文摘

介绍了输电线路和开口环谐振器(SRR)为基础的传感器结构与高灵敏度能力区分各种甲醇混合物。介电层的高度和厚度的铜被分配为1.6毫米和0.035毫米,分别。总体尺寸的传感器结构被定义为 。ISM波段选择工作频率,尤其是在2.45 GHz。不同甲醇-水混合物准备在不同的比率,然后,测量复介电常数的值。不同的传感器结构模型和使用一个两口的传输线方法调查。各种类型的基于SRR的传感器设计,和一个优化设计提出了甲醇混合物检测应用程序。提出了传感器的观测品质因数为16.5。传输的共振转移值( )用于感应能力在-45分贝2.45 GHz和90兆赫谐振转变。传感器的灵敏度被评为1 MHz。最后,提出了SRR的电场分布集成传输线。新奇的设计是完全意义上的比例甲醇水从一个非常简单的设计。该传感器结构可用于甲醇检测应用在医学、军事、和化学研究。

1。介绍

在最近的时代,微波遥感方法主要用于各种目的,如水分组织检测(1,2)、油质量控制(3)、湿度传感、乳腺癌检测(4)、脑卒中检测(5)、有机蒸汽感应、流量测量、和acetone-ethanol-methanol浓度检测6]。微波遥感系统有很多优点比如实时、非侵入性、灵活性、和高适应率对于许多应用程序(7]。在大多数应用程序中,微波技术为无损检测机会铺平了道路检测许多材料(8,9]。在文献中,有许多方法来提高传感能力的任何类型的传感器结构,如开口环谐振器的超材料的方法(SRR)层(10- - - - - -12]。

最重要的部分一个传感器结构在微波谐振器层的方法。因为这一层是传感部分,必须有一个高感应能力在任何应用程序。例如,Ebrahimi LC特色等人提出了一种输电线路感应微分介电常数在操作频率在2 GHz和3 GHz (13]。同样,一个分析模型,提出了复介电常数传感。这个模型是一个组合的谐振器部分的微带线设计输电线路(14]。汉等人提出了一个平面微波传感器含有互补弯环谐振器(CCRR)结构。传感器的目的是测量介电常数的衬底材料在微波电路基于集成波导结构。四个不同的衬底材料测试证明该CCRR结构成功地增加了电场强度测量区域。已经观察到传感器具有很高的灵敏度和准确性(15]。此外,Coromina等人提出了一种电容加载慢波传输线系统能力感觉介电常数特性(16]。此外,液体的介电常数的实部特征样本已成功通过测量双频SRR传感器。齐达内等人提出了一个SRR-based过敏的微波传感器结构意义上葡萄糖浓度在水中。选择本研究的工作频率为1.9 GHz (17]。

微波传感器还用于生物医学应用,如决心Loutchanwoot和Harnsoongnoen equol水平。本文提出了一个紧凑和简单的微波传感器快速检测的范围广泛的高度集中材料利用equol的小体积。补充开口环谐振器(CSRR)皮亚诺分形geometry-loaded微带线一直都是传感器结构的设计的基础。该传感器被发现识别样本类型以及equol浓度范围(18]。平面微带SRR-based传感器和一个积极的反馈回路设计(19有机蒸汽的传感应用。另一种聚二甲基硅氧烷(PDMS)涂层传感器提出了在20.)检测丙酮蒸汽。

此外,研究metamaterial-based液体传感器(21)、微流体传感器(22,23),和石油传感器(24)已经集成到输电线路。巴蒂等人决定了品质因数和灵敏度值几个油样品。根据他们的发现,建议可以利用廉价的传感器在实际场景与高精度描述食用油和识别掺假(25]。同时,平面CSRR传感器结构建议分析各种变压器油样品了斯利瓦斯塔瓦等。工作频率已被选为2.94 GHz。传感器显示了从135.5 MHz频移到470.5 MHz,石油降解时间被延长。结果归因于的实际改变设备的共振频率,有效介电常数的改变,和波导之间的有效电容和地平面26]。

此外,维等人研究了微波介电特性的微流体传感器液体(27]。三个不同的传感器提出了微流体的应用程序。他们一直基于CSRR (1.7 GHz),扩展SRR的差距(1.9 GHz),和传统圆形SRR (3.6 GHz) [28]。刘等人还提出了一种微流体传感器。一个芯片上的宽带微波干涉测量传感器是利用改进的微分灵敏度的传感应用。干扰和负载的电小不连续结构传感地区使用的两种技术来创建传感器。不同浓度的氯化钠和氯化钾的解决方案去离子水的应用通过进口和出口(29日]。

