一种基于交指电容裂环谐振器的差分微波传感器研究与设计(特邀)
0 引言
微波谐振式传感器在工业食品、农业、生物医药、医疗健康等领域发挥着至关重要的作用[1]。相较于光学传感器,微波传感器的优势在于加工制造成本低廉、质量轻、体积小便于携带、受外界环境影响较低、运行稳定性好、便于维护等。谐振器是微波传感器的关键部件之一,其性能的好坏直接决定所设计传感器的灵敏度性能的高低。目前,在国内外等知名期刊上发表的微波传感器的谐振器主要包括裂环谐振器(Split Ring Resonator,SRR)[2]、互补裂环谐振器(Complementary Slit Ring Resonator,CSRR)[3]、电壁谐振器(Electric-LC)[4]、磁壁谐振器(Magnetic-LC)[5]以及它们的改进模型。微波微带传感器因具有较低的价格、加工制作简便、精度高、结构紧凑、检测方便等因素得到了广泛使用。在检测中,一般把待检测固体或者液体放置于谐振器上,此时传感器对应的反射系数
近年来,世界各地的学者提出了各种基于不同谐振单元的微波传感器,用以检测固体或者液体的复数介电常数。SHAFI K T等[6]提出了一种基于SRR的微波传感器用于检测磁介质材料的参数。该传感器由一根微带线和两个不同的SRR构成,两个SRR分别分布于微带线的两边并与微带线呈现磁耦合的关系。其中一个SRR用于提取磁介质材料的介电常数值,另一个SRR用于检测磁介质材料的磁导率值,但是该传感器灵敏度较低。为了提高检测的灵敏度,HAQ T等[7]提出了一种基于CSRR谐振器的微波传感器,CSRR刻蚀于该基片的底层,位于顶层的微带线用于激励底层的CSRR谐振单元。相较于SRR结构,CSRR结构能够更好地起到束缚电场的作用,从而产生更高的检测灵敏度。但是该传感器结构简单,功能单一,易受外界环境的干扰。为了增加微波传感器的双模检测功能,并且保持高灵敏度特点。HARNSOONGNOEN S等[8]提出了一种基于Electric-LC谐振单元的共面波导微带线激励的微波传感器。Electric-LC谐振单元作为感应区域位于共勉波导结构的正对面,该谐振器产生两个谐振模式,分别为奇模和偶模,可实现双模检测的功能,但是该传感器易受外界干扰,且检测灵敏度不高。为了抵消外界因素的影响,并维持高灵敏度特性,VARSHNEY P等[9]提出了一种基于Electric-LC谐振单元的差分传感器,该传感器由微带线和分别位于两边的Electric-LC谐振单元构成。其差分结构特性可有效抑制外界环境因素(温度、气压、湿度等)对测量结果的影响,从而提高检测灵敏度,但是该传感器只能对介电常数的实部进行检测,不能实现对介电常数虚部和磁导率的检测。为了实现对待测物质的介电常数和磁导率的检测,ALHARBI F等[10]提出了一种基于阶跃阻抗(Stepped Impedance Resonators,SIRs)的差分传感器,该传感器由微带线和分布于两边的阶跃阻抗结构构成,阶跃阻抗谐振器直接与微带线相连。该阶跃阻抗谐振单元由一个高阻抗微带线与另一个低阻抗微带线构成,电场主要聚集于低阻抗线端,磁场主要聚集于低阻抗线与微带线的直连部分。依据电场和磁场的分布情况,可分别利用这两个感应区域实现对介电常数和磁导率的检测。该传感器具有差分结构特性也可有效降低外界环境因素对检测结果的影响,但是阶跃阻抗结构对电场的束缚能力较弱,因此也存在灵敏度受限的问题。FAN Xingye等[11]提出了一种基于阶跃阻抗激励的微波传感器,该传感器的创新点在于把激励结构从传统的标准微带线形式改为阶跃阻抗结构,将介质基板的内部作为检测区域。因为阶跃阻抗结构是一种多阶形式,所以其可以产生更多的谐振模式,以实现多模检测。但是该传传感器制作复杂,检测也不够方便。
为了解决上述问题,本文提出了一种基于交指裂环谐振器的差分微波传感器。所提出的传感器是从传统裂环谐振传感器发展而来,将交指电容结构(Interdigital Capacitance Structure,ICS)嵌入裂环谐振器的开口处以增强电场的束缚效应。同时为了抑制外界环境因素对检测结果的影响,将该传感器的两个SRR谐振器分别分布于微带线的两边以构成差分结构的形式。
1 工作原理
所提出的传感器是从基于传统裂环谐振器的微波传感器发展而来,在传统裂环谐振器的开口处嵌入交指电容结构,交指电容结构刻蚀在该传感器的顶层,交指电容谐振器可有效提高电场的束缚效应,从而提高介电常数检测的灵敏度。并且,该微波传感器还具有双模检测的能力。本文提到的复数介电常数特指待检测物质的相对复数介电常数值。相对复数介电常数的计算公式为
基于传统裂环谐振器的传感器结构和等效电路分别如
式中,
根据文献[12]描述的电路模型参数抽取方法,可根据电磁仿真软件仿真的S参数结果提取
图 1. 基于传统SRR谐振单元的微波传感器示意图及其等效电路模型
Fig. 1. Schematic diagram and equivalent circuit model of traditional SRR-based microwave sensor
为了提高SRR传感器的检测灵敏度,在SRR谐振器的开口处嵌入一个交指电容结构(ICS)以增强电场的束缚效应,如
该传感器的等效电路模型参数的抽取方法也与
图 2. 基于ICS-SRR传感器的原理和等效电路模型
Fig. 2. Schematic diagram and equivalent circuit model of ICS-SRR-based microwave sensor
当待检测物质分别放在传统SRR和ICS-SRR传感器的感应区域上时,它们的加载谐振频率表达式可写为
式中,
式中,
为了方便地比较
将
从
1)当
2)当
