用于测量磁介电材料全特性的微波传感器及电子设备

技术领域

本发明涉及微波技术领域，具体而言，涉及一种用于测量磁介电材料全特性的微波传感器及电子设备。

背景技术

随着微波技术在军事、医学、食品、化工及气象学等领域的快速发展，各种类型的射频微波器件被逐渐开发和应用，同时由于这些高频器件所使用到的磁介质材料的电磁特性极大影响着设备器件的性能参数，因此对磁介质材料的电磁特性的研究很受重视。

磁介质材料的电磁特性是通过介电常数ε、磁导率μ两个参数来表征。介电常数和磁导率是表征磁介质材料磁电性能最重要的基本参数，也是物质与电磁场之间相互作用的重要纽带。

现有的用于测量磁介电材料特性的微波传感器由于受到磁场和电场分量的相互干扰只能单一的测量介电常数和磁导率中的一个，不能同时进行测量，功能比较单一。

发明内容

本发明的目的包括，例如，提供了一种用于测量磁介电材料全特性的微波传感器和电子设备，其能够同时测量磁介电材料的磁导率和介电常数。

本发明的实施例可以这样实现：

第一方面，本发明提供一种用于测量磁介电材料全特性的微波传感器，包括金属板层、介质层和微带线层，所述介质层位于所述金属板层与所述微带线层之间，所述金属板层上开设有第一刻槽和第二刻槽。

其中，所述第一刻槽包括圆弧段和直线段，所述圆弧段所对应的圆心角为180°，所述直线段的两端分别与所述圆弧段的两端连接。

所述第二刻槽为圆环形，且与所述第一刻槽同圆心，所述第二刻槽通过所述直线段的直线划分为相等的第一弧段和第二弧段，所述第一弧段位于所述圆弧段的一侧，所述第二弧段位于所述直线段的一侧，所述第二弧段上设置有开口。

所述金属板层上设置有磁导率测量区和介电常数测量区，所述磁导率测量区位于所述金属板层上与所述开口对应的区域，用于测量磁介电材料的磁导率，所述介电常数测量区位于所述圆弧段和/或所述第一弧段与所述直线段的中线相交处所对应的区域，用于测量磁介电材料的介电常数。

在可选的实施方式中，所述开口与所述直线段的中线在同一直线上。

在可选的实施方式中，所述圆弧段的宽度等于所述第二刻槽的宽度。

在可选的实施方式中，所述微带线层包括微带线和微波高频连接器，所述微带线固定于所述介质层远离金属板的一侧，所述微波高频连接器有两个，两个所述微波高频连接器各与所述微带线的一端电性连接。

在可选的实施方式中，所述介质层为罗杰斯介质板。

在可选的实施方式中，所述第一刻槽的所述圆弧段和所述第二刻槽的宽度为0.2-0.4mm，所述直线段宽度为0.4-0.6mm，所述开口的宽度为0.3-0.7mm，所述圆弧段和所述第一弧段的距离为0.1-0.3mm。

在可选的实施方式中，还包括压控变容二极管，所述压控变容二极管的一接线端用于和所述金属板层位于所述第一刻槽内的部分电连接，所述压控变容二极管的另一接线端用于和所述金属板层位于所述第一刻槽外的区域电连接，所述压控变容二极管的阴极用于加载正相电压，所述压控变容二极管的阳极用于加载负相电压。

在可选的实施方式中，所述压控变容二极管位于所述直线段的中心。

在可选的实施方式中，所述压控变容二极管的电容为0.3-2.2pF。

第二方面，本发明提供一种电子设备，包括本体和前述实施方式中任一项所述用于测量磁介电材料全特性的微波传感器，所述用于测量磁介电材料全特性的微波传感器安装于所述本体上。

本发明实施例提供的用于测量磁介电材料全特性的微波传感器和电子设备有益效果包括：

本发明通过将第一刻槽设置为圆弧段和直线段，圆弧段所对应的圆心角为180°，直线段的两端分别与所述圆弧段的两端连接。第二刻槽为圆环形，且与所述第一刻槽同圆心，第二刻槽通过所述直线段的直线划分为相等的第一弧段和第二弧段。第一弧段位于圆弧段的一侧，第二弧段位于直线段的一侧，第二弧段上设置有开口。金属板层上设置有磁导率测量区和介电常数测量区，磁导率测量区位于金属板层上与所述开口对应的区域，用于测量磁介电材料的磁导率，介电常数测量区位于圆弧段和/或第一弧段与直线段的中线相交处所对应的位置，用于测量磁介电材料的介电常数。实现了同时测量磁导率和介电常数的需求。将第一刻槽设置为封闭槽消除了在磁导率测量区和介电常数测量区磁场和电场的相互干扰和影响。将第一刻槽和第二刻槽设置为圆环形，保证了磁导率测量区和介电常数测量区大小相等。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例整体结构的一个视角示意图；

