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CN110398636B - 基于小型化介质谐振器天线的液体介电常数传感器及应用 - Google Patents

基于小型化介质谐振器天线的液体介电常数传感器及应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于液体特性检测技术领域，公开了一种基于小型化介质谐振器天线的液体介电常数传感器及应用，介质谐振器的顶部引入微型腔体，介质谐振器的中间位置引入短路柱。馈电结构为位于谐振器一侧的馈电探针；馈电探针位于介质谐振器的一侧，馈电探针紧贴于介质谐振器的侧面。在介质谐振器中间引入的短路柱，短路柱与地板相连接。介质谐振器和馈电结构位于地板的同一侧。本发明的液体介电常数传感器具有体积小、结构简单和高灵敏度等特点，在液体传感器领域有着广阔的应用前景；通过在圆柱形介质谐振器天线中间引入短路柱，将其基模由HEM11δ模式转变为TM10δ模式。且相比于传统的圆柱形介质谐振器天线，TM10δ模式也被大大降低。

Description

基于小型化介质谐振器天线的液体介电常数传感器及应用
技术领域
本发明属于液体特性检测技术领域，尤其涉及一种基于小型化介质谐振器天线的液体介电常数传感器及应用。
背景技术
目前，最接近的现有技术：微波传感器在日常生活以及工业生产应用领域具有广泛的应用。由于工作频段高(往往为GHz频段)，微波传感器具有体积小、灵敏度高、可靠性强、无污染以及成本低等优点，其被广泛的应用于温度检测、建筑物形态检测、生物医学以及化工领域。常见的微波传感器应用包括温度传感器、拉力及物体形变传感器以及物质介电特性传感器等等。液体介电特性传感器由于能够准确的检测不同液体的介电特性进而甄别不同种类的液体以及液体成分，其在食品检验、医学检测以及化学成分鉴定方面，具有广阔的前景。
现有技术一，采用具有高Q值的微波谐振器，通过激励谐振器结构中的不同模式，如圆柱形波导谐振器结构的准TM模式、矩形腔体谐振器的TE模式等，将待测试液体注入到谐振腔中，通过测试谐振腔谐振频率随待测液体介电常数的变化进而实现对不同液体的检测。这些技术所述的介质谐振器的尺寸通常在5到15cm以内，所需的待检测液体的体积也较大，有可能造成一定的浪费。而若是测量微量样本，又会出现不够精确的结果。
现有技术二是利用平面形式的谐振器，如基于微带传输线的谐振器以及基于介质集成波导的谐振器等。通过观测待测液体介电常数与平面型谐振器谐振频率之间的关系，确定待测液体的介电常数。一般情况下，这一方法也需要一定体积的待测液体才能完成测试。
现有技术三是将传统的谐振器结构与微流控技术相结合，通过少量的液体即可实现检测。近年来，微流控技术的发展，这一类技术得到了很大的提升，为利用微量溶液实现介电特性检测提供了一种很好的解决思路。以上几种方法，由于需要借助传输线技术完成测试，因此，需要用到双端口微波传输线，对传输线的传输参数进行测试，进而获得分析结果。这些方法测试较为复杂。
现有技术四，则是采用将液体加载至具有一定谐振频率的天线结构之上，不同的介电常数的液体对天线的谐振频率影响不同，通过测试天线的谐振频率进而反演出液体的介电特性。这种方法结构与原理简单，往往只需要测试天线输入端口的阻抗特性即可完成测试，因此，近年来这种方法也受到了人们的关注，包括微带天线，工作于HEM模式的介质谐振器天线等不同类型的天线都被用来实现液体介电特性的检测。但是，这种方法往往也需要一定体积的液体才能完成检测，造成了液体的浪费与环境污染。
综上所述，现有技术存在的问题是：现有基于谐振器天线设计的液体介电常数传感器多数尺寸较大，所需待测液体的用量也较多，容易造成液体的浪费与环境污染。而若是测量微量样本，又会出现不够精确的结果。
