[发明专利]基于人工表面等离激元和螺旋线结构的微波定位传感器

说明书

本发明为基于人工表面等离激元和螺旋线结构的微波定位传感器。该传感器包括刻有互补螺旋线结构的接地金属板、介质层以及人工表面等离激元传输线三层结构。该传感器的工作原理是当有外部金属物体附着在互补螺旋线结构上时，互补螺旋线结构上谐振电流长度的改变会导致其谐振频率发生变化，传输线的传输系数在谐振频率处存在零点，因此通过观察传输系数零点在频谱上的位置变化即可实现电小尺寸金属物体定位。利用互补螺旋线结构的高次谐振和对应的多个传输零点来提高定位精度，实现亚波长尺度精确定位。该位置传感器可感知物体小、分辨率高，在人体可穿戴设备、生物医学电子及生物医疗器械中具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种微波定位传感器，属于微波毫米波太赫兹技术及微波传感器领域。

背景技术

随着如今电子信息等领域的发展，可穿戴电子设备成为人们日常生活中必不可少的组成部分。为了满足可穿戴设备的智能化要求，传感器的种类、数量与日俱增。微波毫米波传感器凭借其结构简单、加工方便等优势，在角度测量、介电常数测量、压力测量、距离测量等方面都有很大的应用前景。为了实现可穿戴设备或生物医学电子对外部环境的感知能力，高精度、小尺度的微波传感器是必要的，例如位置、温度、湿度传感器等等。

传统位置传感器大多利用超声波、微波、红外线和光波的物理特性。超声波主要运用在大尺度物体的检测上，例如机器人避障、汽车雷达及地形地貌的勘探等方面；红外线和光波可以采用光学原理，对物体的空间方位进行测量，例如太阳方位检测、照相机对焦辅助等；微波目前主要运用在空间方位的测量，例如蓝牙、Zigbee等可以利用多点信号交互对空间中的物体实现定位，从而促进了智能化生产、制造、家居等领域的发展。但是，目前可以运用在可穿戴设备上的可实现亚波长尺度定位的传感器解决方案并不多见。

人工表面等离激元传输线具备对电磁波的强束缚能力，凭借其场局域特性可用于共形传输，满足可穿戴设备的要求。同时，采用电磁谐振结构或在金属板上刻蚀互补的电磁谐振结构，在特定频率产生具有高品质因数(Q值)的电磁谐振。当电磁谐振结构位于人工表面等离激元传输线附近时，传输线在谐振频率上产生传输零点。当外部电小尺寸金属物体附着在谐振结构上时，谐振电流长度的改变会导致其谐振频率发生变化。因此通过监测人工表面等离激元传输线传输零点在频谱上的位置偏移即可实现对电小尺度金属物体的高分辨率定位，实现位置传感器的功能。

本发明根据上述要求，提出了基于人工表面等离激元和螺旋线结构的微波定位传感器。该微波定位传感器采用刻蚀在接地金属板上的互补螺旋线谐振结构产生传输零点，当外部金属物体附着在互补螺旋线结构上时，通过人工表面等离激元传输线传输零点在频谱上变化的规律反推出外部物体的位置，实现对电小尺度金属物体定位的能力，且具有曲面共形、可靠性强的特点，可满足对高分辨率、高精度柔性位置传感器的需求

发明内容

技术问题：本发明的目的是克服现有技术难以精确测量电小尺寸物体位置的缺点，提供一种基于人工表面等离激元和螺旋线结构的微波定位传感器，实现亚波长金属物体定位传感的功能。

技术方案：本发明的一种基于人工表面等离激元和螺旋线结构的微波定位传感器包括刻有螺旋线互补结构的接地金属板、介质层、人工表面等离激元传输线及其过渡结构；刻有螺旋线互补结构的接地金属板位于介质层的一面，人工表面等离激元传输线位于介质层的另一面。

所述的刻有螺旋线互补结构的接地金属板是镂空蚀刻有阿基米德螺旋线或其他类型螺旋线结构的金属接地层。

所述的介质层为单层或多层介质结构。

所述的介质层为高频电介质层。

所述的人工表面等离激元传输线包含微带输入端和输出端、均匀开槽的人工表面等离激元传输结构以及微带线与人工表面等离激元传输结构之间的过渡结构。

所述的人工表面等离激元传输线对称结构或非对称结构。

所述的过渡结构为渐变式过渡结构或采用阶梯式过渡结构、曲线渐变过渡结构