CN110470705B - 一种基于分频技术的电小尺寸样本介电特性检测装置 - Google Patents

一种基于分频技术的电小尺寸样本介电特性检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于分频技术的电小尺寸样本介电特性检测装置，介电特性检测装置即为两端口网络，又为对称结构，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两个相对称布置的微带型威尔金森功分器、两个多环开口谐振环及连接两个微带型威尔金森功分器输出端口的两条支路；两条支路中，一条为传输支路，另外一条为参考支路；多环开口谐振环的开口处设置了微流体通道，用于承载被测流体，空载时具有一个传输零点，加载被测物后，对称性破坏从而产生两个传输零点。本发明可实现电小尺寸样本介电特性的检测，且测试灵敏度不受外界环境的干扰，也实现了平面、价格低廉、易于集成及低剖面等优点，具有很好的实用性。

Description

一种基于分频技术的电小尺寸样本介电特性检测装置
技术领域
本发明涉及一种电小尺寸样本介电特性的宽带微波测量***。属于微波测量技术领域，更具体地说，是涉及一种负磁导率人工电磁材料加载的高灵敏度介电特性微波测量装置。
背景技术
所谓电小尺寸样本指的是被测物的三维尺寸远小于测试装置的工作波长，如风沙物理学中单个沙粒介电特性的检测。由于电小尺寸样本体积很小，在测试过程中引起的射频信号十分微弱，因此各种各样的高灵敏度测试方法不断被提出，其中以近零传输法及超材料结构加载的谐振型传感器为代表。近零传输法采用双支路测试技术，有效地消除了传输线的背景噪声，大大提高了灵敏度，但是对于电小尺寸样本无法承载。而平面开放式谐振腔在谐振时可将电磁波束缚在一个很小的区域内，为电小尺寸样本介电特性检测提供了很好的技术手段，部分研究已逐步步入实际应用阶段。如文献提出了一种基于平面谐振电路的尿酸含量的检测技术。但该测试方法易受到外界环境的影响（如湿度）。
发明内容
根据现有技术的不足，本发明提供一种基于分频技术的电小尺寸样本介电特性检测装置，该装置可实现电小尺寸样本介电特性的检测，且测试灵敏度不受外界环境的干扰，也实现了平面、价格低廉、易于集成及低剖面等优点，具有很好的实用性。
本发明按以下技术方案实现：
一种基于分频技术的电小尺寸样本介电特性检测装置，介电特性检测装置即为两端口网络，又为对称结构，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两个相对称布置的微带型威尔金森功分器、两个多环开口谐振环及连接两个微带型威尔金森功分器输出端口的两条支路；两条支路中，一条为传输支路，另外一条为参考支路；多环开口谐振环的开口处设置了微流体通道，用于承载被测流体，空载时具有一个传输零点，加载被测物后，对称性破坏从而产生两个传输零点。
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，两个多环开口谐振环通过一条短微带线对称连接在两条支路的中间位置。
进一步，所述多环开口谐振环包括由外向内的谐振环Ⅰ、谐振环Ⅱ、谐振环Ⅲ、谐振环Ⅳ；其中，谐振环Ⅰ、谐振环Ⅱ、谐振环Ⅲ、谐振环Ⅳ的具有不同的尺寸但同向的开口。
进一步，所述谐振环Ⅰ包括微带线Ⅰ、两条相同长度的微带线Ⅱ及微带线Ⅲ和开口；其中，微带线Ⅰ与两条微带线Ⅱ成直角U型连接；两个微带线Ⅲ的长度与开口的长度的总和与微带线Ⅰ的长度相等；所述微带线Ⅰ与微带线Ⅱ具有不同的长度。
进一步，所述微带线Ⅰ、微带线Ⅱ及微带线Ⅲ的宽度相等。
进一步，所述谐振环Ⅱ、谐振环Ⅲ、谐振环Ⅳ均与谐振环Ⅰ具有相同的布局。
