對各類物質的成分、狀態(tài)及品質檢測無論在科學研究還是工業(yè)制造領域都具有重要意義。相較于傳統(tǒng)檢測方法,微波介電傳感測量技術具有快速可靠、適用范圍廣、無需標記樣品等諸多優(yōu)點,現(xiàn)已成為各學科領域實現(xiàn)傳感檢測的主要技術手段之一。然而,隨著檢測精度要求的不斷提升與應用環(huán)境的日趨復雜,現(xiàn)有微波介電傳感測量方案已難以滿足,研究開發(fā)性能更加優(yōu)良的新型微波介電傳感測量器件需求迫切。為解決上述問題,本論文將襯底集成波導重入式諧振腔創(chuàng)新應用于微波介電傳感技術領域,利用其誘導電場高度集中的獨特諧振性能,結合其平面化、小型化、易于加工與集成的結構優(yōu)勢,開展高精度、高靈敏度的微波介電傳感應用探索。本文通過對傳感器的工作機理分析、傳感特性仿真以及性能實驗測試,詳細論證了設計方案的可行性與優(yōu)越性,為新型高性能微波介電傳感測量器件的研發(fā)提供了新思路。具體研究成果如下:（1）以矩形襯底集成波導重入式諧振腔結構為基礎,依托微流控工藝技術,設計了一款非侵入式、無需物理接觸、可重復使用的新型液態(tài)媒質傳感器,用以實現(xiàn)液態(tài)媒質復介電常數(shù)的快速無損精準測量�；诜植嫉刃щ娐防碚摌嫿ㄖ厝胧街C振腔等效RLC電路模型,結合高頻電磁模擬仿真,... 

【文章來源】：西南大學重慶市 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：81 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

傳輸線法測量原理示意圖

2(121Λ2)(1-13)其中1Λ2=[12ln(1)]2(1-14)式中0為自由空間波長，為傳輸線截止波長。對于波導傳輸線，截止波長由其結構參數(shù)決定，對于傳輸TEM模的傳輸線如同軸線及微帶線等，截止波長為無窮大[1]。傳輸線測量法的優(yōu)點在于其可實現(xiàn)對樣品介電常數(shù)與磁導率的寬頻帶測量，但由于各類傳輸線的固定結構，其對樣品形狀也有較高要求（需與傳輸線內部結構匹配）。因此，當需要獲取樣品的頻率色散特性且能夠對樣品形狀進行精確加工時，可選用傳輸線法進行測量。1.2.2自由空間法圖1-2自由空間法測量裝置示意圖Fig.1-2Measurementdiagramoffreespacemethod自由空間法的測量裝置如圖1-2所示，兩個喇叭天線對向放置，天線末端通過同軸線連接在矢量網絡分析儀上，用以獲取計算所需的散射參數(shù)。被測樣品放置于兩天線中間，電磁波信號在樣品處的反射系數(shù)及透射系數(shù)由樣品材料的電磁特性直接決定，通過測量天線接收到的散射參數(shù)即可反演計算出樣品的介電常數(shù)值。嚴格意義上講，自由空間測量法也屬于傳輸線測量法中的一種，只是其電磁波傳播介質為自由空間，而非限制于傳輸線內部。因此，自由空間測量法的樣品介電常數(shù)計算方法和上一節(jié)分析的傳輸線測量法基本相同，只需將電磁波的傳播常數(shù)等參量作相應變換即可。由于測試時天線無需與樣品接觸，因此該方法也可用于某些特殊樣品的介電常數(shù)測量，如高溫或高腐蝕性樣品。需要注意的是，自由空間法對樣品的尺寸也有相應要求，若樣品尺寸小于天線工作頻率的自由空間波長，電磁波則會在樣品邊緣處發(fā)生繞射現(xiàn)象，導致測量結果產生誤差。而樣品厚度則需要小于電磁波在樣品材料內的波長，否則求解樣品介電常數(shù)時將會存在不唯一解[35]。

第1章緒論51.2.3同軸反射法(a)(b)圖1-3同軸反射法：（a）終端開路同軸探針測量示意圖；（b）等效電路模型Fig.1-3Coaxialreflectionmethod:(a)schematicdiagramofopen-endedcoaxialprobe;(b)equivalentcircuitmodel同軸反射法包含多種探針結構類型，其中終端開路同軸探針結構應用最為廣泛。如圖1-3a所示為典型的終端開路同軸探針測量示意圖，測量時將探針開口緊貼于樣品表面，由于探針與樣品具有不同阻抗，電磁信號在開口分界面處將產生反射，復反射系數(shù)的大小則依賴于探針與樣品的阻抗值，而樣品的阻抗又由其材料電磁特性直接決定，因此通過測定加載樣品時同軸探針的復反射系數(shù)即可導出樣品的復介電常數(shù)。為了便于分析，可將同軸探針等效為圖1-3b所示的電容模型，其中Cf表示同軸探針內外導體間的邊緣電容；C()為被測樣品對應的加載電容，其值為C()=×C0，為樣品的介電常數(shù)，C0為探針未接觸任何樣品時的空載電容。根據(jù)傳輸線理論，電磁波在探針開口處的復反射系數(shù)可以表達為[35,36]：Γ=|Γ|=1j0[()+f]1+j0[()+f](1-15)式中為測量角頻率，0為同軸探針的特征阻抗。求解上式可得，樣品相對介電常數(shù)為：=1Γj00(1+Γ)f0(1-16)式中Γ為復數(shù)形式，將上式進一步拆分可得樣品相對介電常數(shù)的實部與虛部分別為：′=2|Γ|sin00(1+2|Γ|cos+|Γ|2)f0(1-17a)′′=1|Γ|200(1+2|Γ|cos+|Γ|2)(1-17b)式中反射系數(shù)的幅值|Γ|與相位可通過矢量網絡分析儀直接測量得到，而f與0的值則可通過使用具有明確介電常數(shù)值的標準樣品（如去離子水）對探針進行校準求得。同軸反射法操作簡便，可用于固體、液體、粉末以及生物組織等多種樣品的

【參考文獻】：
期刊論文
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博士論文
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本文編號：3474314