图2为本实施例图1中A处放大示意图；

图3为本发明实施例整体结构的另一个视角示意图；

图4为本发明实施例的磁场分布示意图；

图5为本发明实施例的电场分布示意图；

图6为本发明实施例中微波传感器传输系数和放置在该介电常数测量区域内待测样品的相对介电常数关系示意图；

图7为本发明实施例中微波传感器传输系数和放置在介电常数测量区域内的待测样品的电损耗正切的关系示意图；

图8为本发明实施例中介电常数测量区内放置不同样品后使用矢量网络分析仪对微波传感器传输系数进行测量的结果示意图；

图9为本发明实施例中传输系数和放置在磁导率测量区域内的待测样品的磁损耗正切的关系示意图；

图10为本发明实施例中微波传感器在介电常数测量区内放置不同样品后使用矢量网络分析仪对传感器传输系数进行测量的结果示意图；

图11为本发明实施例中微波传感器在磁导率测量区内放置不同样品后使用矢量网络分析仪对传感器传输系数进行测量的结果示意图；

图12为本发明实施例中微波传感器在使用不同反向电压进行调谐后，使用矢量网络分析仪对传感器传输系数的测量结果示意图；

图13为本发明实施例中通过对微波传感器调谐后对样品多个频点处相对介电常数的测量结果示意图。

图标：100-微波传感器；110-金属板层；111-第一刻槽；112-第二刻槽；113-圆弧段；114-第一弧段；115-直线段；116-第二弧段；118-开口；120-介质层；130-微带线层；131-微波高频连接器；133-微带线；140-压控变容二极管；150-介电常数测量区；160-磁导率测量区。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、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清楚、完整地描述，显然，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

请参考图1，本实施例提供了一种用于测量磁介电材料全特性的微波传感器100及电子设备(附图中未示出)，该电子设备包括本体和微波传感器100。该微波传感器100及电子设备既能测量磁介电材料的介电常数，也能够测量磁介电材料的磁导率，解决了现有传感器测量单一性的问题。

请参考图2和图3，在本实施例中，用于测量磁介电材料全特性的微波传感器100，包括金属板层110、介质层120和微带线层130。介质层120位于金属板层110与微带线层130之间，金属板层110上开设有第一刻槽111和第二刻槽112。

其中，第一刻槽111包括圆弧段113和直线段115，圆弧段113所对应的圆心角为180°，为整个圆周的一半。直线段115的两端分别与圆弧段113的两端连接形成封闭的槽环。

第二刻槽112为圆环形，且与第一刻槽111同圆心。第二刻槽112通过直线段115的直线划分为相等的第一弧段114和第二弧段116。直线段115的直线如图2中的虚线所示，第一弧段114位于圆弧段113的一侧，也就是如图2中所示上半部分的二分之一圆弧。第二弧段116位于直线段115的一侧，也就是圆弧段113的另一侧，图2中所示，下半部分的二分之一圆弧。第二弧段116上设置有开口118，该开口118是由于第二刻槽112未完全封闭所形成的。

请再次参照图2，金属板层110上设置有磁导率测量区160和介电常数测量区150。磁导率测量区160位于金属板层110上与开口118对应的区域，用于测量磁介电材料的磁导率，介电常数测量区150位于圆弧段113和第一弧段114与直线段115的中线相交处对应的区域。或者，介电常数测量区150设置于金属板层110上，并位于圆弧段113和第一弧段114中的一个与直线段115的中线相交处对应的区域用于测量磁介电材料的介电常数。

需要说明的是，磁导率测量区160位于金属板层110上与开口118对应的区域，其具体的对应方式是开口118在金属板层110上表面的投影与磁导率测量区160重合或者部分重合。介电常数测量区150位于圆弧段113和第一弧段114与直线段115的中线相交处对应的区域，其具体的对应方式为圆弧段113和/或第一弧段114与直线段115的中线相交处在金属板层110上的投影位于介电常数测量区150内。磁导率测量区160、介电常数测量区150只是为了更好的示意出测量磁导率和介电常数的位置，其介电常数测量区150和磁导率测量区160可以是金属板层110的一部分，也可以为其他的标识贴附在金属板层110上，只要其目的是利用第一刻槽111和第二刻槽112来实现测量磁介电材料的磁导率和介电常数，都在本申请的保护范围内，本申请不做具体限定。

