紧凑型高灵敏微波介电传感器研究
发布时间：2021-11-03 20:39
对各类物质的成分、状态及品质检测无论在科学研究还是工业制造领域都具有重要意义。相较于传统检测方法,微波介电传感测量技术具有快速可靠、适用范围广、无需标记样品等诸多优点,现已成为各学科领域实现传感检测的主要技术手段之一。然而,随着检测精度要求的不断提升与应用环境的日趋复杂,现有微波介电传感测量方案已难以满足,研究开发性能更加优良的新型微波介电传感测量器件需求迫切。为解决上述问题,本论文将衬底集成波导重入式谐振腔创新应用于微波介电传感技术领域,利用其诱导电场高度集中的独特谐振性能,结合其平面化、小型化、易于加工与集成的结构优势,开展高精度、高灵敏度的微波介电传感应用探索。本文通过对传感器的工作机理分析、传感特性仿真以及性能实验测试,详细论证了设计方案的可行性与优越性,为新型高性能微波介电传感测量器件的研发提供了新思路。具体研究成果如下:（1）以矩形衬底集成波导重入式谐振腔结构为基础,依托微流控工艺技术,设计了一款非侵入式、无需物理接触、可重复使用的新型液态媒质传感器,用以实现液态媒质复介电常数的快速无损精准测量。基于分布等效电路理论构建重入式谐振腔等效RLC电路模型,结合高频电磁模拟仿真,...
【文章来源】：西南大学重庆市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
传输线法测量原理示意图
2(121Λ2)(1-13)其中1Λ2=[12ln(1)]2(1-14)式中0为自由空间波长，为传输线截止波长。对于波导传输线，截止波长由其结构参数决定，对于传输TEM模的传输线如同轴线及微带线等，截止波长为无穷大[1]。传输线测量法的优点在于其可实现对样品介电常数与磁导率的宽频带测量，但由于各类传输线的固定结构，其对样品形状也有较高要求（需与传输线内部结构匹配）。因此，当需要获取样品的频率色散特性且能够对样品形状进行精确加工时，可选用传输线法进行测量。1.2.2自由空间法图1-2自由空间法测量装置示意图Fig.1-2Measurementdiagramoffreespacemethod自由空间法的测量装置如图1-2所示，两个喇叭天线对向放置，天线末端通过同轴线连接在矢量网络分析仪上，用以获取计算所需的散射参数。被测样品放置于两天线中间，电磁波信号在样品处的反射系数及透射系数由样品材料的电磁特性直接决定，通过测量天线接收到的散射参数即可反演计算出样品的介电常数值。严格意义上讲，自由空间测量法也属于传输线测量法中的一种，只是其电磁波传播介质为自由空间，而非限制于传输线内部。因此，自由空间测量法的样品介电常数计算方法和上一节分析的传输线测量法基本相同，只需将电磁波的传播常数等参量作相应变换即可。由于测试时天线无需与样品接触，因此该方法也可用于某些特殊样品的介电常数测量，如高温或高腐蚀性样品。需要注意的是，自由空间法对样品的尺寸也有相应要求，若样品尺寸小于天线工作频率的自由空间波长，电磁波则会在样品边缘处发生绕射现象，导致测量结果产生误差。而样品厚度则需要小于电磁波在样品材料内的波长，否则求解样品介电常数时将会存在不唯一解[35]。
第1章绪论51.2.3同轴反射法(a)(b)图1-3同轴反射法：（a）终端开路同轴探针测量示意图；（b）等效电路模型Fig.1-3Coaxialreflectionmethod:(a)schematicdiagramofopen-endedcoaxialprobe;(b)equivalentcircuitmodel同轴反射法包含多种探针结构类型，其中终端开路同轴探针结构应用最为广泛。如图1-3a所示为典型的终端开路同轴探针测量示意图，测量时将探针开口紧贴于样品表面，由于探针与样品具有不同阻抗，电磁信号在开口分界面处将产生反射，复反射系数的大小则依赖于探针与样品的阻抗值，而样品的阻抗又由其材料电磁特性直接决定，因此通过测定加载样品时同轴探针的复反射系数即可导出样品的复介电常数。