[发明专利]一种基于人工斯格明子结构的高性能微波传感器

说明书

本发明公开了一种基于人工斯格明子结构的高性能微波传感器，利用刻蚀在衬底基板上的人工斯格明子结构，通过同轴馈电的激励方式，实现了高性能平面微波传感器。本发明在平面微波传感器的结构紧凑、易于集成的优点基础上进一步改进了灵敏度等传感性能，操作简单，性能优异，价格低廉，重量轻便，具有拓扑鲁棒性的特点使其更易于集成。此外，本发明利用斯格明子结构等间隔谐振特点，还能够实现宽频带、多模式协同测量，在保证传感精度的同时，满足了不同频段传感测量的需求。

技术领域

本发明涉及微波传感技术领域，尤其涉及一种基于人工斯格明子结构的高性能微波传感器。

背景技术

介电常数是描述介质材料电特性的宏观参数，也是麦克斯韦方程中本构参数之一。微波环境下固体材料的相对介电常数测量在航空航天、农业、国防工业、生物医学和毫米波器件等领域有着广泛的应用。随着科技的发展，介电常数测量的方法从最原始的电容器测量法发展到波导反射法、谐振腔法和传输反射法等等。微波传感器测量技术具有非侵入性、高灵敏度、高测量精度、可实时监测等优点，在固体的介电常数测量领域已经成为主流技术。

其中，以开口环谐振器、基片集成波导等平面谐振器为基础设计平面式传感器成为近年的热门研究课题，相较于其他种类微波测量传感器，平面式传感器结构稳定，易于制作，可以方便地印刷在电路板上，易于集成到射频芯片上，可实现高可靠性、高性能、低成本的介电常数测量。

尽管平面微波传感器已经发展地相对成熟，但普遍精度不高，灵敏性也够，同时也不具有拓扑鲁棒性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于人工斯格明子结构的高性能微波传感器。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于人工斯格明子结构的高性能微波传感器，包括同轴馈电探针、人工斯格明子谐振器、以及矢量网络分析仪；

所述人工斯格明子谐振器包含衬底基板和人工斯格明子结构，其中，所述衬底基板的介电常数值小于3；所述人工斯格明子结构为连续形变的波导卷绕元结构，里端封闭、外端开放，刻蚀在所述衬底基板的上表面；所述衬底基板在所述人工斯格明子结构的中心处设有金属化过孔；

所述的人工斯格明子结构具有等间隔的谐振频点，谐振频点λ_m与其波导有效长度s唯一相关：

式中，m为人工斯格明子结构的模式数；

所述同轴馈电探针设置在所述衬底基板的下端面，一端通过衬底基板上的金属化过孔和所述人工斯格明子结构的中心直接相连，另一端和所述矢量网络分析仪相连；

所述矢量网络分析仪用于发射高频电磁波信号激励人工斯格明子谐振器工作并接收人工斯格明子谐振器反馈的S11参数。

作为本发明一种基于人工斯格明子结构的高性能微波传感器进一步的优化方案，所述衬底基板采用厚度为1mm，尺寸是10*10mm，相对介电常数值为2.2的聚四氟乙烯基板。

作为本发明一种基于人工斯格明子结构的高性能微波传感器进一步的优化方案，所述人工斯格明子结构采用厚度是0.018mm的金属铜箔制成的连续形变的波导卷绕元结构。

作为本发明一种基于人工斯格明子结构的高性能微波传感器进一步的优化方案，所述人工斯格明子结构的金属臂采用圆形、方形、六边形、椭圆中的任意一种。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明所设计的传感器在兼具平面微波传感器结构紧凑、易于集成、方便测试、价格低廉等优势的同时，还具有人工斯格明子结构所具备的固有优势：