在本实施例中，介电常数测量区150设置于金属板层110上，并位于圆弧段113和第一弧段114与直线段115的中线相交处对应的位置。

请参阅图4和图5，需要进一步说明的是，第一刻槽111和第二刻槽112形成了互补开口谐振环结构，简称为CSRR。由于CSRR具有交叉极化特性，其能够受到与第一刻槽111和第二刻槽112所在平面垂直的电场激励，还可以被与第一刻槽111和第二刻槽112所在平面平行的磁场激励，有带阻效应以及谐振吸收峰出现，使得该CSRR的磁导率测量区160(图4和图5中实线框内的区域)磁场高强度局部化，而电场的强度非常低，用于测量磁导率。在CSRR的介电常数测量区150(图4和图5中虚线框内的区域)电场强度高，而磁场强度低，该区域用于测量介电常数。避免了磁场和电场之间的相互干扰，做到了既能测量磁介电材料的介电常数，也能够测量磁介电材料的磁导率。

通过计算计仿真分析验证，将第一刻槽111和第二刻槽112设置成圆弧形槽，达到了磁导率的测量区(图4和图5中实线框内的区域)和介电常数的测量区(图4和图5中虚线框内的区域)形状大小相同，且关于中心对称，便于磁介电测量。同时，由于磁导率的测量区和介电常数的测量区大小相等，在前期制备测量样品时，只需要制备一份，节约材料，用时也节约了测量前的准备时间。

请再次参阅图2和图5，将第一刻槽111设置为封闭的环槽，通过仿真分析可以看出，第一刻槽111设置为封闭的环槽消除磁导率测量区160域电场的影响，让磁导率的测量更加精准。

请参阅图1和图3，金属板层110、介质层120和微带线层130按照从上向下的顺序依次排布。金属板层110和微带线层130分别贴附在介质层的两侧。在本申请的其他实施例中，金属板层110和微带线层130也可以是通过镀层或者涂层等工艺制备在介质层120的两侧。

在本施例中，金属板层110长度为100mm，宽度为50mm，厚度为0.02mm。

在实施例中，介质层120为罗杰斯介质板。优选为罗杰斯RO4003介质板，由于其介电常数稳定，不会随频率的变化其介电常数变化较小或无变化，使得测量更加准确。作为本实施例的优选，介质板的长度为100mm，宽度为50mm，厚度为0.813mm。

在本申请的其他实施例中，介质板的材质、大小和厚度可以根据具体使用需求进行设计，只要能够保证其提供稳定的介电常数即可，其他不做为具体限定。

请再次参照图3，在本实施例中，微带线层130包括微带线133和微波高频连接器131，微带线133固定于介质层120远离金属板的一侧，微波高频连接器131有两个，两个微波高频连接器131各与微带线133的一端电性连接。两个微波高频连接器131一个作为输入端，一个作为输出端与矢量网络分析仪连接。

需要进一步说明的是，微波高频连接器131也可用SMA连接头替换，具有两个接线端，一个接线端与微带线133连接，另一个接线端与金属板层110位于第二刻槽112区域外位置连接，从而将两个微波高频连接器131设置在金属板层110的两侧。

在本实施例的一个优选实施方式中，第一刻槽111的圆弧段113和第二刻槽112的宽度为0.2-0.4mm。直线段115宽度为0.4-0.6mm，开口118的宽度为0.3-0.7mm，圆弧段113与第一弧段114的间距为0.1-0.3mm。这样设置能够使得电场和磁场集中在第一刻槽111和第二刻槽112周围，避免相互干扰。

在本实施例的一个优选实施方式中，第一刻槽111的圆弧段113和第二刻槽112的宽度为0.3mm。直线段115宽度为0.5mm，开口118的宽度为0.5mm，圆弧段113与第一弧段114的间距为0.2mm。第一刻槽111圆弧段113的半径为7.2mm，第二刻槽112的半径为7.7mm。这样设置保证传感器在小型化和使得电场和磁场集中在第一刻槽111和第二刻槽112周围，避免相互干扰。

请再次参阅图2和图5，在本实施例中，开口118与直线段115的中线在同一直线上，也就说开口118位于第二弧段116的中间。将开口118设置于第二弧段116的中间，通过仿真分析发现，开口118在该位置，磁导率测量区160内磁场强度最强，电场强度最弱，减少了磁导率测量区160内磁场和电场的相互影响，提高了磁导率测量的准确性。

请参阅图2、图4和图5，在本申请的实施例中，圆弧段113的宽度等于第二刻槽112的宽度。这样设置使CRSS的电场和磁场集中分布在第一刻槽111和第二刻槽112附近。避免电场和磁场散乱分布，导致磁场和电场相互影响。

请参阅图6，在介电常数测量区150域放置相对介电常数由1到10的待测样品(此时电损耗正切均为0)，该微波传感器100的谐振频率由2.01GHz逐渐减小到1.77GHz。请参阅图7，在介电常数测量区150域放置电损耗正切由0到0.1的待测样品(此时相对介电常数均为1)，该微波传感器100的品质因数由48减小到35。通过对上述数据进行拟合，分别得到了相对介电常数与谐振频率间的函数曲线，电损耗正切受品质因数和相对介电常数影响变化的多项式曲线，用于之后对复介电常数的测量。