为了便于分析，可将同轴探针等效为图1-3b所示的电容模型，其中Cf表示同轴探针内外导体间的边缘电容；C()为被测样品对应的加载电容，其值为C()=×C0，为样品的介电常数，C0为探针未接触任何样品时的空载电容。根据传输线理论，电磁波在探针开口处的复反射系数可以表达为[35,36]：Γ=|Γ|=1j0[()+f]1+j0[()+f](1-15)式中为测量角频率，0为同轴探针的特征阻抗。求解上式可得，样品相对介电常数为：=1Γj00(1+Γ)f0(1-16)式中Γ为复数形式，将上式进一步拆分可得样品相对介电常数的实部与虚部分别为：′=2|Γ|sin00(1+2|Γ|cos+|Γ|2)f0(1-17a)′′=1|Γ|200(1+2|Γ|cos+|Γ|2)(1-17b)式中反射系数的幅值|Γ|与相位可通过矢量网络分析仪直接测量得到，而f与0的值则可通过使用具有明确介电常数值的标准样品（如去离子水）对探针进行校准求得。同轴反射法操作简便，可用于固体、液体、粉末以及生物组织等多种样品的
【参考文献】：
期刊论文
[1]闭式谐振腔法微波介质陶瓷介电常数测量[J]. 王益,张翠翠,王建忠,何斌,韩玉强. 仪器仪表学报. 2017(10)
[2]基于同轴谐振腔法的材料电参数测量[J]. 薛冰,纪奕才. 电子测量技术. 2017(04)
[3]谐振腔法测量W波段有耗介质材料[J]. 侯筱琬,薛谦忠. 微波学报. 2015(S2)
[4]微扰法测量粉末状材料介电常数的改进[J]. 何帆,李青侠,郑文超. 微波学报. 2015(03)
[5]基于电阻膜与分形频率选择表面的超薄宽频带超材料吸波体的设计[J]. 程用志,聂彦,龚荣洲,王鲜. 物理学报. 2013(04)
[6]基于材料反射率谐振特性测试电磁参数的自由空间法[J]. 丁世敬,黄刘宏,李跃波,薛凡喜. 物理学报. 2012(22)
[7]食品物料介电常数的研究与应用[J]. 赵婷,周修理,李艳军,杨方,郑先哲,毕吉福. 农机化研究. 2012(05)
[8]微波遥感技术监测土壤湿度的研究[J]. 赵少华,秦其明,沈心一,王志强,邱国玉,随欣欣. 微波学报. 2010(02)
[9]复介电常数在水土污染监测中的应用研究[J]. 刘永成,李杰,田跃,李建丽,许洪彦. 环境科学与技术. 2006(S1)
[10]用自由空间法测试介质电磁参数[J]. 唐宗熙,张彪. 电子学报. 2006(01)
博士论文
[1]变压器油纸绝缘热老化的时频域介电和空间电荷特性研究[D]. 郝建.重庆大学 2012
本文编号：3474314
【文章来源】：西南大学重庆市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
传输线法测量原理示意图
2(121Λ2)(1-13)其中1Λ2=[12ln(1)]2(1-14)式中0为自由空间波长，为传输线截止波长。对于波导传输线，截止波长由其结构参数决定，对于传输TEM模的传输线如同轴线及微带线等，截止波长为无穷大[1]。传输线测量法的优点在于其可实现对样品介电常数与磁导率的宽频带测量，但由于各类传输线的固定结构，其对样品形状也有较高要求（需与传输线内部结构匹配）。因此，当需要获取样品的频率色散特性且能够对样品形状进行精确加工时，可选用传输线法进行测量。1.2.2自由空间法图1-2自由空间法测量装置示意图Fig.1-2Measurementdiagramoffreespacemethod自由空间法的测量装置如图1-2所示，两个喇叭天线对向放置，天线末端通过同轴线连接在矢量网络分析仪上，用以获取计算所需的散射参数。被测样品放置于两天线中间，电磁波信号在样品处的反射系数及透射系数由样品材料的电磁特性直接决定，通过测量天线接收到的散射参数即可反演计算出样品的介电常数值。严格意义上讲，自由空间测量法也属于传输线测量法中的一种，只是其电磁波传播介质为自由空间，而非限制于传输线内部。因此，自由空间测量法的样品介电常数计算方法和上一节分析的传输线测量法基本相同，只需将电磁波的传播常数等参量作相应变换即可。由于测试时天线无需与样品接触，因此该方法也可用于某些特殊样品的介电常数测量，如高温或高腐蚀性样品。需要注意的是，自由空间法对样品的尺寸也有相应要求，若样品尺寸小于天线工作频率的自由空间波长，电磁波则会在样品边缘处发生绕射现象，导致测量结果产生误差。而样品厚度则需要小于电磁波在样品材料内的波长，否则求解样品介电常数时将会存在不唯一解[35]。