解决上述技术问题的难度：本发明的关键在于寻找一种创新型的谐振器天线结构。介质谐振器天线由于其具有成本低、效率高等优点，受到人们的广泛关注，工作于HEM模式的圆柱形介质谐振器天线已经被引入到液体传感器的设计中，然而由于其工作模式的原因，无法实现天线的小型化设计，使得传感器体积较大。传统的介质谐振器天线结构包括半球形介质谐振器天线、圆柱形介质谐振器天线和矩形介质谐振器天线，这里应用新型圆柱形介质谐振器天线：在圆柱形介质谐振器天线中间引入一短路柱，大幅度的缩小天线的尺寸。同时，在液体传感器领域，实现高灵敏度的液体传感器仍有待发展。利用引入短路柱的圆柱形介质谐振器天线能够在少量液体样本的情况下完成高灵敏度检测。
解决上述技术问题的意义：本发明利用引入短路柱的圆柱形介质谐振器天线的大大降低的TM01δ模式的工作频率，能够大大缩减天线尺寸进而获得更高的灵敏度，检测所需要的液体样本体积也得到大大的降低。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于小型化介质谐振器天线的液体介电常数传感器及应用。
本发明是这样实现的，一种基于小型化介质谐振器天线的液体介电常数传感器，所述基于小型化介质谐振器天线的液体介电常数传感器设置有：介质谐振器和馈电结构；
介质谐振器的顶部引入微型腔体，介质谐振器的中间位置引入短路柱。
馈电结构为位于谐振器一侧的馈电探针；馈电探针位于介质谐振器的一侧，馈电探针紧贴于介质谐振器的侧面。
进一步，在介质谐振器中间引入的短路柱，短路柱与地板相连接。
进一步，介质谐振器和馈电结构位于地板的同一侧。
进一步，圆柱形的介质谐振器的半径r1＝5mm，馈电探针的半径r2＝0.32mm，介质谐振器中间引入的短路柱的半径r3＝0.32mm，介质谐振器顶部引入的微型腔体的半径r4＝1mm，圆柱形的介质谐振器的高度h1＝5mm,馈电探针的高度h2＝5mm，介质谐振器中间引入的短路柱的高度h3＝5mm，介质谐振器顶部引入的微型腔体的高度h4＝2mm，正方形的地板的边长w_g＝50mm。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于小型化介质谐振器天线的液体介电常数传感器的食品检验系统。可通过对待测食物的检测来实现食物的成分分析以及成分含量的测量，从而达到保证食品质量的目的。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于小型化介质谐振器天线的液体介电常数传感器的医学检测系统。疾病或损伤能够导致血液中的代谢物水平发生显著变化，其中代谢物是人体新陈代谢产生的化合物，通过测试代谢物浓度可以进行对多种疾病诊断和监测。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于小型化介质谐振器天线的液体介电常数传感器的化学成分鉴定系统。液体介电特性传感器由于能够准确的检测不同液体的介电特性进而甄别不同种类的液体以及液体成分，从而检测化学物品的不同成分种类和成分含量。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明通过在圆柱形介质谐振器天线中间引入短路柱，将其基模由HEM11δ模式转变为TM10δ模式。且相比于传统的圆柱形介质谐振器天线，TM10δ模式也被大大降低。引入短路柱后的天线的谐振频率达到5.14GHz，远低于未引入短路柱的天线的TM模式频率，因此天线尺寸得到缩减，实现小型化的目的。其中天线高度为5mm，半径为5mm，远小于基于圆柱形波导谐振器得到的传感器的尺寸，其高度为9.5cm，半径为6.8cm，也远小于基于矩形腔体谐振器得到的传感器，其底边边长为11.065cm，高度为5.45cm。
