CN110470677B - 一种基于近零传输法的电小尺寸样本介电特性检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于近零传输法的电小尺寸样本介电特性检测装置，介电特性检测装置为不对称三端口网络，具体包括底层金属层、中间介质层和上层金属带条；其中，所述上层金属带条包括一个微带型威尔金森功分器，一个90度3dB分支线耦合器，两条支路和加载在两条支路上的电场增强支节，两个电场增强支节构成了介电特性检测装置的测试和参考区域，在测试和参考区域加载了微流通道；当两个微流通道加载相同的样品或者装置处于空载时，介电特性检测装置处于对称平衡状态，则会有两个传输零点出现，当两个微流通道加载的样品具有微小差异时，介电特性检测装置的传输零点将发生变化。本发明使用方便，价格低廉，易于集成。
Description
技术领域
本发明涉及一种材料介电特性微小变化的微波检测装置。属于微波测量技术领域，更具体地说，是涉及一种三端口介电特性微小变化测量装置。
背景技术
随着微波技术的飞速发展，许多问题的研究都是通过流体介电特性的微小变化的检测推进的，如在生物学领域的蛋白质热变性、双层质膜、单细胞特性，以及微波化学领域内非热效应研究等。这些微小变化可能是被测流体十分微小即被测对象为微流体，或者是被测流体的温度、浓度的微小变化，或者外场导致的被测流体微观结构发生的微弱偏移，从而引起的介电特性的微小改变。且所述的微小变化的信息不但十分微弱，还伴随有强背景噪声，这导致了流体介电特性微小变化检测面临严重的技术瓶颈。如何在复杂的电磁环境中，将这些淹没在背景噪声中十分微弱的变化信息检测出来是亟待解决的关键问题。介电特性检测可以分为谐振法和非谐振法，如传输法，反射法，矩形谐振腔测量法等，但这些方法精度及灵敏度有限，这对流体介电特性微小变化的检测来说，是个挑战。
近零传输法为材料介电特性微小变化检测提供了新的思路，该方法采用两支路相消原理消除了背景噪声，达到了良好的效果，申请号为201510982684.4，201610880142.0及201710186355.8均从不同技术出发，提出了基于共面波导传输线型的检测装置，取得了一定的效果，但这些装置均为两端口，一个传输零点的近零传输电路仅能反映被测物介电特性实部的变化，能获得的被测物的信息有限，且共面波导传输线型的装置虽然有很高的灵敏度，但在遇到直角拐弯时需要额外增加引线，引线的直径约为25微米，易受微弱外力而发生断裂、脱落，因此测试过程对外界环境要求很高，且测试装置的使用寿命也因为引线而大大简短，或者每增加一次实验就需要另外焊接一次引线，造成实验成本增加。且上述文件的测试区域和参考区域的电场强度一般在104 V/m，研究表明测试区域的电场增强可大大提高测试灵敏度，因此测试灵敏度有待进一步挖掘。
发明内容
本发明提供了一种使用方便，价格低廉，易于集成的三端口材料介电特性微小变化的检测装置。
本发明按以下技术方案实现：
一种基于近零传输法的电小尺寸样本介电特性检测装置，介电特性检测装置为不对称三端口网络，具体包括底层金属层、中间介质层和上层金属带条；其中，所述上层金属带条包括一个微带型威尔金森功分器，一个90度3dB分支线耦合器，两条支路和加载在两条支路上的电场增强支节，两个电场增强支节构成了介电特性检测装置的测试和参考区域，在测试和参考区域加载了微流通道；当两个微流通道加载相同的样品或者装置处于空载时，介电特性检测装置处于对称平衡状态，则会有两个传输零点出现， 其中一个传输零点是两支路信号相消产生的，另一个传输零点来自于90度3dB分支线耦合器的隔离端口，即所述测试装置的装置输出端口Ⅰ，当两个微流通道加载的样品具有微小差异时，介电特性检测装置的传输零点将发生变化。