进一步，所述谐振环Ⅰ、谐振环Ⅱ、谐振环Ⅲ、谐振环Ⅳ中左右相邻以及上下相邻的两个微带之间的间隔相等，均为d；所述谐振环Ⅱ比谐振环Ⅰ的周长小8d，谐振环Ⅲ、谐振环Ⅳ比谐振环Ⅱ的周长分别小8d和16d。
进一步，所述微流通道是先用二甲基硅氧烷将底层金属层覆盖，但将各互补开口处的地方留下不覆盖，以便于加载电小尺寸样本。
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5.6GHz内实现电小尺寸样本介电特性的检测。与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明提供的负磁导率人工电磁材料结构双支路电小尺寸样本介电特性检测装置，可用于细胞学、生物大分子重构及蛋白质热变性等领域的应用。相比于现有技术方案，本发明的优点还在于：构造双支路的威尔金森功分器可有效避免两支路之间信号的串扰，从而规避两个多环开口谐振环之间的互耦合，加载的谐振环为多环结构，且开口在一个方向，这样的设计可有效减小测试装置的尺寸，并增强测试区域与参考区域的电场，进而提高测试装置的灵敏度，本发明的另外一个优点是，采用分频技术（对称性）可提高测试装置的鲁棒性，对外界环境（如湿度）要求不高，从而拓宽了其应用领域。
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是威尔金森功分器示意图；
图3 是多环开口谐振环的示意图；
图4 是本发明在空载时的传输零点示意图；
图5是本装置加载去离子水时的传输零点示意图。
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。
本发明提供了基于分频技术即一种负磁导率人工电磁材料加载的双支路的高灵敏度介电特性测量装置，主要应用于电小尺寸样本的介电特性检测中。所述装置主要包括两个相同的微带型威尔金森功分器，两个多环开口谐振环及两条支路组成。
具体地，如图1所示，本发明提出的测试装置即为两端口网络，又为对称结构，包含三层结构，从下而上依次为底层金属层1、中间介质层2和上层金属带条；其中，所述上层金属带条包括两个相对称布置的微带型威尔金森功分器4、两个多环开口谐振环7及连接两个微带型威尔金森功分器输出端口的两条支路；两条支路中，一条为传输支路5，另外一条为参考支路6。多环开口谐振环7的开口处设置了微流体通道，用于承载被测流体，空载时具有一个传输零点，加载被测物后，对称性破坏从而产生两个传输零点。
多环开口谐振环7通过一段短微带线8连接在两条支路的中间位置，以保证所述的测试装置具有高度的对称性。
负磁导率人工电磁材料结构即为加载的多环开口谐振环7，为提高灵敏度，特使用了开口全在一个方向的多环开口谐振环7。为便于加载电小尺寸样本，在测量及参考区域（两个多环开口谐振环处）采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）设计了微流通道，即用PDMS铺上一层厚膜，但将电场最强的地方（开口处）留下，以便于加载电小尺寸样本。且整个装置采用镀金处理，因此按此设计方案，可实现微流体的直接接触式测试，并大大提高测量灵敏度。其测试原理是依据分频技术或者是对称型破坏，即当两个微流通道加载相同的样品或者装置处于空载时，所述装置处于对称平衡状态，则仅有一个传输零点出现，当两个尾流通道加载不同的样品时，所述装置的平衡性被打破，将会出现两个传输零点，这既是本发明所述的分频技术，且两个传输零点之间的频率差及幅度差反映了被测样本介电特性及损耗特性的大小。本发明只是基于所述的分频技术实现电小尺寸样本介电特性检测的。
如图2所示，微带型威尔金森功分器4包含一个输入端口21、两个同相输出端口、连接输入端口21及输出端口的T型结24和隔离电阻9。
