王 韌, 孫浩然, 敬守釗, 樊 勇, 黃何平

(1.電子科技大學電子科學與工程學院,四川 成都 610071;2. 成都信息工程大學電子工程學院,四川 成都 610225;3.西南民族大學電子信息學院 電子信息工程國家民委重點實驗室,四川 成都 610225)

0 引言

隨著物聯(lián)網時代的發(fā)展,種類繁多、功能各異的微波傳感器已被廣泛應用于航空航天、食品工程和材料檢測等領域。 而介電特性是材料在電磁場中的基本屬性,材料介電特性的測量與表征具有重要的研究與應用價值[1-2]。

用于材料介電特性測量與表征的方法分為基于微波傳輸特性的非諧振法和基于諧振電路效應的諧振法[3-6]。 非諧振法是將待測樣品及測量裝置視為多端口的微波網絡,利用傳反射法、自由空間法等方法提取待測材料的介電特性,該方法具有寬頻帶測量特性,不足之處是對于低損耗物質,準確性無法進一步提高。諧振法是利用諧振結構,提高電磁波與待測材料在特點位置的相互作用效果,并通過諧振頻率偏移和Q值提取材料的介電特性參數,該方法適用于窄帶、較高損耗材料介電常數測量。 而基于平面?zhèn)鬏斁€的微波測量傳感器由于其成本低,重量輕,可兼容性高等優(yōu)點,近年來研究較多。 如早期的研究人員基于共面波導(CPW)電路結構和聚甲基硅氧烷(PDMS)微流裝置,設計了一種液體樣品介電特性測量裝置,通過傳輸線的S參數實現(xiàn)對待測液體樣品的復介電參數測量和表征[7]。 該裝置最大可工作在40 GHz 的頻率范圍內實現(xiàn)液體樣品介電特性的測量。 Withawat 等[8]提出了一個基于單開口環(huán)諧振器的液體樣品介電特性測量系統(tǒng),該系統(tǒng)可有效提高電磁場與待測樣品之間的相互作用強度,最終實現(xiàn)對不同濃度乙醇水溶液的復介電特性參數表征。 隨后,研究人員提出了一種基于介質集成波導(SIW)結構的溶液介電常數測量電路,可以在窄帶條件下實現(xiàn)對甲醇溶液介電特性準確測量[9]。朱明亮等[10]提出一種在矩形波導中直接放入待測樣品, 通過尋找樣品的特征諧振峰得到介電常數的測量方法,可檢測介電常數為2. 5 ～ 100 的介質材料。 郭富祥等[11]介紹了一種基于微帶諧振法的介電常數無損傷測量方法,測量裝置采用背面縫隙耦合的饋電結構,可以無損傷測量大面積介質的介電常數。 廖崇蔚等[12]提出了基于SIW 諧振器的材料介電特性測量裝置,通過在末端減少金屬化過孔和縫隙以增加其電磁輻射,提升了測量靈敏度。 最近,晏晗等[13]設計了一套基于基片集成脊波導的介電常數測量裝置,并與矢量網絡分析儀構成測量系統(tǒng),用于測量液體的介電常數。 該測量裝置的測量范圍較大,可以區(qū)分不同類型的廢水。

為進一步提高材料介電特性的測量精度,提出了一種基于共面波導結構(CPW)的對稱型射頻電路,該電路包括二等分功率分配/合路器及多根交指電容(IDC),建立了待檢測材料與電磁波相互作用區(qū)域,并基于該電路設計了材料介電特性無損檢測實驗系統(tǒng)。通過對該檢測電路加工測試,結合參考材料進行實時無損檢測,分析了傳感器結構中關鍵參數對傳感系統(tǒng)測量性能的影響。

1 傳感器結構與仿真性能分析

1.1 電路工作原理

本文提出的基于CPW 的傳感器主要由兩個相同的二等分功率分配器組成,同時在電路上下支路嵌入兩個多枝節(jié)IDC 單元,傳感器的每個端口為50 Ω。 對稱型測量電路結構如圖1 所示。 該電路板材為Rogers R5880 基板 (εr′ = 2.20, tanδ= 0.001, 厚度h=1.0 mm), 端口寬度和長度分別為5.80 mm 和16.00 mm,功分器臂長為25.20 mm。

圖1 射頻傳感電路結構圖

由集總元件組成的多枝節(jié)交指單元及其等效電路如圖2 所示。 CPW-IDC 單元本質上是一個π 型結構網絡,它由2 個電容(C1和C2)以及串聯(lián)電阻(ZIDC)和電感L1組成。 其中C1用于表征接地層和IDC 外部金屬指之間的電容;電容C2是多枝節(jié)IDC 的每個枝節(jié)開放端所產生的電容之和;ZIDC代表的多枝節(jié)交指結構的特性阻抗;L1代表IDC 電感。 因此,多枝節(jié)交指結構和CPW 傳輸線的串聯(lián)和并聯(lián)電容將被視為介電特性的敏感區(qū)域。