以上从理论上详细分析了要使基于交指电容传感器的灵敏度高于传统SRR传感器的相应条件和要求,那么根据理论分析,对电磁仿真软件构建相应仿真模型进行优化设计起到理论指导的作用。通过仿真建模,可以发现在SRR开口谐振环处,左右两边的交叉部分越多,越容易满足条件,从而引起更多的谐振频率偏移量,并且因为交指结构的高等效电容效应使得ICS-SRR传感器的谐振频率明显低于传统SRR传感器。
为了进一步更加直观地呈现
为了进一步抑制外界环境因素的干扰,提出的传感器在
图 4. 所提出传感器原理和等效模型
Fig. 4. Schematic diagram and equivalent circuit model of proposed microwave sensor
2 仿真结构和讨论
选取的介质基板为Rogers RO4003,其介电常数为3.55,损耗角正切为0.002 7,厚度为0.508 mm。所设计传感器的整体电路尺寸为
式中,
表 1. 传感器结构参数值
Table 1. Values of geometrical parameters of sensors
|
图 5. 仿真与电路模型的S参数对比
Fig. 5. A comparison between circuit model and simulation in terms of S-parameters
为了验证所提出传感器的性能,一种聚二甲硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)微流通道基片放置于感应区域,该微流通道用来储存待检测液体,具体模型如
式中,
图 6. 基于ICS-SRR的微波传感器的3D模型
Fig. 6. The 3D model of proposed differential ICS-SRR-based microwave sensor
图 7. 待测液体实部介电常数从1变化到80时,传输系数 的仿真变化曲线
Fig. 7. Simulated transmission coefficients for real permittivity of material under test altering from 1 to 80
图 8. 仿真得到的相对频率偏移量与实部介电常数的变化关系
Fig. 8. Simulated relative resonant frequency shift versus real permittivity
3 实验验证
从实验角度验证所提出传感器的性能,所制作的传感器实物照片如
图 11. 放置和未放置PDMS基片情况下,仿真和实测的反射系数和传输系数曲线
Fig. 11. Simulated and measured reflection coefficient and transmission coefficient for PDMS loaded and unloaded
表 2. 所提出传感器与其他同类型传感器的对比
Table 2. A comparison between proposed sensor and other same-typed designs
|
在实测中,不同浓度的乙醇-水混合溶液作为待测液体,通过所提出的传感器来提取其复数介电常数值(
式中,
图 12. 水浓度以步进20%从0%变化到100%时,实测的S参数、谐振频率和陷波幅度
Fig. 12. Measured S-parameters,resonant frequencies,and notched magnitudes for water concentration altering from 0% to 100% with a step of 20%
为了验证所提出模型的正确性,将水的体积分数以步进20%从10%变化到90%的乙醇-水混合溶液作为待测液体,其对应的实测传输系数曲线如
式中,
图 13. 水浓度以步进20%从10%变化到90%时,实测的S参数、谐振频率和陷波幅度
Fig. 13. Measured S-parameters,resonant frequencies,and notched magnitudes for water concentration altering from 10% to 90% with a step of 20%
图 14. 实测的复数介电常数与参考值对比
Fig. 14. A comparison between reference value and measured complex permittivity
图 15. 传统SRR传感器与所提出ICS-SRR传感器在灵敏度方面的对比
Fig. 15. A comparison between traditional SRR-based sensor and proposed ICS-SRR-based sensor in terms of sensitivity
式中,
式中,
4 结论
本文提出的基于交指电容裂环谐振器的差分微波传感器从传统的裂环谐振器发展而来。通过在传统裂环谐振器的开口处嵌入交指电容结构,可以极大地提高电场的束缚能力,从而提高检测灵敏度。两个新型裂环谐振器分别分布于微带线的两旁,与微带线呈磁耦合特性,这种差分构造模型可以有效抑制外界环境因素的干扰从而提高检测灵敏度。构建集总等效电路模型,从电路角度阐述该传感器的工作机理,得到了等效电容的增大是灵敏度提升的一个因素。试验结果表明:该传感器在乙醇-水混合溶液的复数介电常数检测方面获得了较高的精度,相对于其他同类型的传感器具有较高的灵敏度。
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