本发明通过仿真软件进行电磁仿真模拟出介质谐振器天线结构中在不同平面内的电场与磁场分布，可以发现在天线顶部的电场强度最强。在该处引入微型腔体用于盛放待测液体，能够最大限度地实现传感器的高灵敏度特性。经仿真得到该传感器的平均灵敏度达到47.6MHz/εr，远大于基于基模模式为HEM11δ模式的传统圆柱形介质谐振器所得到的传感器的平均灵敏度10.28MHz/εr，与其他液体传感器相比具有明显的优势。该液体介电常数传感器具有结构简单，体积小，灵敏度高和易加工等特点，在液体介电常数传感器领域有着广阔的应用前景。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
1、本发明通过在圆柱形介质谐振器天线中间引入短路柱，将原本的基模模式由HEM11δ模式转变为TM10δ模式，且将其大大降低。有效地缩减了天线的尺寸，实现小型化。
2、本发明通过分析圆柱形介质谐振器天线的TM10δ模式，将微型腔体放置在电场强度最强的天线顶部，实现了较高的灵敏度，最终传感器的平均灵敏度达到47.6MHz/εr。
3、本发明结构简单，在传统圆柱形介质谐振器天线的基础上只需引入一短路柱即可改变其工作模式从而缩小天线尺寸。体积小，天线高度为5mm，半径为5mm，远小于圆柱形波导谐振器的高度9.5cm和半径6.8cm，也远小于矩形腔体谐振器的底边边长11.065cm和高度5.45cm。灵敏度高，传感器的平均灵敏度达到47.6MHz/εr，远大于基于基模模式为HEM11δ模式的传统圆柱形介质谐振器所得到的传感器的平均灵敏度10.28MHz/εr。由于结构简单，因此方便加工。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于小型化介质谐振器天线的液体介电常数传感器的结构示意图；
图中：(a)为传感器结构侧视图；(b)为传感器结构俯视图；
图中：1、介质谐振器；2、馈电探针；3、短路柱；4、地板；5、微型腔体。
图2是本发明实施例提供的介质谐振器天线未引入微型腔体时的仿真S参数示意图。
图3是本发明实施例提供的介质谐振器天线不同平面内的场分布图；
图中：(a)为xoz面上的介质谐振器结构中的场分布图；(b)为xoy面上的介质谐振器结构中的场分布图。
图4是本发明实施例提供的传感器在注入不同液体时的S参数示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有基于谐振器天线设计的液体介电常数传感器多数尺寸较大，所需待测液体的用量也较多的问题。本发明通过在传统圆柱形介质谐振器天线中间引入短路柱，将原本的基模模式由HEM11δ模式转变为TM10δ模式，大大降低了TM10δ模式，有效缩减了天线的尺寸。本发明通过电磁仿真将微型腔体放置在介质谐振器天线电场强度最强的地方，实现高灵敏度的特性。
下面结合附图对本发明的技术方案作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的基于小型化介质谐振器天线的液体介电常数传感器包括：介质谐振器1、馈电探针2、短路柱3、地板4、微型腔体5。
介质谐振器1中间引入短路柱3，短路柱3与地板4相连接，能够改变介质谐振器天线的基模模式，降低天线尺寸。馈电探针2位于介质谐振器1的一侧。
本发明实施例提供的基于小型化介质谐振器天线的液体介电常数传感器的主要参数有：r1,r2,r3,r4,h1,h2,h3,h4,w_g。r1＝5mm,r2＝0.32mm,r3＝0.32mm,r4＝1mm,h1＝5mm,h2＝5mm,h3＝5mm,h4＝2mm，w_g＝50mm。其中r1是圆柱形的介质谐振器1的半径，r2是馈电探针2的半径，r3是介质谐振器1中间引入的短路柱3的半径，r4是介质谐振器1顶部引入的微型腔体5的半径，h1是圆柱形的介质谐振器1的高度，h2是馈电探针2的高度，h3是介质谐振器1中间引入的短路柱3的高度，h4是介质谐振器1顶部引入的微型腔体5的高度，w_g为正方形的地板4的边长。r1和h1为介质谐振器的尺寸，影响介质谐振器的谐振频率，r2和h2为馈电探针的尺寸，用于给介质谐振器天线馈电，r3和h3为引入短路柱的尺寸，改变介质谐振器的基模模式，降低天线尺寸，r4和h4引入的微型腔体的尺寸，用于盛放待测液体，决定了待测液体的体积，同时改变天线的谐振频率。本发明通过在圆柱形介质谐振器天线中间引入短路柱，将原本的基模模式由HEM11δ模式转变为TM10δ模式，且将其大大降低。有效地缩减了天线的尺寸，实现小型化。将微型腔体放置在电场强度最强的天线顶部，实现了较高的灵敏度，最终传感器的平均灵敏度达到47.6MHz/εr。