请参阅图8，在磁导率测量区160放置磁导率由1到2的待测样品(此时磁损耗正切均为0)，微波传感器100的谐振频率由2.01GHz逐渐减小到1.93GHz。请参阅图9，在磁导率测量区160放置磁损耗正切由0到0.5的待测样品(此时相对磁导率均为1)，传感器的品质因数由45减小到11。通过对上述数据进行拟合，分别得到了相对磁导率与谐振频率间的函数曲线，磁损耗正切受品质因数和相对磁导率影响变化的多项式曲线，用于之后对磁导率的测量。

请参阅图10和图11，利用该微波传感器100对PMMA塑料、RO4003介质板、FR4介质板、铁氧体材料分别进行了测量，并利用拟合曲线得到了测量结果。F0为未放置样品时的测试曲线，PMMA为塑料、4003为罗杰斯RO4003介质板，FR4为FR4介质板，Ferrite为铁氧体。如下表1所示：

表1几种材料的测试结果

此外，请再次参照图2和图12，在本实施例中，为了让该微波传感器100能够在不同频率下测量磁导率和介电常数，该微波传感器100还包括压控变容二极管140，压控变容二极管140的一接线端用于和金属板层110位于所述第一刻槽111内的部分电连接，压控变容二极管140的另一接线端用于和所述金属板层110位于所述第一刻槽111外的区域电连接，所述压控变容二极管140的阴极用于加载正相电压，压控变容二极管140的阳极用于加载负相电压。

由于压控变容二极管140加载不同的反向电压会使压控变容二极管140的结电容发生改变，从而达到改变该微波传感器100谐振频率的作用，图12为调谐后的效果图。调谐之后传感器就能测量不同频点处材料的介电常数和磁导率。使得测量的数据更加全面。

请参阅图13，通过利用PMMA(塑料)、RO4003(罗杰斯RO4003介质板)、FR4(FR4介质板)几组材料进行验证，得到微波传感器100调谐后样品多个频点处相对介电常数。

在本申请的一个优选实施方式中，压控变容二极管140位于直线段115的中心，压控变容二极管140的一接线端用于和金属板层110位于第一刻槽111内的部分电连接，压控变容二极管140的另一接线端用于和金属板层110位于第一刻槽111外，且第二刻槽112内的区域电连接。这样能够保证压控变容二极管140的两个极脚更好地接入在电路中。

在本申请的其他实施例中，压控变容二极管140的固定位置可以根据实际设计需求和空间布置进行合理的调整，只要能够保证其一接线端用于和金属板层110位于第一刻槽111内的部分电连接，另一接线端和金属板层110位于第一刻槽111外的区域电连接，压控变容二极管140的阴极用于加载正相电压，压控变容二极管140的阳极用于加载负相电压即可，其他不做具体限定。

在本实施例的一个优选实施方式中，压控变容二极管140为SMV2019型其的电容区间为0.3-2.2pF，加载电压范围为0-20V。

在向压控变容二极管140两端加载不同大小的反向电压，不同反向电压下压控变容二极管140的电容大小如下表2所示：

表2

请再次参照图12，通过向压控变容二极管140施加反向电压为0V、1V、3V、5V、7V、9V、15V电压进行调谐后，使用矢量网络分析仪对传感器透射系数的测量结果，从而证明了能够测量磁介电材料的多频点下的全特性。

根据本实施例提供的一种用于测量磁介电材料全特性的微波传感器100及电子设备的工作原理是：第一刻槽111和第二刻槽112构成了CSRR，CSRR具有交叉极化特性，其能够受到与第一刻槽111和第二刻槽112所在平面垂直的电场实现激励，还可以被与第一刻槽111和第二刻槽112所在平面平行的磁场激励，有带阻效应以及谐振吸收峰出现，使得该CSRR的磁导率测量区160，磁场高强度局部化，而电场具有非常低的强度，可以用于测量磁导率。在CSRR的介电常数测量区150，电场强度高，而磁场强度低，该区域用于测量介电常数。

本实施例提供的一种用于测量磁介电材料全特性的微波传感器100及电子设备至少具有以下优点：在测量磁介电材料时，避免了磁场和电场之间的相互干扰，做到了既能测量磁介电材料的介电常数，也能够测量磁介电材料的磁导率。将第一刻槽111和第二刻槽112设置成圆弧形槽，达到了磁导率的测量区和介电常数的测量区大小相同，且关于中心对称，便于测量。同时，由于磁导率的测量区和介电常数的测量区大小相等在前期制备测量样品时，只需要制备一份，节约材料，用时也节约了测量前的准备时间。第一刻槽111设置为封闭的环槽消除磁导率测量区160域电场的影响，让磁导率的测量更加精准。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。