此外,各种传感器的设计改造来提高感知能力和包裹和甲醇-水浓度的准确性。例如,歌曲和严选零阶谐振(佐尔)模式集中表面共振能量元素。建议传感器实现了佐尔基于系列组件。佐尔已建成的短路电路复合左/右手传输线谐振单元。该传感器具有高灵敏度和可靠的性能由于小型化设计,因为它增强了检测表面的分数在总体结构30.]。普拉卡什和古普塔提出了一种新的基于互补的开口环谐振器传感器感应化学浓度。增加电容间隙宽度导致更好的电磁能量耦合传输线谐振器。大型感应取得1320 MHz带宽和圆形CSRR一直选择在应用程序(改善液体流动31日]。Parvathi和古普塔提出了一个超高灵敏度和密集的步骤通过电磁band-gap-based传感器测量复杂的蒸馏水和乙醇的混合物介电常数。中心频率已经减少到2.38 GHz的高电感SV-EBG相比电磁带隙(CLV-EBG)和中心通过电磁带隙(ELV-EBG) [edge-located通过32]。

2。介电测量

在本研究的第一步,为五个不同的甲醇场景复介电常数进行了调查。甲醇-水组合的20%,40%,60%,80%,100%已经准备和测量微波介质探测设备的实验室。真正的部分测量复介电常数得到的图1覆盖的范围1 GHz-5 GHz。显然图所示,100%甲醇的21个平均介电常数3 GHz。因此,80%,60%,40%,20%甲醇-水组合有介电常数的近30,43岁,55岁,到63年,分别。这种现象是由于甲醇和水的介电特性之间的区别。纯水的介电常数约75,和甲醇有近20 3 GHz。由于这些差异,可以利用各种介电特性检测甲醇比例。


图1
测量介电常数的值20%,40%,60%,80%,和100%甲醇的材料。测量是由使用介质探测设备。在这些测量技术利用开放式同轴探针的方法。

3所示。传感器的设计

在本研究中,主要目的是为了区分不同类型的甲醇组合。鉴于,如图1甲醇-水混合物,不同的有不同的介电特性,这种行为为传感器设计铺平了道路。在设计和分析步骤,一个有限的集成微波仿真软件已被使用。FR4介电材料被选为基质层,和铜金属已经分配了两个谐振器和地面层。所选FR4 4.3 1.6毫米厚度和介电常数。FR4介质衬底选择由于低价格和低损耗特性的相关频率范围以及广泛的利用。

在第一个传感器设计,two-ring-combined输电线路设计如图2(一个)。操作频带5和6 GHz之间选择。从图2 (b),提出结构的透射共振频率大约是5.55 GHz,和振幅频率值是3 dB。相同的结构的反射共振频率为5.53 GHz。结构的反射系数的频率点大约是-14分贝。从图可以看出2 (b)级,几乎整个应用已经从输电线路传输。只有一小共振已经观察到5.55 GHz。效率低下的开口环谐振器放置在环相关的维度对戒指要低得多。由于输电线路可以表示为集中元素,SRR可以用电感和电容忽略阻力。电感和电容像LC谐振器。这些都是由相互作用的主要外环。因为这相互作用会降低,LC谐振器将在一个单一的频率,共振传输响应只有一个小的共振。

(一)
(一)
(b)
(b)
图2
SRR-based 1圣输电线路的传感器设计(一)及其散射值(b)。

在第二传感器设计,另一个两口的输电线路已经安排,数值结果。开口环谐振器(SRR)和感知差距一直位于左边的输电线路如图3(一个)。本感知差距的目的是允许流体流动和区分传感材料。此外, - - - - - -参数的特点,第二个设计给出图3 (b)。6 dB的结构传输值在4.34 GHz的频率。的共振频率和振幅值的差异 和 ,传感器结构的反射系数,来源于结构的不对称结构。的 传感器结构的特点是-43分贝的共振频率为3.73 GHz,和 值是-62分贝3.74 GHz。从图可以看出3 (b)准确,应用波传播的输电线路。一个小共振已经观察到4.34 GHz。开口环谐振器的低效率放在左边的输电线路与低得多的相互交互的输电线路。SRR外可以用电感和电容忽略阻力。SRR的电感和电容值响应LC谐振器。这些集总反应是由相互作用的波传输线上传播。因为这相互作用会降低,LC谐振器将在一个单一的频率,共振传输响应只有一个小的共振。低反射和高传输对第一个设计源于相互交互的减少与电磁波的主要载体,即。、输电线路。SRR之间的相互交互区域和输电线路的设计比第二个高得多。