进一步，所述微带型威尔金森功分器包括一个输入端口、两个同相输出端口和连接输入与输出端口的T型结。
进一步，所述微带型威尔金森功分器的两个输出端口之间加载了阻止两路信号相互串扰的隔离电阻。
进一步，所述90度3dB分支线耦合器包括输入端口、直通端口、隔离端口及耦合端口；所述输入端口、直通端口及连接这两个端口的1/4波长变换部分共同组成了主线；所述隔离端口、耦合端口及连接这两个端口的1/4波长变换部分共同组成了副线；所述主线和副线通过两段1/4波长变换部分相连。
进一步，每一个1/4波长变换部分均进行了切角。
进一步，两条支路是将微带型威尔金森功分器和90度3dB分支线耦合器连在一起的两条U型微带线。
进一步，一条微带线的两端分别与微带型威尔金森功分器的一个输出端口和90度3dB分支线耦合器的输入端口相连构成测试支路，另一条微带线的两端分别与微带型威尔金森功分器的另一个输出端口和90度3dB分支线耦合器的隔离端口相连构成参考支路；其中，参考支路与测试支路有1/4波长差。
进一步，所述电场增强支节包括两个两个尺寸不同PI型缝隙；第一个PI型缝隙包含缝隙Ⅰ及两个相同的缝隙Ⅱ，且缝隙Ⅰ与缝隙Ⅱ呈直角相连形成PI型；第二个PI型缝隙包含缝隙Ⅲ及两个相同的缝隙Ⅳ，缝隙Ⅲ与缝隙Ⅳ呈直角相连形成PI型。
进一步，所述缝隙Ⅰ与缝隙Ⅲ具有不同的长度，所有缝隙具有相同的线宽即为0.015mm。
进一步，微流通道是先用二甲基硅氧烷将将最上层覆盖一层膜，但将测试区域和参考区域留下不覆盖，且整个装置采用镀金处理。
通过有限元（FEM）算法对本发明提出的测试装置进行了三维数值仿真，结果显示该装置可在5.8GHz时实现介电特性微小变化的检测。与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明提供的三端口介电特性微小变化检测装置，具有很高的灵敏度,测试过程可获得三个端口的信息，从而避免介电特性提取过程中的多解问题；所述的双支路可很方便地将介电特性具有微小差异的两种被测物同时加载在测试装置上，这大大提高了测试的时效性。且所述的装置在实现传输零点的同时增强了测量区域各测试区域的电场，因此大大提高了测试灵敏度。本发明还具有小型化、易加工、价格低廉、易于集成、便于推广等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的结构示意图；
图2是微带型威尔金森功分器示意图；
图3 是90度3dB分支线耦合器示意图；
图4是电场增强支节示意图；
图5是发明在空载时的两个传输零点示意图；
图6是本装置加载不同乙醇溶液时的S21计算图；
图7是本装置加载不同乙醇溶液时的S31计算图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
如图1所示，一种基于近零传输法的电小尺寸样本介电特性检测装置，具体包括底层金属层7、中间介质层8和上层金属带条；其中，上层金属带条包括一个微带型威尔金森功分器2，一个90度3dB分支线耦合器3，两条支路和加载在两条支路上的电场增强支节4，两个电场增强支节构成了介电特性检测装置的测试和参考区域，在测试和参考区域加载了微流通道；特别地，两条支路具有1/4波长的长度差；其主要有三个端口，一个为装置输入端口1，另外两个为装置输出端口Ⅰ6和装置输出端口Ⅱ5。
