提出了一種測(cè)量介電常數(shù)微弱變化的新型傳感器。該傳感器利用幅度相同、相位相反的兩路信號(hào)的相互抵消作用，來消除背景噪聲，達(dá)到提高靈敏度的作用。此裝置主要包括兩個(gè)相同的威爾金森功分器、一個(gè)同相巴倫和一個(gè)180°反相巴倫。通過對(duì)去離子水與不同濃度乙醇溶液之間介電常數(shù)的差異的測(cè)量可知，該傳感器能夠探測(cè)到的介電常數(shù)的最小絕對(duì)變化和相對(duì)變化分別為1. 68% 和2. 07% ，與微波濕度傳感器相比，所提出的傳感器的靈敏度更高。

引言

　　測(cè)量介電常數(shù)微小變化的技術(shù)在很多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用: 比如在細(xì)胞研究，電磁兼容等方面。介電光譜學(xué)即測(cè)量介電常數(shù)及其微小變化的方法有著很多優(yōu)勢(shì)，像便于大量生產(chǎn)，易于與其電它電路集成等。現(xiàn)有的微波介電常數(shù)測(cè)試方法主要有傳輸法、反射法、自由空間輻射法和諧振腔法等。在這些方法中，傳輸線是一種重要的高頻測(cè)量結(jié)構(gòu)。然而，該測(cè)量方法由于傳輸線的背景噪聲大而使測(cè)量靈敏度受限，通常情況下，這種背景噪聲很強(qiáng)而無法忽略。鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一種新型傳感器，該傳感器利用片上相消技術(shù)來提高測(cè)量靈敏度。

1、寄生效應(yīng)的片上相消原理

　　1.1、傳感器的原理圖

　　圖1 是我們提出的靈敏傳感器的原理圖，可以看出該傳感器由兩個(gè)相同的威爾金森功分器和兩條支路組成。一條支路( 用來放置測(cè)量物) 通過一個(gè)同相的共面波導(dǎo)- 槽線背靠背巴倫，另一條支路( 用來放置參考物) 通過一個(gè)180°反相的共面波導(dǎo)- 槽線背靠背巴。信號(hào)由端口1 輸入，然后由功分器將輸入信號(hào)平均分配到兩條支路上。最后，兩路信號(hào)同時(shí)到達(dá)第二個(gè)威爾金森功分器并由端口2 輸出。

圖1 提出的靈敏傳感器原理圖及各部分長(zhǎng)度

4、影響測(cè)量精度的因素分析

　　對(duì)稱性是影響測(cè)量精度的最重要的因素，該裝置中造成結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱的因素如下: 共面波導(dǎo)- 槽線背靠背180°反相巴倫與同相巴倫的不完全對(duì)稱性; 參考區(qū)與測(cè)量區(qū)粘貼的塑料管是手動(dòng)操作的，這就難免會(huì)由于定位不準(zhǔn)影響整個(gè)裝置的對(duì)稱性。其它影響測(cè)試靈敏度的因素有測(cè)量塑料管與參考塑料管的長(zhǎng)度(半徑) 與高度h。圖5 所示為管道的半徑不變，高度h 發(fā)生變化時(shí)，相同的介電常數(shù)ε'引起的頻率的偏移(fm) 情況。從圖5 可以看出，隨著測(cè)量溶液高度的增加，頻率的偏移量也在增加，但是當(dāng)高度h 高于56μm 時(shí)，對(duì)測(cè)量結(jié)果已無影響，因?yàn)閔=64μm 與h=56μm 兩條曲線已經(jīng)重合。

圖5 不同高度h 下，相同的介電常數(shù)變化引起的頻偏

5、結(jié)論

　　綜上可知，本文提出了一個(gè)測(cè)量介電常數(shù)微小變化的高靈敏度傳感器，該傳感器利用幅度相同，相位相反的兩路信號(hào)的相消作用來提高靈敏度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該傳感器能夠探測(cè)的介電常數(shù)的最小絕對(duì)變化為1.68，與微波濕度傳感器相比，本文提出的方法測(cè)試靈敏度更高。后期工作包括測(cè)量數(shù)據(jù)的處理及拓展測(cè)試帶寬。