圖2 多枝節(jié)交指電容

根據諧振理論并考慮了對稱結構的射頻信號對消原理, 其工作原理基于微擾理論。 在這種情況下,由多枝節(jié)交指結構引入的等效串聯(lián)電容可以用作電磁場敏感區(qū)域,實現(xiàn)更高的靈敏度。 基于CPW-IDC 的射頻電路諧振頻率和品質因數為[14-15]

引入待測材料后,電路諧振頻率和品質因數都將是材料介電常數的函數,表示為式(5)。 當待測介質覆蓋在測量裝置敏感區(qū)域時,由式(1) ～(3)可知,電路的諧振頻率和品質因數會隨著變化,最終對應變化的介質的介電常數。 基于以上電路分析,最終設計的電路模型參數為:l1= 13.80 mm,l2= 1.00 mm,l3=12.60 mm,S1=0.15 mm,Sg=2.65 mm。

上述討論表明,當被測材料(MUT) 放置在傳感區(qū)域上時,樣品的有效介電常數值的變化會導致IDC的總電容發(fā)生變化,進而導致材料介電特性的對應變化。 通過將兩個電容耦合IDC 單元引入CPW 結構可以實現(xiàn)材料介電特性的高靈敏度無損檢測。 當無負載時(例如,當測量區(qū)域中沒有引入材料時),阻帶諧振器是對稱的。 當待測材料放置在一個傳輸線段的測量區(qū)域時,IDC 單元的對稱性破壞,可以實現(xiàn)顯著的頻移和Q值改變。 因此,該傳感器特別適用于測量樣品的復介電常數。

1.2 實物制作與測量

基于以上設計的模型尺寸,測量裝置制作在介電常數為2.2、厚度為1.0mm的Rogers 板材上。 該射頻傳感電路選用R5880(εr= 2.20,h=1 mm)。 實驗測量系統(tǒng)主要由CPW-IDC 無損檢測電路和矢量網絡分析儀組成(Rohde &Schwarz ZVB20)組成。 具體實驗裝置如圖3 所示。

圖3 基于CPW 結構的對稱型電路實驗系統(tǒng)

同時,為進一步驗證該CPW 對稱型電路測量準確性,在無負載條件下,進一步測量的該電路的S21參數在不同頻段下的幅度和相位變化,并與仿真值對比分析。 對比結果如圖4 所示。 可知,該電路的S21幅度和相位在仿真實驗條件下較為吻合,誤差來源主要為在電路加工制作過程中粗糙的焊接以及介質板介電常數偏差,及測量裝置與待測介質中間存在空氣縫隙等。最后,基于該電路,設計了用于材料介電特性無損檢測的實驗系統(tǒng)(圖3)。

圖4 基于CPW 結構的對稱型電路S 參數仿真測量值對比

2 實驗及結果分析

實驗過程使用矢網記錄S21的諧振頻率和幅度數據的相對變化。 為保證測量準確性,所有測試板材在室溫22.5 ℃、相對濕度為35% 的封閉環(huán)境內靜止24 h,同時,所有測量數據進行多次測量求平均值,以保證最小誤差。 圖4 顯示樣品材料的介電常數變化時反射系數的變化。 實驗測量了常用固態(tài)材料如Teflon(介電常數實部2.1)、Plexiglas(介電常數實部2.3)、PVC(介電常數實部2.8)和干燥原木(介電常數實部2.9)的復介電常數,并觀察不同待測材料下電路測量的S參數。 具體結果如圖5 所示。

圖5 不同標準樣品的S 參數測試結果

該測量方法將待測樣品及測量裝置視為多端口網絡,利用對應的傳播方程與待測樣品介電特性之間的關系,最終實現(xiàn)對樣品介電特性的測量。 同時,該共面波導電路中多枝節(jié)交指結構可以實現(xiàn)局部電場的積聚和增強,能有效地提高電場和待測材料的相互作用強度,從而提高測量裝置的品質因數和靈敏度。

3 結束語

本文介紹了一種基于CPW 結構的對稱型微波電路,用于材料介電常數無損傷檢測。 該電路通過引入二等分功率分配/合成器及多根交指電容結構,建立了待檢測材料與電磁波相互作用區(qū)域,可以無損傷測量大面積介質的介電常數。 最后,本文制作了一款諧振頻率在S 波段的無損檢測傳感器。 通過測量標準介質基片的介電常數發(fā)現(xiàn)該檢測電路具有高靈敏度。 本測量裝置不但可以節(jié)省開支,而且測試過程更為簡便,裝置的測量精度滿足實際應用需求。