信号从装置输入端口1馈入，经90度3dB分支线耦合器3的1/4波长变换部分，到达90度3dB分支线耦合器3的直通端口33、耦合端口34及隔离端口32（即装置输出端口Ⅰ）； 特别地，在装置输入端口1，装置输出端口Ⅰ6及90度3dB分支线耦合器3的直通端口33和耦合端口34与1/4波长变化部分的连接地区加载了四个直角斜切部分；从直通端口33和耦合端口34出来的信号直接与两个支路的一端相连，两个支路的另一端分别与微带型威尔金森功分器2的两个同相输出端口22、23相连，信号将经过两条支路到达两个同相输出端口22、23，并经过T型结24到达装置输出端口Ⅱ5，特别地在微带型威尔金森功分器2的两个同相输出端口22、23加载了隔离电阻9；参考支路91和测试支路92即为两条支路；特别地，在两条支路上加载了电场增强支节4，该支节为叉指电容，且为电小不连续段，加载在测试支路92上的电场增强支节为测试区域，加载在参考支路91上的电场增强支节为参考区域。
为更清晰描述介电特性检测装置图2、图3和图4分别给出了微带型威尔金森功分器2、90度3dB分支线耦合器3及电场增强支节4的示意图。
从图2可以看出，微带型威尔金森功分器2包含一个输入端口21、两个同相输出端口22、23、连接输入端口21及输出端口22、23的T型结24及隔离电阻9。特别地，微带型威尔金森功分器2的输入端口21，同相输出端口22、23的阻抗为50欧姆，四分之一波长变换部分25的阻抗为35欧姆。与微带型威尔金森功分器2两个同相输出端口相连的微带线（图1中的两条支路）的阻抗也为50欧姆，隔离电阻9的阻抗为100欧姆。
从图3可以看出， 90度3dB分支线耦合器3包含输入端口31、直通端口33，隔离端口32及耦合端口34，输入端口31、直通端口32及这两个端口的1/4波长变换部分361共同组成了主线；隔离端口32、耦合端口34及连接这两个端口的1/4波长变换部分362共同组成了副线；主线和副线通过两段1/4波长变换部分363、364相连，其中1/4波长变换部分363连接了输入端口31和隔离端口32，1/4波长变换部分364连接了直通端口33和耦合端口34，特在各个1/4波长变换部分进行了切角35。
结合图1、2和3，我们可以看出，介电特性检测装置是用参考支路91和测试支路92（图1所示）将微带型威尔金森功分器2的两个同相输出端口22、23（图2所示）与90度3dB分支线耦合器3的直通端口33和耦合端口34（图3所示）连在一起，从而形成了一个三端口测试装置。
为提高灵敏度，减小被测物的体积，实现介电特性微小变化的检测。本发明加载了如图4所示的电场增强支节4，电场增强支节4包含两个尺寸不同PI型缝隙，第一个PI型缝隙包含缝隙Ⅰ42及两个相同的缝隙Ⅱ43，且缝隙Ⅰ42与缝隙Ⅱ43呈直角相连形成PI型；第二个PI型缝隙包含缝隙Ⅲ44及两个相同的缝隙Ⅳ41，缝隙Ⅲ44与缝隙Ⅳ41呈直角相连形成PI型；特别地缝隙Ⅰ42与缝隙Ⅲ44具有不同的长度，所有缝隙具有相同的线宽即为0.015mm。
特别地，在提出的测试装置的电场增强支节4上设置了微流体通道，用于承载被测流体。微流通道的设计方案是先用二甲基硅氧烷（PDMS）将最上层覆盖一层膜，但将电场最强的地方留下不覆盖，且整个装置采用镀金处理。
介电特性微小变化检测原理：
通过有限元对提出的装置进行了计算，结果显示当时，测试装置在空载时可以在5.8GHz处出现一个传输零点，特别地，此时介电特性检测装置的四分之一波长变换部分361的长度为13.26mm，两条支路的长度为20 mm, 因此所提出的两端口测试装置的尺寸为63.26*96.82mm2。
从图1可以看出，三端口测试装置为不对称结构，其测试原理是，空载情况下，测试装置处于平衡状态，信号从装置输入端口1输入，一部分经90度3dB分支线耦合器3及两个支路后到达微带型威尔金森功分器2，最后从装置输出端口Ⅱ5输出；另一部分经装置输出端口Ⅰ6输出；理想情况下，反射系数及两个传输系数均为0；测试过程中，将介电特性具有微小差异的两种物体放置在测试区域与参考区域，这个微小差异将引起两个传输系数的变化，由于空载下两个传输系数区域0，这种微小变化很容易被检测出来，因此所提出的测试装置具有很高的灵敏度。本发明正是基于上述原理进行测试的，且三端口测试可获得关于被测物更多的信息，可为后续的理论分析提供更多的求解思路。特别地，本发明所述的介电特性检测装置，信号可以从三个端口的任一端口输入，则余下的两个端口为信号的输出端口。