(一)
(一)
(b)
(b)
图3
SRR-based 2nd输电线路的传感器设计(一)及其散射值(b)。

在第三个设计,一个对称方法被选中,如图4(一)。显然,如图4 (b)拟议的结构、传输和反射值7 dB和9 dB在4.13 GHz和4.22 GHz的共振频率。从图可以看出4 (b),应用波传播率高的输电线路。共振区域已经观察到4.13 - -4.22 GHz。开口环谐振器的低影响输电线路将双方关系以其较低的相互交互的输电线路,但是相互交互是更高的第二种设计,因为这个设计包括两个等效谐振从理论。本文从外可以用电感和电容忽略阻力。从回应的电感和电容值为两个LC谐振器并行连接到主波发射机。这些集总反应是由相互作用的波传输线上传播。因为这相互作用低,LC谐振器会有共振频率区域由于两个从传输响应低共振演示。更高的反射和更低的传输对第二种设计源于相互交互的增量与电磁波的主要载体,即。、输电线路。这种相互交互的整个传感器系统可以表示为一个传输线等效电路R-L-C-G和两个平行的连接组成的谐振器,包括L-C。

(一)
(一)
(b)
(b)
图4
SRR-based 3理查德·道金斯输电线路的传感器设计(一)及其散射值(b)。

此外,第四设计提出了四个传感层对称模型中,提出了图5(一个)。然而,中央金属补丁会导致不同的反射振幅的两个港口,如图5 (b)。虽然拟议的结构的反射值不够充分,结构的传输值所需的水平。-47分贝的结构有传播价值在4.18 GHz的共振频率。从图可以看出5 (b)应用波从一个端口已传播到另一个高比率的输电线路部分3.5 - -4.5 GHz的频率范围。一个精确的共振频率区域已被观察到在4.18 GHz。的高影响两边开口环谐振器放置的输电线路与高相互交互的传输线谐振频率区域。相互交互很高对所有之前的设计,因为这个设计包括四个等效谐振从理论。本文从放置在左右可以用电感和电容。从回应的电感和电容值4 LC谐振器并行连接到主波发射机。这些集总反应是由相互作用的波传输线上传播。因为这相互作用将会很高和LC谐振器展示一个精确的共振频率区域由于四从传输响应具有较高的共振。高反射和更低的传输对之前的设计源于相互交互的增量与主发射机的EM波,即。、输电线路。除此之外,交叉线也贡献一个额外的阻抗传输线。

(一)
(一)
(b)
(b)
图5
SRR-based 4th输电线路的传感器设计(一)及其散射值(b)。

4所示。提出了传感器的设计和结果

图6(一)显示了传输基于行的检测甲醇浓度传感器结构设计。谐振器的结构由厚度为0.035 mm-nested圆形环。最外层的谐振器有一个0.5毫米宽的狭缝。此外,该谐振器被放置在一个1.6毫米厚FR4-type衬底界面。中间部分的结构已经从衬底界面,发掘和材料传感持有人获得。TEM波长已经应用到行通过连接一个分裂输电线路两端的端口。估计介电常数材料夹在图已定义6 (b)。正如图中所看到的,样品的共振频率与甲醇浓度为20%,40%,60%,80%,和100%取得了2.47 GHz, 2.45 GHz, 2.44 GHz, 2.43 GHz,分别和2.38 GHz。总转移已被观察到的为90 MHz。从这个角度来看,看到设计传感器结构分离甲醇-水混合物的不同组合。

(一)
(一)
(b)
(b)
图6
SRR-based提出输电线路设计(a)和传感器 结果为20%,40%,60%,80%,100%甲醇材料(b)。

的等效电路模型结构如图7。在这个模型中,每个嵌套循环回路必须首先由电阻(R1、R2和R3)和归纳部分(L1, L2, L3)。在那之后,相邻的循环包括并联的参数表示为 和 。外循环有一个额外的电容元件(CSRR),因为它是设计为一个开口环谐振器。样品层的中间圆柱区所示谐振器作为电容( )在等效电路模型如图7。LTR RTR代表电感和电阻部分输电线路。整体模型可以表示为LT, RT,和CT总电感、电阻和电容。


图7
提出了结构的等效电路模型。

从设计的等效电路模型,它认为的唯一因素会影响谐振频率是CT。

的总电容是相邻的循环回路。

当方程(1)检查,可以发现,唯一能改变的部分总电容(CT)的价值 。在本部分中, 代表样品的介电特性放在传感器层,它可以写成

因此,样品介电常数的实部和虚部( )决定了整体价值的总电容传感器的结构。的总电容可以表示为一个函数示例介电常数。

共振频率的计算从等效电路模型可以写成:

所以任何变化源于样本特征传感器层导致共振频移。

第五个设计也被捏造利用LPKF ProtoMat。所有维度和衬底选择相同的模拟传感器的设计。2 - 3之间的测量进行了使用安捷伦VNA GHz。两个输入VNA的连接到这两个港口的传感器设计。液体样品与不同比例的甲醇在戒指放在洞。测量结果如图8。共振是2.35和2.43 GHz左右。共振频率的变化与甲醇比例的增加下降。因此,它可以强调模拟和测量结果有很好的一致性。

