全文摘要
本实用新型涉及一种用于测量介电常数的互补开口谐振环微带谐振传感器及测量系统，互补开口谐振环简称CSRR，全称为ComplementarySplitRingResonators，所述微带谐振传感器包括介质基片、导体信号线、金属接地板以及互补开口谐振环，其中，导体信号线印刷在介质基片正上方，金属接地板一体成型设置于介质基片的正下方，互补开口谐振环蚀刻在金属接地板中。本实用新型是测量介电常数的CSRR微带谐振传感器，基于CSRR实现介电常数的测量，具有体积小、重量轻、成本低、精度高、无损测量、便于样本制备等优点，基本克服了传统微波测量技术存在的弊端。
主设计要求
1.一种用于测量介电常数的互补开口谐振环微带谐振传感器，其特征在于：包括介质基片、导体信号线、金属接地板以及互补开口谐振环，其中，导体信号线印刷在介质基片正上方，金属接地板一体成型设置于介质基片的正下方，互补开口谐振环蚀刻在金属接地板中。
设计方案
1.一种用于测量介电常数的互补开口谐振环微带谐振传感器，其特征在于：包括介质基片、导体信号线、金属接地板以及互补开口谐振环，其中，导体信号线印刷在介质基片正上方，金属接地板一体成型设置于介质基片的正下方，互补开口谐振环蚀刻在金属接地板中。
2.如权利要求1所述的用于测量介电常数的互补开口谐振环微带谐振传感器，其特征在于：所述导体信号线印刷在介质基片正上方的中间位置，互补开口谐振环蚀刻于金属接地板的正中间位置，且位于导体信号线的正下方。
3.如权利要求1所述的用于测量介电常数的互补开口谐振环微带谐振传感器，其特征在于：所述金属接地板的下方用于容置待测的物质。
4.如权利要求3所述的用于测量介电常数的互补开口谐振环微带谐振传感器，其特征在于：所述传感器还包括一对SMA连接器，分别焊接于导体信号线两端，用于连接微波电缆和微带线。
5.一种用于测量介电常数的测量系统，其特征在于：包括互补开口谐振环微带谐振传感器和矢量网络分析仪，所述互补开口谐振环微带谐振传感器选自如权利要求4所述的互补开口谐振环微带谐振传感器，其中，所述SMA连接器与矢量网络分析仪通过微波电缆连接，矢量网络分析仪用于获取互补开口谐振环微带谐振传感器的谐振频率。
6.如权利要求5所述的用于测量介电常数的测量系统，其特征在于：所述互补开口谐振环微带谐振传感器上的互补开口谐振环的横截面呈现两个相互包覆的方形结构，两个方形结构上各自具有一个开口，开口所处方向相对。
7.如权利要求6所述的用于测量介电常数的测量系统，其特征在于：所述互补开口谐振环的横截面呈现的两个相互包覆的方形结构，其边长分别介于7.0-8.0mm及5.0-5.5mm，两个方形结构的间距介于0.2-0.4mm，开口的口径均介于0.3-0.5mm。
设计说明书
技术领域
本实用新型涉及微波测量技术领域，具体涉及一种用于测量介电常数的互补开口谐振环微带谐振传感器及测量系统。
背景技术
介电常数是物质材料的一个重要特性。目前，用于材料介电常数测量的主要方法有自由空间法、传输线法和谐振腔法。自由空间法的测量装置由一对用于发射和接收的聚焦透镜天线分别连接到矢量网络分析仪两端构成，将样本放置在两天线的共焦面处，通过测量自由空间的反射系数和传输系数实现介电常数的测量。自由空间法是一种无损无接触测量方法，但是需要使用昂贵的聚焦透镜天线测量成本高；传输线法是将待测材料样本填充到传输中 (波导或同轴线等)，通过使用网络分析仪测量传输线的散射系数，并根据散射方程推算出介电常数。这种方法较自由空间法具有设备成本低的优点，但材料样品要求与传输线紧密配合，制备过程要求较高；谐振腔法将待测材料样本填充到谐振腔中，通过测量谐振频率的偏移量和品质因数实现介电常数的测量。虽然谐振腔法只能在窄带范围内实现介电常数的测量，但相比于自由空间法和传输线法，谐振腔具有最高的测量准确度，不过仍然存在样品制备复杂的问题。