特别地，微带型威尔金森功分器4的输入端口21、输出端口Ⅰ22、输出端口Ⅱ23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4的输出端口Ⅰ22、输出端口Ⅱ23相连的微带线（图1中的传输支路61、参考支路62）的阻抗也为50欧姆，隔离电阻9的阻抗为100欧姆。
如图3所示，多环开口谐振环7包含四个通信的矩形开口谐振环，从外到内一次标记为谐振环Ⅰ31、谐振环Ⅱ32、谐振环Ⅲ33、谐振环Ⅳ34；其中谐振环Ⅰ31包括微带线Ⅰ35，两条相同长度的微带线Ⅱ36及微带线Ⅲ37和开口38，其中微带线Ⅰ35与微带线Ⅱ36成直角连接成U型，两个微带线Ⅲ37的长度和与开口38的长度的总和与微带线Ⅰ35的长度相等，但是微带线Ⅰ35与微带线Ⅱ36具有不同的长度，所有微带带条具有相同的宽度W；同样的谐振环Ⅱ32、谐振环Ⅲ33、谐振环Ⅳ34与谐振环Ⅰ31具有相同的布局，四个谐振环具有相同尺寸的开口38；其中谐振环Ⅱ32也包括微带线a39和两个尺寸相同的微带线b40及微带线c41和开口38，微带线a39与微带线b40也成直角连接成U型，两端微带线c41的长度和与开口38的长度的总和与微带线a39的长度相同，但与微带线b40的长度不等。
所述的微带线Ⅰ35与微带线a39之间，微带线Ⅱ36与微带线b40之间的间隔相等，均为d,因此从外到内看的第二个谐振环Ⅱ32与第一个谐振环Ⅰ31的周长小8d；以此类推，谐振环Ⅲ33、谐振环Ⅳ34比第二个谐振环Ⅱ32的周长分别小8d和16d。
如同谐振环Ⅰ31、谐振环Ⅱ32一样，谐振环Ⅲ33包括微带线A42和两个尺寸相同的微带线B43及微带线C44和开口38，微带线A42与微带线B43也成直角连接成U型，两端微带线C44的长度和与开口38的长度的总和与微带线A42的长度相同，但与微带线B43的长度不等。
谐振环Ⅳ34包括微带线U46和两个尺寸相同的微带线V47及微带线W49和开口38，微带线U46与微带线V47也成直角连接成U型，两端微带线W49的长度和与开口38的长度的总和与微带线U46的长度相同，但与微带线V47的长度不等。特别地构成多环开口谐振环7的所有微带线具有相同的宽度W。
为提高灵敏度，减小被测物的体积，实现电小尺寸样本的检测。本发明提出了如图3所示的多环开口谐振环7，而未采用传统的多环谐振环，传统的同心矩形多环谐振环每相邻环之间的开口处于相反的方向，而本发明将所有环的开口朝一个方向，这样的设计有助于增强环之间的耦合，从而增强谐振时开口处的电场强度，进而大大提高测试灵敏度。特别地，在提出的测试装置的电场最强的地方即多环谐振环的开口处设置了微流体通道，用于承载被测流体。所述的微流通道的设计方案是先用二甲基硅氧烷（PDMS）将最下层的金属地覆盖，但将各互补开口环的电场最强的地方留下不覆盖，且整个装置采用镀金处理。
电小尺寸样本体介电特性检测原理：
通过有限元对提出的装置进行了计算，结果显示当多环开口谐振环7的微带线Ⅰ35、微带线Ⅱ36的长度为10.2mm、8.3mm，d为0.8mm，W为0.3mm，开口的尺寸为0.78mm时，测试装置在空载时可以在5.6GHz处出现一个传输零点，特别地，此时，所述装置的输入区域3，输出区域10（图1所示）的长度为10mm，四分之一波长变换部分25（图2所示）的长度为12.96mm，传输支路5和参考支路6的长度（图1所示）为20 mm, 因此所提出的两端口测试装置的尺寸为36.7*56.96mm2。
