一种新型射频传感器技术领域
本发明涉及微波频率下物质参数变化的测量技术，特别是一种微波频率下测量介
电常数变化的高灵敏度的射频传感器。
背景技术
物质介电常数的变化是反映电磁波在不同物质中传输特性变化的重要参数。目前
微波频率下的介质参数变化的测量扩展到了许多领域，如细胞分子学、电磁兼容及微波化
学等，并取得了巨大的经济效益。如在细胞分子学领域的单细胞特性，双层脂膜等都是通过
介质电参数的变化进行研究的。物质的介电常数变化的测量方法主要有传输/反射法、自由
空间法、谐振腔法等，其基本思路是通过不同的测试器件对被测物质的散射参数进行测量，
再结合算法完成介电常数的提取。在众多的测试方法中，传输/反射法应用最广，但是在测
量介电常数变化（尤其是微弱变化）方面存在一定的局限性，这些局限性表现在传输线自身
的背景噪声容易将变化的测试信息淹没。为提高介电常数变化的测试灵敏度，新的研究思
路不断被提出，其中典型的代表是采取相消型传感器，即采取幅度相同，相位相反的两路信
号相消的理念设计射频传感器，通过传感器上两支路自身信号相消，以实现高灵敏度测量。
文献名为“A simple, tunable, and highly sensitive radio-frequency sensor”曾基
于该思想提出宽带测试技术，但无法集成，更无法构造未来的微型分析仪。
发明内容
本发明为了克服传统的介电常数变化测量中灵敏度低的缺陷和不足，提供了一种
结构简单、使用方便的新型相消型的射频传感器。
本发明的技术方案是，一种新型射频传感器，该传感器是在单面覆铜板上刻蚀构
成的，其特征在于，选取两个相同的3dB的180度反相的威尔金森个功分器，一条倒U型槽线，
一个180度反相巴伦构成传感器的基本结构。具体地，将倒U型槽线及180度反相巴伦的端口
分别于两个相同的180度反向功分器的输出端口相连，因此，整个传感器为两端口网络，倒U
型槽线及180度反相巴伦分别组成了传感器的两条支路，我们称为参考支路与测量支路。理
想情况下，当传感器空载即两条支路都不放置任何物质时，两条支路的信号刚好能够完全
抵消，即传感器的传输参数为0，因此整个装置的自身的背景信号被消除。当两支路放上介
电常数有微小差异的物质时，相当于在传感器上加载了不连续性结构，这些不连续性结构
将影响传感器两端口散射参数。本发明正是通过测试传感器的两端口散射参数的变化(包
括幅度变化和相位变化)来反映两支路被测物质介电常数的变化情况的。
为实现上述目的，本发明特采用以下技术措施构成的技术方案。上述所述的传感
器采用单面覆铜板，其中3分贝威尔金森180度反相功分器由槽线及不对称共面带线组成，
180度反相巴伦由共面波导、扇形辐射面及槽线构成。
本发明提供的新型结构的射频传感器，其用于测量物质的介电常数变化具有明显
的优势：可用于测量块状固体、粉末及液体的电参数的变化；对被测材料需求很少；具有较
高的灵敏度、较宽的测试带宽，可敏感感知介电常数的微弱变化；且具有在线、实时测量的
特点。本发明设计的传感器都采用了镀金处理，因此也可用于腐蚀性化学溶液的测试，具有
广泛的实用性。
附图说明；
图1是本发明的结构示意图，
图2 槽线及不对称共面带线结构示意图，
图3 是空载情况下传感器的散射参数示意图，
图4 是两支路上介电常数的实部变化量为3时的散射参数示意图，
图5 是两支路上介电常数的虚部变化量为0.3时的散射参数示意图，
图6两支路上放置去离子水及0.05%摩尔浓度的酒精溶液时测试的散射参数示意图，
图7是两支路上介电常数的实部变化量为3虚部变化量为0.02时的散射参数示意图。
具体实施方式：
结合以上附图详细描述实施例，
一种新型射频传感器，它包括单面覆铜介质板1，其上刻蚀有传感器的两个端口2，180
度共面波导-槽线背靠背反相巴伦的扇形辐射面3，180度反相功分器的隔离电阻4，180度共
面波导-槽线背靠背反相巴伦5，180度反相功分器的输出部分7，倒U型槽线8以及各不连续