综上，需要一种新的用于测量物质介电常数的技术及其装置。
实用新型内容
为解决现有技术存在的不足，本实用新型提供了一种用于测量介电常数的互补开口谐振环(下文简称“CSRR”)微带谐振传感器，包括介质基片、导体信号线、金属接地板以及互补开口谐振环，其中，导体信号线印刷在介质基片正上方，金属接地板一体成型设置于介质基片的正下方，互补开口谐振环蚀刻在金属接地板中。
其中，所述导体信号线印刷在介质基片正上方的中间位置，互补开口谐振环蚀刻于金属接地板的正中间位置，且位于导体信号线的正下方。
其中，所述金属接地板的下方用于容置待测的物质。
其中，所述传感器还包括一对SMA连接器，分别焊接于导体信号线两端，用于连接微波电缆和微带线。
本实用新型另外提供一种用于测量介电常数的测量系统，包括CSRR微带谐振传感器和矢量网络分析仪，所述CSRR微带谐振传感器选自上文所述的CSRR微带谐振传感器，其中，所述SMA连接器与矢量网络分析仪通过微波电缆连接，矢量网络分析仪用于获取CSRR微带谐振传感器的谐振频率。
其中，所述互补开口谐振环的横截面呈现两个相互包覆的方形结构，两个方形结构上各自具有一个开口，开口所处方向相对。
其中，所述互补开口谐振环的横截面呈现的两个相互包覆的方形结构，其边长分别介于7.0-8.0mm及5.0-5.5mm，两个方形结构的间距介于 0.2-0.4mm，开口的口径均介于0.3-0.5mm。
本实用新型提供的用于测量介电常数的CSRR微带谐振传感器及测量系统，基于CSRR实现介电常数的测量，具有体积小、重量轻、成本低、精度高、无损测量、便于样本制备等优点，基本克服了传统微波测量方法存在的弊端。
附图说明
图1：本实用新型的用于测量介电常数的测量系统的完整的结构示意图。
图2：本实用新型的用于测量介电常数的CSRR微带谐振传感器的仰视图。
图3：本实用新型的用于测量介电常数的CSRR微带谐振传感器的主视图。
图4：本实用新型的微带谐振传感器中互补开口谐振环的俯视结构示意图。
图5：本实用新型的微带谐振传感器对应的等效电路图。
图6：本实用新型建模仿真得到的谐振频率的负二次方与介电常数的线性关系仿真图。
图7：本实用新型在不同样本厚度下建模仿真得到的谐振频率的负二次方与介电常数的线性关系仿真图。
附图标记说明
10-介质基片、20-导体信号线、30-金属接地板、40-互补开口谐振环、 50-SMA连接器、60-矢量网络分析仪、70-微波线缆。
具体实施方式
为了对本实用新型的技术方案及有益效果有更进一步的了解，下面结合附图详细说明本实用新型的技术方案及其产生的有益效果。
图1为本实用新型提供的用于测量介电常数的测量系统的完整的结构示意图，图2及图3分别为本实用新型提供的用于测量介电常数的测量系统中测量部分，即CSRR微带谐振传感器的测量部分的俯视图及主视图，如图1- 图3所示，本实用新型提供的用于测量介电常数的CSRR微带谐振传感器，包括介质基片10、导体信号线20、金属接地板30、互补开口谐振环40(下称 CSRR)、SMA连接器50，其中，导体信号线20设置于介质基片10正上方的中间位置，金属接地板30一体成型设置于介质基片10的正下方，互补开口谐振环40蚀刻在金属接地板30的正中间位置，且位于导体信号线20的正下方，SMA连接器50设置为一组，分别位于导体信号线20两端，SMA连接器 50通过微波线缆70与矢量网络分析仪60连接，测量介电常数时，将待测物质放于金属接地板30的下方，矢量网络分析仪60将接收整个微带谐振传感器的谐振频率，经进一步处理后，得到待测物质的介电常数。