(一)
(一)
(b)
(b)
图8
装配式SRR-based提出输电线路(a)和传感器设计 结果为20%,40%,60%,80%,100%甲醇材料(b)。

传感器结构的模拟和测量结果在共振频率列表可以看到在桌子上1。小频移与最大值之间的80 MHz的观察测量和模拟,但频率变化20%甲醇、100%甲醇病例是90 MHz和80兆赫模拟和测量结果,分别。频率和传输值( )差异来自传感器的制造误差,校正错误,连接端口损失和电缆损失。

表1
对比模拟和测量结果的共振频率为每一个比例的甲醇。

此外,水的介电常数的实部是相关的频率范围约80。这意味着其介电常数是最高的水域包括甲醇。添加甲醇水减少样品的介电常数测试下,可以看到图1。乙醇比水的增加导致频移向下。因此,传输值( )纯水的预期最高频率在2.5 GHz的共鸣。的电场分布提出了传感器已在图9。首先,材料的透射系数已经获得的试样夹部分填满空气。在图中,共振频率大约是4 GHz的透射系数是0.3级。这是看到一小部分的能量传播从端口1到端口2。这证明了透射系数的大小图所示。除了这些,它已经看到电场通常集中在谐振器。结构的电场分布描述了4 GHz的共振频率。应用电磁波的电场分量已经传播到环高比率。SRR周围的电场有局部的,尤其是在左边SRR的一部分。正确的SRR的一部分也共鸣的左边部分,和本地化的电场被观察到在正确的部分,但流动的电场减少对下一个港口(右侧)。 Hence, the transmission of power also reduces at the same frequency value.

(一)
(一)
(b)
(b)
图9
- - - - - -参数(a)和电场分布的特点提出SRR-based传输线传感器(b)。

每个传感器的反应证实了表2。表2包括谐振频率、谐振传输级、带宽、 因素,和大厅的传感器设计。自共振传输级一直被认为超过-10 dB,前三个传感器的设计没有考虑甲醇检测。第四和第五传感器设计有足够的传输大小值-47分贝和-35分贝的共振频率,分别。而 第四传感器设计的因素是非常高的第五个设计,第五个传感器设计被选中来检测甲醇比例在水中由于只有一个大厅。

表2
设计传感器的响应比较。

提出了传感器的比较与研究文献中描述表3。液体的介电特性已经意识到通过使用微波传感器组成的CSRR (33]。设计了传感器的谐振频率大约是2.325 GHz的带宽150 MHz。共振转移已经观察到大约50 MHz。虽然制造成本低,灵敏度和带宽低于建议的设计研究中。液体化学检测一直还研究了通过使用一个metamaterial-based传感器(34]。在这项研究中,共振频率、带宽和共振转移已被证明在10 GHz 1.5 GHz,分别和200 MHz。本研究的缺点是非常高的共振频率,可以影响任何周长的变化和结果异常的变化。表征和食用油掺假检测已经完成了利用微波传感器(25]。在这项研究中,共振频率、带宽和共振转移5.25 GHz, 180 MHz和200 MHz。制造过程是基于PCB铣。微波传感器的大小 ,而传感器的共振转移较高。但是带宽约1/3的设计传感器在我们的研究中。液体介电常数较低的感应已经被利用进行metamaterial-inspired微流体传感器(35]。传感器尺寸非常低( )。共振频率被选为10.5 GHz。传感器的缺点是高成本、低带宽(120 MHz),和低共振转移(60 MHz)。根据表3和液体传感器的特点,提出了传感器在我们的研究中是一个很好的候选人来检测液体介电常数的变化特征。

表3
比较与先前的作品。

因此,强烈的提出研究可以概括为它的最大带宽范围/工作频率比其他研究比较表3。选择的频率(2.45 GHz)是一种最适当的一个由于传统可用范围。研究中所选择的工作频率(33也是类似的提议,但传感系统的大小在这项研究是低于传感器(33]。旁边,由于较高的波长,该研究将少受影响的研究(25,34,35]。

5。结论

在这项研究中,传感器传输基于行的歧视提出了甲醇浓度的混合物。四个不同的SRR集成传输线在ISM波段传感器设计和调查。之后,最后的传感器结构开发高共振转移传播( )在2.45 GHz中心频率特征。水的介电常数的值包括不同比例的甲醇1 GHz-5 GHz频率范围的确定。可以看出介电常数足够不同来确定甲醇的比例在水中通过设计一个微波传感器。该传感器提供了480 MHz带宽,90 MHz共振频移,小尺寸,容易和廉价的制造性能。因此,该传感器可以利用快速量化的甲醇等发酵食品和饮料酒。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。