[发明专利]一种基于CMRC结构的便携式材料介电常数测量系统

说明书

本发明公开一种基于CMRC结构的便携式材料介电常数测量系统。该系统由一连接CMRC谐振腔的负阻式压控振荡器VCO和锁相环电路PLL组成构成。CMRC作为一个平面紧凑型的电路结构，通过在上面放置待测介质来改变其谐振频率，进而改变该VCO的振荡频率。最后通过PLL将振荡频率的变化转化为电压的变化，从而可以方便地测量出待测材料的介电常数。几种已知介电常数的介质材料块用来作为校准元件，提取介电常数与VCO输出控制电压的关系。相对于现有的技术，本发明在测量过程中避开了矢量网络分析仪的使用，大大降低了测试成本。

技术领域

本发明属于微波毫米波电路和智能传感技术领域，提出了一种脱离矢量网络分析仪依赖的便携式介电常数测量系统。

背景技术

在工程领域，介电常数是材料特性的一个重要表征，其往往能够为我们提供许多有价值的信息。因此精准的介电常数测量也带来了许多广泛的应用，如：食品质量检测、生物材料检测、血糖检测等。其中，基于微波技术的介质检测方法如谐振腔微扰法，由于其特有的非接触和无损特性，在近年来受到越来越多的关注。传统的谐振腔微扰法通过测量介电材料放入谐振腔前后造成谐振频率的变化来测量介电常数，由于其简便和准确性，成为学术和工业上最常用的方法之一。通常情况下，为了测量结果更加精确，该方法往往需要使用高品质因数的谐振器。传统的金属波导结构在满足高品质要求外，却存在体积大、难以集成的缺点。后来为了克服上述缺陷，提出使用平面型谐振器如开口环谐振器SRR，互补性开口环谐振器CSRR。但是，对于SRR结构，由于其激励较为困难，因此降低了其测量灵敏度。CSRR由于是一种典型的缺陷地结构，与常规电路形式存在兼容性问题，也限制了其进一步应用。紧凑微带谐振器CMRC是一种电子带隙结构单元，已经广泛应用于滤波器，天线，混频器等设计中。本发明首次将其应用于介电常数测量，能够极大的增强测量灵敏度。

此外，现有谐振腔微扰法是通过测量出在不同介电常数介质存在下谐振频率的变化来测量介电常数的。对于谐振频率的测量必须需要体积庞大、价格昂贵的矢量网络分析仪去完成。但是矢量网络分析仪造成使用不便，成本过高，故而迫切需要摆脱其使用。

上述几个方面成为制约谐振腔微扰法广泛应用的重要因素。因此，有关介电常数测量的便携式自持系统已经成为近年来学术和工业界的研究热点。如何快速，准确地测量材料的介电常数并有效的将其误差控制在一定范围内，对于工业检测，科学研究都有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有测量技术中的缺陷，设计了一种基于紧凑型微带谐振单元CMRC结构的便携式材料介电常数测量系统。

该系统包括连接CMRC谐振腔的负阻式压控振荡器VCO和锁相环电路PLL组成。

CMRC谐振腔作为锁相环电路PLL中压控振荡器VCO的负载网络；

作为优选，压控振荡器VCO为负阻式结构；

所述的锁相环电路PLL为公知技术；

所述的CMRC谐振器是一种电子带隙结构。通过在一段传统微带线上刻蚀成相应的对称金属层图案，刻蚀之后的裸露介质的槽可以等效为分布电容，刻蚀后剩余金属间隙可以等效为分布电感，从而增大了该谐振元件整体的等效电容和电感，从而可以降低波速，来达到一种低通和慢波效果，其结构简单，平面易于集成，且没有缺陷地，易于激励。

工作原理：谐振器作为一种产生谐振频率的无源器件，通过在其内部或上面放置不同介电常数ε_r的待测介质可以改变其频率响应，这种频率响应的变化造成该VCO相位关系的变化，从而得到不同的振荡频率。PLL作为一种稳定振荡频率的电路，可以通过输出反馈电压将VCO固定在固定频率，从而可以将原始介电常数的变化对应于电压值的改变。因此通过电压表测量出PLL输出控制电压进而可以得到介电常数大小，从而避开了矢量网络分析仪的使用。