部分焊接的引线6。从图1可以看出两个相同的180度反相功分器的输出部分7分别倒U型槽
线8和180度反相巴伦5相连，两个功分器（合成器）的输入端口（合成端口）也为整个传感器
的输入输出端口。180度反相功分器端口由槽线组成即图1中2、7部分，λ/4部分即图1中的10
由不对称共面带线组成。这两种传输线的结构图如图2所示，其中（a）为槽线的结构图，（b）
为不对称共面带线的结构图，图中1为单面覆铜板的介质，2为介质板的17um的覆铜。测试
时，将两个端口即图1所示的2与矢量网络分析仪的两个端口相连，将测试物质放置于图1所
示的8和9部分，通过分析空载及负载情况下传感器两端口的散射参数的变化来反映8和9部
分放置的物质参数的变化情况。
本实施例用有限元（FEM）数值方法对整个测量系统进行模拟。按照实际尺寸建造
如图1所示的测量系统模型结构，首先仿真出空载（图1的8和9部分不放置任何物质）情况下
测量系统的电场分布及散射参数，如图3所示。从图3中可以看出，，的频
带为3GHz-4.8GHz,在3.8GHz-4.8GHz的频带范围内，在4.1GHz处，传感器的传
输系数低至-48GHz因此，在3.8GHz-4.8GHz范围内，空载情况下传感器的传输系数很低，
即传感器的背景噪声非常小。当如图1所示的传感器的8或9放上物质时，相当于在传感器上
加入了不连续性结构，这种不连续性结构将大大影响，这种变化不但表现在散射参
数的幅度上也表现在相位上。本发明正是通过上述微波传输原理测试物质介电常数变化
的。
具体地，将介电常数虚部为0，实部差别为3物质分别放在如图1所示的8和9部分，
采用FEM数值方法计算传感器两端口散射参数的变化，结果如图4所示。从图中可以看出，相
较于空载情况下，负载情况下传感器的两端口散射参数变化很大。同样地，将介电常数实部
相同，虚部差别为0.02的物质分别放于图1所示的8和9部分，采用FEM数值方法计算出传感
器端口散射参数的变化，结果如图5所示。对比图3、4及5，负载情况下传感器两端口散射参
数变化很大，且与两支路上放置的物质的介电常数实部的差异相比，其虚部的差异引起的
反射系数变化更大。本发明依据空载及负载情况下散射参数的变化反映两支路上被测
物质介电常数的变化的。
将传感器的两个端口如图1中2所示的部分与矢量网络分析仪相连，并在图1中8和
9的部分用导电胶粘贴直径为3mm，长度为10mm的带底塑料管。然后在两个塑料管中分别盛
放去离子水及摩尔浓度为0.05%、1%的酒精溶液，其测试结果如图6所示。且在实验过程中研
究得知本发明提出的传感器能够测试介电常数的变化约为1.7%
负载情况下，传感器两端口散射参数的变化主要描述如下：幅度的变化表现在传输系
数及反射系数大小的增加，相位的变化主要表现在传输系数谐振点的频率偏移，在相同
的测试条件下，传输系数相位的变化反映了传感器灵敏度的高低，本发明提出的传感器
（sensor）与共面波导传输线（CPW）在测试介电常数变化方面的灵敏度的比较结果如图7所
示。具体实施方式为将两种相同的被测材料分别放置于传感器的两个塑料管及共面波导传
输线的两条缝隙中,所选取的两种材料分别为去离子水和不同浓度的乙醇溶液，由于不同
浓度的乙醇溶液具有不同的介电常数,因此在实验过程中，相当于测试具有不同介电常数
变化的信息,从图7可以看出，本发明提出的传感器在测量介电常数变化方面比传统的传输
线（CPW）具有更高的灵敏度。因此，本发明设计的传感器，对于介质介电常数发生微弱变化
时，能够更准确的测量出其变化量，从而为更准确地获得介电常数提供了有力的保障。
上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所
属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变
动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而由此所引伸出的显而易见的变化或变
动仍处于本发明创造的保护范围之内。