[发明专利]一种材料微小介电波动无损检测的微波传感器测量方法

说明书

本发明公开一种材料微小介电波动无损检测的微波传感器测量方法，应用于微波材料领域，针对现有技术难以解决材料介电特性的准确测量和表征的问题；本发明的测量方法，所基于的射频传感器为单端口输入，在辐射单元背面的金属接地面引入四个缺陷地结构人工电磁超材料单元，四个缺陷地结构人工电磁超材料单元分为左右两组，这两组缺陷地结构人工电磁超材料单元呈对称分布，通过适当的调整四个单元内尺寸及单元间尺寸，实现双频工作；待测样品置于四个四组缺陷结构人工电磁超材料单元上方，通过电磁超材料单元周围电磁场与待测材料间相互作用，可实时检测材料介电特性微小波动。

技术领域

本发明属于微波材料领域，特别涉及一种微波材料介电特性测量技术。

背景技术

随着通信技术的不断发展，微波材料已广泛应用到各种通信设备及军事卫星服务中，微波频率下的材料特性研究和功能微波材料的开发一直是通讯领域中最为重要的研究方向。尤其是近年来，随着5G通信技术的广泛应用前景，其对高速、高频电路和系统开发的要求越来越高，因此，更需要全面了解材料在不同微波频率下工作的介电特性。当物质材料置于微波场时，物质材料内部的极化过程滞后于外部电场的变化，从而导致了物质内部的弛豫极化，此时物质的介电常数为复数，其实部为材料介电常数实部，表征物质材料存储能量的能力，其虚部为物质的损耗项也称损耗因数，反映了物质材料的能量耗散特性，即能量在物质中的损耗。作为电磁波传播的主要媒介，材料的介电常数和介电损耗的准确测量和表征将从根本上决定基于介质材料的各种微波设备及器件的工作性能。因而，对电介质材料复介电参数进行测量是必需的。越来越多的新型的电介质材料需要用损耗角正切、复介电常数等主要的微波电磁参数来描述其的介电特性和性能。在微波电路设计的电路仿真的研究等活动中，复介电常数的参数对于是否能够合理地选择材料至关重要，如果电磁参数的给值存在较大的误差，会使得电路的设计、仿真结果与实际测量结果存在很大的差异。所以就对材料的电磁参数的测量就变得十分重要，而且对测量精度的要求也越来越高。因此，对于材料介电特性的准确测量和表征对于微波器件的设计和应用具有非常重要的现实意义。目前材料介电变化检测电路主要有如下四种方法：

1、反射法，反射法通常采用同轴线加探头，并用网络分析仪测量系统的反射参数的方法，通过一定的模型建立起反射参数同周边媒质介电常数的函数关系，来获得被测介质的介电特性；

2、传输法，传输法测量系统包括一台矢量网络分析仪和一条可以放置被测样本传输线，通过测量电路的散射参数获得介电常数；

3、自由空间辐射法，自由空间辐射测量系统由一台矢量网络分析仪，两个面对面的天线以及一个放置在两个天线之间用来固定被测样本的装置组成，通过测量收发天线的S参数获得测量数据；

4、谐振腔法，该方法首先获得空腔时的散射参数，然后测量装载被测样本时的散射参数，通过计算可以得到被测样本的介电常数。

由于现代通讯技术的高速发展，微波器件向着小型化、高频化等的方向发展，微波介电材料的介电特性(介电常数实部和介电损耗)能否准确测量，直接影响微波器件的设计及功能发挥，而目前普遍采用的4种方法都存在一定的不足，例如反射法要求被测物体无穷厚，同时要去除探头与样本间存在的间隙；传输法对于固体被测物有较高精度，然而，其需要待测材料放入传输线的开口处；自由空间辐射法虽然可以进行非接触无损测量、高温和宽带测量，但是其要求被测样本为平板状，且低频需要更多的样本，对低损耗介质的测量精度有限；谐振腔法则只能测量单一频率点，对于高损耗材料要求体积非常小，对于测量结果的分析较为复杂，对固体材料进行测量时，需要刚好放入谐振腔内自己的输入端口和输出端口,对应测量材料的形状有限制性。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种材料微小介电波动检测传感器设计方法，基于的射频传感器中包括两组缺陷地结构人工电磁超材料单元，每个缺陷地结构人工电磁超材料单元可以提供一个独立的谐振频点，通过调节两组单元尺寸及两组单元间间隔位置，可以灵活调整传感器谐振点。