基于基片集成波導的濕度傳感器設計*

劉 勇，陳昌明，高 睿

(成都信息工程大學 通信工程學院，四川 成都 610225)

0 引 言

基片集成波導(substrate integrated waveguide，SIW)具有較高的品質因數、損耗小、體積小、重量輕、易于加工和集成的優點，廣泛應用于微波及毫米波電路中[1]。與傳統電容傳感器(capacitive sensor)、傳輸線(transmission-line)傳感器或時域反射儀(time domain reflectonmetry，TDR)傳感器等的工作原理不同，基片集成波導諧振式傳感器測量方法基于含水量變化引起介電常數變化和諧振頻率變化之間的關系——對于不同的含水量環境，基片集成波導諧振器在不同的諧振頻率上工作。因此,通過測量諧振器的諧振頻率或者在諧振點的信號幅度即可得到相應的含水量數據。這種設計為射頻環境監測提供了新的制作方法，并且極大地簡化和降低了傳感器的加工過程和成本。

1 基片集成波導分析

基片集成波導將傳統波導結構集成在基片中，是一種介質填充波導結構。其結構如圖1所示。

圖1 基片集成波導結構

基片集成波導的最低工作頻率(或截止頻率)由2排金屬化通孔的間距w決定。利用邊界積分諧振模式展開[2](boundary integral-resonant mode expansion，BI-RME)方法和Floquet定理相結合的方法，對結構中d和w與TE10模的截止頻率之間關系進行研究。得到了截止頻率計算結果

(1)

式中c0為自由空間中的光速。

在散射特性方面，基片集成波導和普通金屬矩陣波導有相同的特性，則可以將其與普通金屬波導等效。基片集成波導的等效寬度介于w和w-d之間。由式(1)可以推導出其等效寬度為

(2)

式(2)需要金屬化通孔間距足夠小，計算結果近似程度才很好。事實上，Weff主要由3個參數決定，即w,p和d。研究表明：d越小，誤差越小。如果考慮等效寬度中d/w對其的影響，可以應用精確的等效寬度

(3)

當滿足p/d<3，d/w<1/5時，式(3)具有較高的精度。

用敏感介質構建SIW諧振腔意味著用不同的電介材料改變原始的基質，易導致頻率偏移或者品質因數的改變，可利用空腔微擾法分析敏感區的頻率偏移。SIW的諧振頻率為

(4)

2 SIW諧振器設計

選用Rogers RO4003基板，介電常數ετ=3.55，厚度h=1.524 mm。利用BI-RME方法和Floquet定理確定d=0.4 mm，p=1.5 mm。為了較好地調節饋電微電的長度實現諧振腔體的激勵和耦合，SIW腔體采用凹槽過渡。這種激勵易于調節，插入損耗小，較諧振腔體的感性窗口耦合易于實現。其結構如圖2。其中,t=1.74 mm，s=0.37 mm，lc=9.7 mm，w50=3mm，l1=l2=3 mm，w1=0.8 mm，w2=1 mm。

圖2 諧振器結構

為了研究敏感區大小的影響，設計了兩種結構相同,大小不同的諧振器。為了增加濕度對諧振頻率的影響SIW2具有大的敏感區。其加工實物如圖3。

圖3 諧振器實物

3 測試結果分析

利用基于有限元法的高頻仿真軟件(high frequency simulation softwave，HFSS)仿真設計并采用安捷倫N5244A矢量網絡分析儀進行測試。SIW1和SIW2的仿真和測試結果如圖4所示。其測試環境如圖5所示。

圖4 SIW1和SIW2的仿真和測試

圖5 諧振器測試環境

由圖4中可以看出，由于敏感區域的影響，同等的濕度環境，實際測試的SIW2的信號幅度的絕對值較SIW1高1.897 dB。SIW2的各濕度的信號幅度測試結果如圖6所示。

圖6 SIW2在各濕度的信號幅度

SIW諧振器測試靈敏度S表達式[3]為

(5)

式中 Δf為頻率偏移量；Δ%RH為相應的濕度變化量。任何小的濕度變化均會引起介電常數的改變，介電常數的變化導致頻率偏移。SIW2在55 %RH存在最大2.25 MHz頻偏，該諧振器靈敏度為46.51 kHz/RH；在同樣的測試環境下測試SIW1，其在55 %RH的濕度下頻偏為0.1 MHz，靈敏度為13.37 kHz/RH,如圖7和圖8所示。

圖7 SIW1諧振頻率和頻率偏移

圖8 SIW2諧振頻率和頻率偏移

SIW2的靈敏度高于SIW1的靈敏度，主要是因為SIW2的敏感區域比SIW1的敏感區域大，和空氣中的濕度的相互接觸作用的區域更大，對介電常數的影響更明顯。通過擾動模型分析2個SIW諧振器相對濕度影響的頻率偏移大致呈線性。表1列出了設計的傳感器結構的性能與其他微波元件的比較結果。

表1 本文與部分文獻指標對比

4 結束語

設計的傳感器未使用敏感材料，達到的濕度范圍為11 %～97 %RH。基片集成波導濕度傳感性能取決于介電常數的改變，介電常數的變化取決于敏感區域的大小和濕度的大小。本文設計SIW1的敏感度為13.37 kHz/RH，SIW2為46.51 kHz/RH。兩個諧振器的頻率偏移大致呈線性，諧振頻率和濕度形成對應關系。同時，信號幅度的變化和濕度也有一定的對應關系。實驗結果表明：研究達到了預期的效果，具有較好的測量效果。

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