1.本发明属于微波传感器技术领域，具体是一种测量低介电常数的高灵敏度双频带微波传感器。
背景技术：2.介电常数是衡量介电材料性能的重要物理参数，也是微波电子学领域的核心基础参数，它直接决定了电磁波在基板材料中的传播特性。不同电路中使用的微波衬底材料的介电性能不同，因此确定材料的介电常数是设计微波器件和电路的根本保证。目前，测量材料的介电常数在各个科学领域都发挥着非常重要的作用。例如，在食品检测中，通过测量介电常数，可以检测出牛奶和油等食品中的污染物。在医疗行业中，可以监测糖尿病患者的血糖水平、定位隐藏在健康组织和肌肉中的肿瘤。在生物学领域，不仅可用于生物组织厚度分析等，还可用于生物分子的无标记检测。在军事上，介电常数测量技术也广泛应用于雷达和各种特殊材料的制造和检测。对于上述情况，大部分都需要对材料进行无损且准确的测量。目前已开发出多种介电常数测量方法，包括谐振腔法、微带线法、自由空间法、谐振法等。而基于谐振的微波测量方法由于其低成本、高灵敏度、无损测量、小型化等优点在众多方法中脱颖而出。
3.近年来，科学家们开发了许多基于谐振的微波传感器。大多数传感器基于裂环谐振器(srr)或互补裂环谐振器(csrr)。此类传感器具有较高的精度和灵敏度，这类传感器在测量介电常数较大(通常在1-10范围内)的mut时，具有较高的精度，但当mut的介电常数变化很小(例如在1-2范围内)时，产生的谐振频率偏移也很小，因此传感器无法准确检测mut的介电常数。其主要原因是传感器的灵敏度不够高。
技术实现要素：4.本发明的目的在于提供一种测量低介电常数的高灵敏度双频带微波传感器，该传感器具有两个可工作的频带，分别为2ghz和5.4ghz。两个频带均具有高灵敏度，可以对小介电常数的被测样品(mut)进行测量。
5.为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
6.一种测量低介电常数的高灵敏度双频带微波传感器，所述微波传感器由两层金属铜和一层介质基板组成，由上到下分别为金属贴片层、介质层、接地层；所述金属贴片层包括微带传输线和方形金属贴片，所述接地层蚀刻了一个方形螺旋单元，所述方形螺旋单元用来产生谐振，所述方形金属贴片用来与方形螺旋单元进行耦合。
7.进一步的，所述金属贴片层和接地层的厚度为0.017mm，金属材料为铜。
8.进一步的，所述介质层尺寸为30mm
×
25mm
×
1.6mm，采用介电常数为4.4，损耗正切值为0.02的fr4材料。
9.进一步的，所述接地层中蚀刻的方形螺旋结构尺寸为6mm
×
6mm，由8段刻槽矩形构成，每段刻槽矩形的宽度均为0.5mm，相邻刻槽矩形的间距为0.5mm。
10.进一步的，所述金属贴片层中微带传输线的尺寸为3mm
×
30mm
×
0.017mm，方形金属贴片的尺寸为6mm
×
6mm
×
0.017mm。
11.进一步的，所述方形金属贴片与刻槽方形螺旋结构均为正方形，二者的中心点关于介质基板对称。
12.进一步的，测量时mut放置于刻槽方形螺旋结构正上方并尽量减小二者之间的空气间隙。
13.本发明具有以下有益效果：
14.1、本发明通过单个方形螺旋单元产生了两个工作频段，分别为2ghz和5.4ghz，两个频段均可对mut的介电常数进行测量，通过在微带线一侧添加一块与cssr相对应的方形贴片，有效地增加了两个频带的s21，其中第一频带的s21增加了11.7％，对于确定mut的损耗角正切有很大帮助，且当mut的厚度大于2mm时，各厚度下的传感器响应几乎不变。
15.2、本发明优于现有的微波传感器的地方在于，通过研究发现本发明的两个频带均具有高灵敏度，且第二频带具有高达8.8％的灵敏度，可以更加准确地确定mut的介电常数的实部。因此，本结构不仅能对介电常数在1-10范围的mut进行测量，还可以对介电常数在1-2之间区分度更小的mut进行测量，提高了介电常数测量的精度。
