基于抵消型平面传输线介电测试技术研究

发布时间：2020-10-12 22:07

　　 当前介电测试技术广泛应用于化学、生物学、医学领域,包括化学材料检测、生物样本研究、医学诊断等。准确测出样本介电参数的变化对判断其性能有非常重要的作用,但是在传输线背景信号较强的情况下,参数的微弱变化将难以测量。本文基于片上干涉相消原理,完成了基于抵消型平面传输线介电测试装置的设计与材料测量。装置以共面波导为信号传输线,由两个威尔金森功分器和两条路径相差半波长的传输支路构成,结构具有非常高的对称性,并且体积小于分立测量器件。工作时输入信号被威尔金森功分器等分成两路信号,分别经过两条传输支路后相位相反,并在输出端合成以消除背景寄生信号。待测物和参考物分别放在两条支路上,通过测量两路信号的抵消效果来反映两种材料介电参数的差异。装置中心频点设置为5GHz,仿真结果表明频率在5.004GHz处抵消点S_(21)达到-109.96dB。在模型中加入不同介电常数和电导率的模拟材料进行仿真,当待测材料与参考材料的参数差异越大时,抵消点频率、S_(21)变化值越大,变化趋势符合理论预期,并且S_(21)变化值是相同材质的单根共面波导传输线仿真结果的数十倍以上。证明该模型能实现测量目标,并且能够将材料参数的变化更明显地表现出来。本文还设计了调谐模块,它不仅可以避免装置受外力作用发生形变,还可以对抵消效果进行调节,并且保证在滴加液体时装置处于水平状态。实物测量时,未加调谐模块的装置抵消点S_(21)为-69.23dB,加入调谐模块后S_(21)优化至-81.03dB。实验时选取去离子水为参考材料,去离子水、无水乙醇、正丙醇为待测材料,实物测试结果与仿真结果非常接近,验证了本装置的有效性。对测得的数据进行相关性分析和回归分析,得到抵消点频率与介电常数、S_(21)与介电常数的相关关系和回归方程。然后建立以抵消点频率和S_(21)为自变量,被测材料介电常数为因变量的回归模型,拟合出介电常数与测量结果的函数关系式。以浓度为50%的乙醇溶液为测试样本,将测试结果代入函数关系式得到溶液的介电常数,与文献记载的介电常数相比仅偏差0.56%,验证了本文设计并制作的抵消型平面传输线介电测试装置具有实际应用价值。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN811
【部分图文】：

电子科技大学硕士学位论文准确度的关键。因此，本文将研究简单高效的测量装置，采用抵消法思路将强传输背景信号相消，从而提取出测试样本介电参数弱变化，并且将测量输出结果与测试样本的介电参数关联起来，实现从输出结果推导出测试样本介电参数特性的目的。1.2国内外研究现状2008 年，美国克莱姆森大学的 C.R.Song 等设计了一种基于片上相消寄生效应的介电常数测量方法[17]。该装置基于微带线结构，混合环 λ/4 和 3λ/4 传输线的信号差是使得信号抵消的主要原因[18]，通过两路传输线信号抵消程度反映材料介电参数的差异。测试原理与实物装置如图 1-1 所示，不同 DUT 线宽的测量结果如图1-2 所示（其中 92mil 线宽的传输线特征阻抗为 50Ω）：

不同 DUT 线宽的测量结果如图1-2 所示（其中 92mil 线宽的传输线特征阻抗为 50Ω）：图 1-1 C.R.Song 等设计的装置示意图和实物图[17]图 1-2 不同 DUT 线宽实物测量结果[17]虽然该装置能有效消除寄生效应，利用介电常数变化产生输出结果，而非传统直接提取弱信号的方式，但仍然存在一些缺陷。一方面装置采用微带线结构，微带线场强大部分分布在信号线与接地板之间的介质中，而被测材料并不能放置在测试装置场强最强的位置，因此测量灵敏度会有所下降。另一方面由于微带传

第一章 绪论输线结构特性，当介质基板材料、厚度一定时传输线特性阻抗与线宽呈对应关系，改变线宽会导致传输阻抗不匹配，而共面波导更适合片上集成，因为共面波导的特征阻抗由信号线宽度和槽宽的比值决定，可以按比例缩小结构尺寸而保证传输线特性阻抗不变，更适合微量材料的研究。2010 年，Y.Yang等提出一种基于共面波导微流体通道的高灵敏射频传感器[19]，结构如图 1-3 所示，同样利用了片上抵消原理且结构比图 1-1 更加对称，该装置能够检测酵母细胞是否失活，不同测试对象的结果如图 1-4 所示，但是需要通过使用PDMS（聚二甲基硅氧烷）盒子来放置材料，可能引入更多的加工误差，并且测量结果抵消点 S21幅度变化较小。
【参考文献】

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本文编号：2838343