第1章绪论51.2.3同轴反射法(a)(b)图1-3同轴反射法：（a）终端开路同轴探针测量示意图；（b）等效电路模型Fig.1-3Coaxialreflectionmethod:(a)schematicdiagramofopen-endedcoaxialprobe;(b)equivalentcircuitmodel同轴反射法包含多种探针结构类型，其中终端开路同轴探针结构应用最为广泛。如图1-3a所示为典型的终端开路同轴探针测量示意图，测量时将探针开口紧贴于样品表面，由于探针与样品具有不同阻抗，电磁信号在开口分界面处将产生反射，复反射系数的大小则依赖于探针与样品的阻抗值，而样品的阻抗又由其材料电磁特性直接决定，因此通过测定加载样品时同轴探针的复反射系数即可导出样品的复介电常数。为了便于分析，可将同轴探针等效为图1-3b所示的电容模型，其中Cf表示同轴探针内外导体间的边缘电容；C()为被测样品对应的加载电容，其值为C()=×C0，为样品的介电常数，C0为探针未接触任何样品时的空载电容。根据传输线理论，电磁波在探针开口处的复反射系数可以表达为[35,36]：Γ=|Γ|=1j0[()+f]1+j0[()+f](1-15)式中为测量角频率，0为同轴探针的特征阻抗。求解上式可得，样品相对介电常数为：=1Γj00(1+Γ)f0(1-16)式中Γ为复数形式，将上式进一步拆分可得样品相对介电常数的实部与虚部分别为：′=2|Γ|sin00(1+2|Γ|cos+|Γ|2)f0(1-17a)′′=1|Γ|200(1+2|Γ|cos+|Γ|2)(1-17b)式中反射系数的幅值|Γ|与相位可通过矢量网络分析仪直接测量得到，而f与0的值则可通过使用具有明确介电常数值的标准样品（如去离子水）对探针进行校准求得。同轴反射法操作简便，可用于固体、液体、粉末以及生物组织等多种样品的
【参考文献】：
期刊论文
[1]闭式谐振腔法微波介质陶瓷介电常数测量[J]. 王益,张翠翠,王建忠,何斌,韩玉强. 仪器仪表学报. 2017(10)
[2]基于同轴谐振腔法的材料电参数测量[J]. 薛冰,纪奕才. 电子测量技术. 2017(04)
[3]谐振腔法测量W波段有耗介质材料[J]. 侯筱琬,薛谦忠. 微波学报. 2015(S2)
[4]微扰法测量粉末状材料介电常数的改进[J]. 何帆,李青侠,郑文超. 微波学报. 2015(03)
[5]基于电阻膜与分形频率选择表面的超薄宽频带超材料吸波体的设计[J]. 程用志,聂彦,龚荣洲,王鲜. 物理学报. 2013(04)
[6]基于材料反射率谐振特性测试电磁参数的自由空间法[J]. 丁世敬,黄刘宏,李跃波,薛凡喜. 物理学报. 2012(22)
[7]食品物料介电常数的研究与应用[J]. 赵婷,周修理,李艳军,杨方,郑先哲,毕吉福. 农机化研究. 2012(05)
[8]微波遥感技术监测土壤湿度的研究[J]. 赵少华,秦其明,沈心一,王志强,邱国玉,随欣欣. 微波学报. 2010(02)
[9]复介电常数在水土污染监测中的应用研究[J]. 刘永成,李杰,田跃,李建丽,许洪彦. 环境科学与技术. 2006(S1)
[10]用自由空间法测试介质电磁参数[J]. 唐宗熙,张彪. 电子学报. 2006(01)
博士论文
[1]变压器油纸绝缘热老化的时频域介电和空间电荷特性研究[D]. 郝建.重庆大学 2012
本文编号：3474314
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