16.当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本发明一种测量低介电常数的高灵敏度双频带微波传感器的基板正面结构示意图；
19.图2为本发明一种测量低介电常数的高灵敏度双频带微波传感器的基板反面结构示意图；
20.图3为本发明一种测量低介电常数的高灵敏度双频带微波传感器的添加方形金属贴片前后s21对比图；
21.图4为本发明一种测量低介电常数的高灵敏度双频带微波传感器的不同介电常数时的s21图(2ghz处)；
22.图5为本发明一种测量低介电常数的高灵敏度双频带微波传感器的不同介电常数时的s21图(5.4ghz处)；
23.图6为本发明一种测量低介电常数的高灵敏度双频带微波传感器的ε
′r＝3和ε
′r＝8时损耗角正切值与s21幅值关系图(2ghz处)；
24.图7为本发明一种测量低介电常数的高灵敏度双频带微波传感器的ε
′r＝3和ε
′r＝8时损耗角正切值与s21幅值关系图(5.4ghz处)；
25.图8为本发明一种测量低介电常数的高灵敏度双频带微波传感器的介电常数与谐振频率关系图(2ghz处)；
26.图9为本发明一种测量低介电常数的高灵敏度双频带微波传感器的介电常数与谐
振频率关系图(5.4ghz处)；
27.图10为本发明一种测量低介电常数的高灵敏度双频带微波传感器的不同mut的厚度下损耗角正切值与q值关系图(2ghz处)；
28.图11为本发明一种测量低介电常数的高灵敏度双频带微波传感器的不同介电常数下损耗角正切值与q值关系图(2ghz处)；
29.图12为本发明一种测量低介电常数的高灵敏度双频带微波传感器的拟合模型图(2ghz处)。
30.图13为本发明一种测量低介电常数的高灵敏度双频带微波传感器的实物图。
31.图14为本发明一种测量低介电常数的高灵敏度双频带微波传感器的测量设备图。
32.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
33.1、金属贴片层；2、介质层；3、接地层。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
35.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“中”、“外”、“内”、“下”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
36.如图1所示，为本发明一种测量低介电常数的高灵敏度双频带微波传感器的基板正面结构示意图，如图所示，由两层金属铜和一层介质基板组成，由上到下分别为金属贴片层1、介质层2、接地层3；金属贴片层1和接地层3的厚度为0.017mm，金属材料为铜；介质层2尺寸为30mm
×
25mm
×
1.6mm，采用介电常数为4.4，损耗正切值为0.02的fr4材料；金属贴片层1中微带传输线的尺寸为3mm
×
30mm
×
0.017mm，方形金属贴片的尺寸为6mm
×
6mm
×
0.017mm；方形金属贴片与刻槽方形螺旋结构均为正方形，二者的中心点关于介质基板对称。
37.如图2所示，为本发明一种测量低介电常数的高灵敏度双频带微波传感器的基板反面结构示意图，如图所示，接地层3中蚀刻的方形螺旋结构尺寸为6mm
×
6mm，由8段刻槽矩形构成，每段刻槽矩形的宽度均为0.5mm，相邻刻槽矩形的间距为0.5mm；
38.如图3所示，改进后的结构的两个频带的s21幅值均有所增加，其中在2ghz处s21增加了2.8db，增加了11.7％，品质因数达到了207。
39.如图4所示，在第一频带，当mut的介电常数逐渐增大，谐振频率逐渐向低频偏移。
40.如图5所示，在第二频带，当mut的介电常数逐渐增大，谐振频率逐渐向低频偏移，与图4中的变化保持一致。
41.如图6所示，在第一频带，对于固定介电常数的mut，当损耗角正切值逐渐增大时，谐振频率基本无偏移，仅仅是s21幅值减小的变化。