本发明实施例的圆柱形的介质谐振器1包括引入的短路柱3，和用以盛放待测液体的微型腔体5；馈电结构为位于谐振器一侧的馈电探针2。短路柱3位于介质谐振器1的中间，与地板4相连接。微型腔体5位于介质谐振器1的顶部。介质谐振器1和馈电结构位于地板4的同一侧。
下面结合附图对本发明的就是效果作详细的描述。
如图2所示，本发明实施例提供的中介质谐振器天线未引入微型腔体时的仿真S参数示意图；曲线显示，天线的谐振频率为5.14GHz，远低于为引入短路柱时的介质谐振器天线的TM模式频率，可以利用这种特性缩减天线的尺寸。
如图3所示，本发明实施例提供的中介质谐振器天线不同平面内的场分布图。可以看出，此时介质谐振器天线工作在TM10δ模式，并且在天线的顶部电场强度最强。在该部位引入微型腔体，能够实现高灵敏度的介电特性传感器。
如图4所示，本发明实施例提供的给出了该液体传感器在微型腔体中注入介电常数不同的液体时的介质谐振器天线的S参数。可以看出天线的谐振频率随着液体的介电常数的增大而减小，且这种变化关系是非线性的。该传感器具有高灵敏度的特性。
本发明通过在圆柱形介质谐振器天线中间引入短路柱，将原本的基模模式由HEM11δ模式转变为TM10δ模式，且将其大大降低。同时，通过分析圆柱形介质谐振器天线的TM10δ模式，将微型腔体放置在电场强度最强的天线顶部，实现了较高的灵敏度。当不同的待测液体加入到微腔时，天线的谐振频率响应的发生变化，进而完成液体介电特性的检测。利用ANSYS HFSS电磁仿真软件，对所设计的传感器进行了仿真验证。仿真结果表明，当微腔体积为5.6mm3(即0.0056ml)，液体相对介电常数由10变化至60时，天线的谐振频率由5.5GHz变化至4.3GHz，传感器的平均灵敏度为47.6MHz/εr。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于小型化介质谐振器天线的液体介电常数传感器，其特征在于，所述基于小型化介质谐振器天线的液体介电常数传感器设置有：介质谐振器和馈电结构；
介质谐振器的顶部引入微型腔体，介质谐振器的中间位置引入短路柱；
馈电结构为位于谐振器一侧的馈电探针；馈电探针位于介质谐振器的一侧，馈电探针紧贴于介质谐振器的侧面；
短路柱与地板相连接。
2.如权利要求1所述的基于小型化介质谐振器天线的液体介电常数传感器，其特征在于，介质谐振器和馈电结构位于地板的同一侧。
3.如权利要求1所述的基于小型化介质谐振器天线的液体介电常数传感器，其特征在于，圆柱形的介质谐振器的半径r1＝5mm，馈电探针的半径r2＝0.32mm，介质谐振器中间引入的短路柱的半径r3＝0.32mm，介质谐振器顶部引入的微型腔体的半径r4＝1mm，圆柱形的介质谐振器的高度h1＝5mm,馈电探针的高度h2＝5mm，介质谐振器中间引入的短路柱的高度h3＝5mm，介质谐振器顶部引入的微型腔体的高度h4＝2mm，正方形的地板的边长w_g＝50mm。
4.一种应用权利要求1～3任意一项所述基于小型化介质谐振器天线的液体介电常数传感器的食品检验系统。
5.一种应用权利要求1～3任意一项所述基于小型化介质谐振器天线的液体介电常数传感器的医学检测系统。
6.一种应用权利要求1～3任意一项所述基于小型化介质谐振器天线的液体介电常数传感器的化学成分鉴定系统。
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