[发明专利]一种基于螺旋谐振器的双频段无损介电常数测量传感器

说明书

本发明公开一种基于螺旋谐振器的双频段无损介电常数测量传感器，该传感器为二端口器件，由介质层、金属贴片层和接地层组成，该传感器在1GHz‑4GHz的频率范围内产生两处谐振点，可实现在1.0GHz‑2.0GHz和2.1GHz‑3.1GHz两个频段的介电常数及介质损耗角正切的测量；本发明结构简单，Q值高，灵敏度高，加工难度小，成本低。

技术领域

本发明属于微波传感器技术领域，具体是一种基于螺旋谐振器的双频段无损介电常数测量传感器。

背景技术

介电常数是指电解质束缚电荷的能力，介电常数越大，束缚电荷的能力越强，材料的绝缘性能越好；介质损耗是指在外加电场的作用下，物体由于碰撞、摩擦和自身变热下损耗的能量；随着微波技术的快速发展，在实际应用中对于介质材料的选取越来越重要，而介电常数和介质损耗就是衡量介质材料性能的两个重要参数；例如，制造电容器的材料要求介电常数尽量大，介质损耗尽量小；相反地，制造仪表绝缘器件的材料则要求介电常数和介质损耗都尽量小；而在某些特殊情况下，则要求材料的介质损耗较大；所以，通过测定介电常数及介质损耗角正切，可进一步了解影响介电常数和介质损耗的各种因素，为提高材料的性能提供依据。

在实际应用中，表征材料的介电常数和介质损耗角正切大多采用基于SRR或CSRR的微波传感器，但是，此类型的微波传感器在加载不同介质材料的待测样品时，测试结果受待测样品的厚度影响较大，因此当待测样品厚度不同时，通过测试结果反演得出的介电常数和介质损耗角正切可能差异较大；此外，该类型的微波传感器谐振频率点的S21幅值通常较小，因此由S21幅值计算得到的品质因数也较小，使得微波传感器的纵向灵敏度受到了限制。

发明内容

发明目的：针对背景技术中提到的问题，本发明提出一种基于螺旋谐振器的双频段无损介电常数测量传感器，此传感器在1GHz-4GHz的频率范围内产生两处谐振点，可实现在1.0GHz-2.0GHz和2.1GHz-3.1GHz两个频段的介电常数及介质损耗角正切的测量；本发明结构简单，Q值高，灵敏度高，加工难度小，成本低。

技术方案：为实现本发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于螺旋谐振器的双频段无损介电常数测量传感器，该传感器为二端口器件，由介质层、金属贴片层和接地层组成，其特征在于,所述传感器从下到上依次包括接地层（3）、介质层（2）、金属贴片层（1）；所述接地层铺设在介质层下表面，并刻蚀有两个刻槽金属螺旋结构；所述金属贴片层铺设在介质层上表面，包括一段微带传输线、两块方形金属贴片。

进一步的，所述接地层（3）和金属贴片层（1）的厚度为0.017mm，可在0mm-0.02mm浮动 ,金属材料可以是具有与金、银、铜相当导电率的导电材料。

进一步的，所述介质层（2）尺寸为50mm×30mm×1.6mm，采用FR4材料，介电常数为4.3，损耗正切值为0.02。

进一步的，所述接地层（3）中左侧刻槽金属螺旋结构尺寸为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。

进一步的，所述接地层（3）中右侧刻槽金属螺旋结构尺寸为4.2mm×4.2mm，由8段刻槽矩形构成，每段刻槽矩形的宽度均为0.35mm，相邻刻槽矩形的间距为0.35mm。

进一步的，所述金属贴片层中微带传输线长度为50mm，宽度为3mm，方形金属贴片的边长为6mm。

进一步的，所述方形金属贴片与刻槽金属螺旋结构均为正方形，二者的中心点关于介质基板对称。

进一步的，待测样品放置于刻槽金属螺旋结构正上方。

1、本发明具有两个工作频段，分别为1.0GHz-2.0GHz和2.1GHz-3.1GHz，每个工作频段均可对待测样品的介电常数及介质损耗角正切值进行测量，且对于不同厚度的待测样品，测量的结果几乎相同。