互补开环谐振器(microstrip complementary split-ringresonator—MCSRR)结构的用于介质材料复介电常数的微波传感器。

背景技术

介质材料复介电常数(ε_r＝ε′_r(1-jtanδ_e)，ε′_r表示介电常数，tanδ_e表示损耗值)的准确测量在医疗保健、食品安全、工业制造中起着重要作用。近年来，平面微波谐振传感器由于其成本低、易于制作等优点得到了广泛的研究。在微波谐振传感器中，谐振频率和质量因数分别与相对介电常数和电损耗有关，即将被测材料样品(MUT)放置到传感器上时，由于传感器谐振腔电容的增加，谐振频率会向下移动，而由于介电损耗，质量因子会降低。根据频率响应特性，平面微波谐振传感器可分为带通响应和带阻响应两种类型。在现有的基于平面谐振式传感器中，有采用开环谐振器(SRR)和互补开环谐振器(CSRR)耦合微带传输线设计传感器，这种传感器的频率响应表现为带阻滤波器的特性，并通过谐振点的变化量反演MUT的复介电常数。此外，也有通过微带SRR(MSRR)和微带CSRR(MCSRR)结构来设计传感器，这种传感器的频率响应类似于带通滤波器，即在谐振点传输接近于0dB。考虑到介质损耗的特性，带通传感器比带阻传感器更合适。这是因为介质损耗通常是通过谐振点的大小变化来获取的，而这在带阻谐振器中是很难识别的，从而给外围电路的设计带来了压力。

然而，由于导体损耗和辐射的影响，带通传感器在测量时的谐振幅值通常比理论值0dB要小得多。为了提高传感器的分辨率，有必要尽可能地提高质量因子。由于带微波放大器的反馈环路可以产生负电阻来补偿谐振器的损耗，因此可以用来提高传感器的质量因子。然而，现有的用反馈环路来提高质量因子的传感器都存在一个不足之处就是它们的灵敏度都很低(不超过0.5×10^-2)，这完全限制了它们的测量范围。本申请结构的设计主要提高传感器质量因子(1931.9)和灵敏度(4.67×10^-2)，同时小型化传感器(电尺寸为)提高实用性。

发明内容

本发明的目的主要针对现有技术的不足，提出了一种结构简单、高灵敏度、高质量因子、超小电尺寸的微波微流体传感器。该传感器由微带互补开环谐振器结构和有源反馈环路两部分构成。

本发明按以下技术方案实现：

一种有源微波传感器，该传感器为双端口器件，包括微带互补开环谐振器结构MCSRR、有源反馈环路、介质层、金属薄片、输入输出端口；

所述介质层上表面设有有源反馈环路、两条馈线；有源反馈环路位于馈线上方，馈线与有源反馈环路不直接相连，而是以电耦合的方法传播电磁波；

所述馈线设置在介质层上表面的空白区域，两馈线位于介质层边缘侧分别接输入输出端口；所述输入输出端口用于连接SMA连接头，所述SMA连接头与矢量网络分析仪相连通；

作为优选，每条馈线长度为11mm，宽度为2.5mm以匹配50欧姆特性阻抗；

作为优选，两馈线位于同一直线上。