本发明的测试原理是，空载情况下，测试装置处于对称平衡状态，信号从测试装置的输入端口输入，经第一个微带型威尔金森功分器4，被等分成两路相同的信号，分别从第一个微带型威尔金森功分器4的两个输出端口输出，并传输到传输支路5和参考支路6上，在两条支路的中间，信号遇到了两个多环开口谐振环7，当两个相同的多环开口谐振环7发生谐振时，将无信号到达测试装置的第二个输出端口，从而产生一个传输零点。当测试区域与参考区域加载不同的物体时，原电路的对称性被破坏，这将造成测试装置产生两个传输零点，此即所述的分频技术，且两个传输零点之间的变化（幅度和相位的变化）反映了测试物体与参考物体之间介电特性的差异（实部与虚部）。本发明正是基于上述原理实现电小尺寸样本介电特性检测的，由于采用的分频技术，其灵敏度大大提高，且测试不受外界环境的影响（如湿度），提高了测试装置的鲁棒性，拓宽其使用领域。图4给出了空载时测试装置的传输零点示意图，图5给出了加载去离子水时的传输零点示意图，本发明也可用于测量其他的微流体，由于采用了镀金处理，因此对腐蚀性的溶液也可以测试。除此之外，本发明也可以实现块状固体及粉末状物体的检测，如果被测物为固体，则无需微流通道，可将固体放置在测试区域，为提高块状固体的测试灵敏度，特在测试区域与参考区域加载一层液状胶水，可有效减小被测固体与测试装置的空气间隙，且液状胶水对测试结果无任何影响。
与传统传输线测试方法相比，通过引入分频技术可打破传统传输线测试方法的极限，大大减小被测物的体积，仅需120纳升，同时可大大提高测量极限，研究表明本发明提出的装置对乙醇-去离子水的分辨率约为0.15%，实验过程中，将所述的加载微流通道的装置的两个端口分别与矢量网络分析仪的两个端口相连，先测试空载下的散射参数得图4，然后注入120纳升的去离子水，得到相应的散射参数即图5。除此之外，本发明也可用于测量其他的微流体，由于采用了镀金处理，因此对腐蚀性的溶液也可以测试。
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 (1)

1.一种基于分频技术的电小尺寸样本介电特性检测装置，其特征在于，介电特性检测装置即为两端口网络，又为对称结构，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两个相对称布置的微带型威尔金森功分器、两个多环开口谐振环及连接两个微带型威尔金森功分器输出端口的两条支路；
两条支路中，一条为传输支路，另外一条为参考支路；
多环开口谐振环的开口处设置了微流体通道，用于承载被测流体，空载时具有一个传输零点，加载被测物后，对称性破坏从而产生两个传输零点；
所述多环开口谐振环包括由外向内的谐振环Ⅰ、谐振环Ⅱ、谐振环Ⅲ、谐振环Ⅳ；其中，谐振环Ⅰ、谐振环Ⅱ、谐振环Ⅲ、谐振环Ⅳ的具有不同的尺寸但同向的开口；
所述谐振环Ⅰ包括微带线Ⅰ、两条相同长度的微带线Ⅱ及微带线Ⅲ和开口；
其中，微带线Ⅰ与两条微带线Ⅱ成直角U型连接；
两个微带线Ⅲ的长度与开口的长度的总和与微带线Ⅰ的长度相等；
所述微带线Ⅰ与微带线Ⅱ具有不同的长度；
所述谐振环Ⅱ、谐振环Ⅲ、谐振环Ⅳ均与谐振环Ⅰ具有相同的布局；
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；
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；
两个多环开口谐振环通过一条短微带线对称连接在两条支路的中间位置；
所述微带线Ⅰ、微带线Ⅱ及微带线Ⅲ的宽度相等；
所述谐振环Ⅰ、谐振环Ⅱ、谐振环Ⅲ、谐振环Ⅳ中左右相邻以及上下相邻的两个微带之间的间隔相等，均为d；
所述谐振环Ⅱ比谐振环Ⅰ的周长小8d，谐振环Ⅲ、谐振环Ⅳ比谐振环Ⅱ的周长分别小8d和16d；
所述微流通道是先用二甲基硅氧烷将底层金属层覆盖，但将各互补开口处的地方留下不覆盖，以便于加载电小尺寸样本。
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