图4为本实用新型的微带谐振传感器中，互补开口谐振环的俯视结构示意图，如图4所示，互补开口谐振环的横截面呈现两个相互包覆的方形结构，两个方形结构上各自具有一个开口，开口所处方向相对。方形互补开口谐振环与微带线耦合结构为本实用新型的设计重点，通过在介质基片，以及介质基片两侧设置的导体信号线和金属接地板所形成的微带线结构加载互补开口谐振环构成CSRR微带谐振传感器，其中，将CSRR蚀刻在微带线结构的金属接地板30上，测量时，待测物质紧密贴合互补开口谐振环40，将传输系数S21<\/sub>在谐振点处的频率值作为传感量(下详述)，实现物质介电常数的测量。
本实用新型提供的用于测量介电常数的CSRR微带谐振传感器，当受到垂直的电场激励时CSRR产生谐振。微带线中传播的主模是准TEM模式，当在微带线的一端以适当的方式激励时，准TEM模电场的极化方向基本上垂直于接地平面，特别是信号线与接地平面之间的区域。因此，电场垂直于 CSRR平面，满足激励条件。
本实用新型提供的用于测量介电常数的CSRR微带谐振传感器，根据矢量网络分析仪测量CSRR微带谐振传感器得到的谐振频率，进而确定待测物质介电常数的理论依据及分析如下：
图5为本实用新型的微带谐振传感器对应的等效电路图：只要CSRR结构的电尺寸足够小，可用集总电路模型描述CSRR的响应特性。根据等效电路模型，当谐振器满足谐振条件时，谐振频率为
其中，fr<\/sub>为传感器的谐振频率；C是微带线和CSRR间的耦合电容；Lc<\/sub>和 C c<\/sub>分别代表CSRR的电感和电容。
当进行材料介电常数的测量时，待测材料样品紧贴接地板放置并完全覆盖CSRR，如果将待测材料的电容用CMUT<\/sub>表示，这相当于等效电路上并联一个电容CMUT<\/sub>。因此，令Cc<\/sub>＝C0<\/sub>+CMUT<\/sub>，C0<\/sub>为没有放置待测材料样本时，CSRR 的固有电容。而除了铁磁质外，其它媒质的相对磁导率μ r<\/sub>均近似为1，因此待测材料样本的是否加载，并不影响电感Lc<\/sub>的变化。一旦传感器的结构确定，电感Lc<\/sub>、电容C和C0<\/sub>均为固定值，谐振频率只与待测材料的电容CMUT<\/sub>有关，根据电容的表达式：
其中：ε0<\/sub>为真空中绝对介电常数；εr<\/sub>为介质的相对介电常数；S为介质平行于接地板的横截面积；k是静电力常量；d是介质的厚度。
由式(2)可知，待测样本的电容与样本的介电常数εr<\/sub>成线性关系，则电容 C c<\/sub>也与待测样本介电常数成线性关系，即：
εMUT<\/sub>∝Cc<\/sub>(3)
式(3)中：εMUT<\/sub>为待测材料的相对介电常数。
由(1)-(3)可知，设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920034222.3
申请日:2019-01-09
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:13(河北)
授权编号:CN209673898U
授权时间:20191122
主分类号:G01R 27/26
专利分类号:G01R27/26
范畴分类:31F;
申请人:华北电力大学（保定）
第一申请人:华北电力大学（保定）
申请人地址:071003 河北省保定市莲池区永华北大街619号
发明人:孙景芳;赵颖涛;王雅宁;李然
第一发明人:孙景芳
当前权利人:华北电力大学（保定）
代理人:张玮玮
代理机构:11301
代理机构编号:北京汇智英财专利代理事务所(普通合伙) 11301
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计
标签：介电常数论文; 谐振频率论文; 网络分析仪论文; 传感器技术论文; 接地系统论文; 微带天线论文; 谐振电路论文;