42.如图7所示，在第二频带，同样说明了损耗角正切值对频率偏移基本无影响。
43.如图8所示，在第一频带，当mut的厚度大于3mm时，谐振频率与介电常数的关系基
本一致，通过拟合方程可以由第一谐振频率计算mut的介电常数，拟合度r2＞0.99。
44.如图9所示，在第二频带，谐振频率与介电常数的关系一致性更高，说明第二频带处muy对拟合关系的影响更小，通过拟合方程可以由第二谐振频率计算mut的介电常数，拟合度r2＞0.99。
45.如图10所示，为不同厚度下，损耗角正切值与q值的关系。
46.如图11所示，在不同介电常数下，损耗角正切值与q值的关系。
47.如图12所示，将介电常数、损耗角正切值及q值共同作为变量，建立了三维坐标模型。
48.如图13所示，为本微波传感器的实物图。
49.如图14所示，为本微波传感器的测量设备图。
50.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
51.以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
技术特征：1.一种测量低介电常数的高灵敏度双频带微波传感器，其特征在于：所述微波传感器由两层金属铜和一层介质基板组成，由上到下分别为金属贴片层(1)、介质层(2)、接地层(3)；所述金属贴片层(1)包括微带传输线和方形金属贴片，所述接地层(3)蚀刻了一个方形螺旋单元，所述方形螺旋单元用来产生谐振，所述方形金属贴片用来与方形螺旋单元进行耦合。2.根据权利要求1所述的一种测量低介电常数的高灵敏度双频带微波传感器，其特征在于：所述金属贴片层(1)和接地层(3)的厚度为0.017mm，金属材料为铜。3.根据权利要求1所述的一种测量低介电常数的高灵敏度双频带微波传感器，其特征在于：所述介质层(2)尺寸为30mm
×
25mm
×
1.6mm，采用介电常数为4.4，损耗正切值为0.02的fr4材料。4.根据权利要求1所述的一种测量低介电常数的高灵敏度双频带微波传感器，其特征在于：所述接地层(3)中蚀刻的方形螺旋结构尺寸为6mm
×
6mm，由8段刻槽矩形构成，每段刻槽矩形的宽度均为0.5mm，相邻刻槽矩形的间距为0.5mm。5.根据权利要求1所述的一种测量低介电常数的高灵敏度双频带微波传感器，其特征在于：所述金属贴片层(1)中微带传输线的尺寸为3mm
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30mm
×
0.017mm，方形金属贴片的尺寸为6mm
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6mm
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0.017mm。6.根据权利要求1所述的一种测量低介电常数的高灵敏度双频带微波传感器，其特征在于：所述方形金属贴片与刻槽方形螺旋结构均为正方形，二者的中心点关于介质基板对称。7.根据权利要求1所述的一种测量低介电常数的高灵敏度双频带微波传感器，其特征在于：测量时mut放置于刻槽方形螺旋结构正上方并尽量减小二者之间的空气间隙。
技术总结本发明公开一种测量低介电常数的高灵敏度双频带微波传感器，由两层金属铜和一层介质基板共三层组成，由上到下分别为金属贴片层、介质层、接地层；通过在谐振单元顶部添加一个矩形贴片，增强了场与材料之间的相互作用，使局部场显著增加，提高了测量灵敏度；本发明具有两个谐振点，可实现双频带操作，空载频率为2GHz和5.4GHz，两个工作频段可同时对被测样品(MUT)的介电常数进行测量。此外，由于两个频带均具有高灵敏度，因此可对小介电常数的MUT进行测量。行测量。行测量。
技术研发人员：刘小明 张丹 俞硕 王宸 王晔 张然
受保护的技术使用者：安徽师范大学
技术研发日：2022.06.08
技术公布日：2022/11/1