图4给出了空载时，介电特性检测装置的散射参数示意图，可以看出，当信号从介电特性检测装置的任一端口输入时，另外两个端口的输出信号均为0，其中S21代表因两支路信号相消引起的输出为0，S31是耦合器隔离端口造成的输出信号为0。图5和图6给出了计算出的加载不同浓度乙醇溶液（Xe）时的散射参数示意图,可以看出，当加载不同被测物时，相消端口的散射参数发生了明显的频偏，同时S31也发生了变化，本发明正是基于这两个参数的变化反推被测物介电特性的。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (7)
1.一种基于近零传输法的电小尺寸样本介电特性检测装置，其特征在于：介电特性检测装置为不对称三端口网络，具体包括底层金属层、中间介质层和上层金属带条；
其中，所述上层金属带条包括一个微带型威尔金森功分器，一个90度3dB分支线耦合器，两条支路和加载在两条支路上的电场增强支节，两个电场增强支节构成了介电特性检测装置的测试和参考区域，在测试和参考区域加载了微流通道；
当两个微流通道加载相同的样品或者装置处于空载时，介电特性检测装置处于对称平衡状态，则会有两个传输零点出现，当两个微流通道加载的样品具有微小差异时，介电特性检测装置的传输零点将发生变化；
两条支路是将微带型威尔金森功分器和90度3dB分支线耦合器连在一起的两条U型微带线；
一条微带线的两端分别与微带型威尔金森功分器的一个输出端口和90度3dB分支线耦合器的输入端口相连构成测试支路，另一条微带线的两端分别与微带型威尔金森功分器的另一个输出端口和90度3dB分支线耦合器的隔离端口相连构成参考支路；其中，参考支路与测试支路有1/4波长差；
所述电场增强支节包括两个尺寸不同PI型缝隙；
第一个PI型缝隙包含缝隙Ⅰ及两个相同的缝隙Ⅱ，且缝隙Ⅰ与缝隙Ⅱ呈直角相连形成PI型；
第二个PI型缝隙包含缝隙Ⅲ及两个相同的缝隙Ⅳ，缝隙Ⅲ与缝隙Ⅳ呈直角相连形成PI型。
2.根据权利要求1所述的一种基于近零传输法的电小尺寸样本介电特性检测装置，其特征在于：所述微带型威尔金森功分器包括一个输入端口、两个同相输出端口和连接输入与输出端口的T型结。
3.根据权利要求2所述的一种基于近零传输法的电小尺寸样本介电特性检测装置，其特征在于：所述微带型威尔金森功分器的两个输出端口之间加载了阻止两路信号相互串扰的隔离电阻。
4.根据权利要求1所述的一种基于近零传输法的电小尺寸样本介电特性检测装置，其特征在于：所述90度3dB分支线耦合器包括输入端口、直通端口、隔离端口及耦合端口；
所述输入端口、直通端口及连接这两个端口的1/4波长变换部分共同组成了主线；
所述隔离端口、耦合端口及连接这两个端口的1/4波长变换部分共同组成了副线；
所述主线和副线通过两段1/4波长变换部分相连。
5.根据权利要求4所述的一种基于近零传输法的电小尺寸样本介电特性检测装置，其特征在于：每一个1/4波长变换部分均进行了切角。
6.根据权利要求1所述的一种基于近零传输法的电小尺寸样本介电特性检测装置，其特征在于：所述缝隙Ⅰ与缝隙Ⅲ具有不同的长度，所有缝隙具有相同的线宽即为0.015mm。
7.根据权利要求1所述的一种基于近零传输法的电小尺寸样本介电特性检测装置，其特征在于：微流通道是先用二甲基硅氧烷将最上层覆盖一层膜，但将测试区域和参考区域留下不覆盖，且整个装置采用镀金处理。
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