5G頻段下材料無損檢測傳感裝置設計

王 韌, 孫浩然, 敬守釗, 樊 勇

(1.電子科技大學電子科學與工程學院,四川 成都 610071;2.成都信息工程大學電子工程學院,四川 成都 610225)

0 引言

隨著微波毫米波和5G通信技術的不斷發展,人們研制出各種基于PCB工藝制作的印刷微帶電路、天線等射頻器件[1-2]。其中微波電路中介質材料的介電特性對該電路的頻率響應影響較大。這使得準確測量介質的相對介電系數變得愈發重要。常用的介電常數測量方法主要分為自由空間方法、傳輸/反射方法和諧振腔方法[3-6]。自由空間方法的原理是測量樣本構成天線系統的遠場,并由此求出介電常數。這種方法需要待測樣本具有很大的截面以減小色散影響。傳輸/反射方法通過將樣本放置在傳輸線的一部分(例如波導、同軸線)內,通過測量系統的反射和透射系數確定材料的復介電系數。不足之處是對于低損耗物質,該方法準確性較低。諧振法可以分為傳統的波導型諧振器和基于傳輸線的平面諧振器。而基于平面微帶線的諧振技術由于成本低、重量輕、易于制造等優點,近年來國內外研究較多。如使用單個諧振單元(例如開口諧振環、互補SRR或叉指式電容單元)等結構提高平面型諧振傳感器測量精度[7-14]。Kiani等[7-11]針對磁性材料,提出了基于SRR結構的微波測量電路,Mrozowski等[12-14]提出基于微帶結構的CSRR傳感器,用于微弱介電變化的精度測量,測量誤差最大為2.14%;Alahnomi等[15-16]總結了近年來微波無損檢測裝置的典型裝置,并指出基于叉指式電容單元等結構的微波傳感器具有非常良好的應用前景。為進一步抑制雜波信號干擾并提高測量靈敏度,文中提出了一種新型微帶型射頻電路,該電路包括一對交指電容(IDC)和互補諧振環(CSRR)。對該電路進一步加工并對標準樣品如 PVC、FR4等材料測試發現:測量樣品的介電特性與已發表文獻結果非常接近,最終證明了該方法的準確性和可行性。

本文設計了一種工作在5G頻段下的高靈敏度材料無損檢測傳感裝置,該傳感裝置基于微帶型射頻電路和矢量網絡分析儀。其中核心射頻電路包括一對T型結功分器、一對交指電容(IDC)和互補諧振環(CSRR)。通過對該傳感裝置進行加工測試,并結合參考材料進行實時無損檢測,進一步分析了測量數據和參考值以及傳感器結構中關鍵參數對傳感系統測量性能的影響。

1 傳感器結構與仿真性能分析

1.1 電路工作原理

對稱型測量電路結構如圖1所示。每條微帶線上平面上加載一對IDC單元,而CSRR單元則蝕刻在背部接地面。交指電容可以等效為磁偶極子,而CSRR可等效為電偶極子,電磁偶極子的適當排布可形成場強集中區,兩端口和T形結之間通過加載35.35Ω阻抗變換線實現匹配。

圖1 射頻傳感電路結構圖

根據諧振理論考慮對稱結構的一般情況,包括IDC單元和矩形CSRR。設計電路的集總元件模型如圖2和圖3所示。其工作原理基于微擾理論,中心頻率和等效電感電容如式(1)～(4)。其中Lu(Ld)和Cu(Cd)分別代表上(下)并聯支路中微帶線的總電感和電容。諧振單元CSRR等效為LCu-CCu。IDC的等效串聯電容由Cui(Cdi)表示。在這種情況下,由IDC和CSRR引入的等效串聯電容可以用作電磁場敏感區域,實現更高的靈敏度。基于CSRR的射頻電路諧振頻率和品質因數可分別由式(1)～(4)給出。

圖2 射頻傳感電路等效電路圖

圖3 射頻傳感電路測量區域結構圖

引入待測材料后,電路諧振頻率和品質因數都將是材料介電常數的函數,表示為式(5)。當待測介質覆蓋在測量裝置敏感區域時,由式(1)～(3)可知,電路的諧振頻率和品質因數會隨著變化,再用相關理論推導或仿真模擬即得到待測介質的介電常數。基于以上電路分析,該對稱性射頻電路選用 R5880(εr=2.20,h=1 mm)最終設計的電路模型參數為:l1=1.1 mm,l2=2.0 mm,S1=1.1 mm,S2=0.2 mm,a=0.2 mm,b=0.1 mm,d=3.5 mm,g=0.2 mm,W1=2.6 mm,L1=20.8 mm,L2=8.2 mm。

綜上表明,所設計射頻傳感器的諧振特性由帶測量材料的復介電常數決定。當無負載時(如當測量區域中沒有引入材料時),阻帶諧振器是對稱的。當待測材料放置在一個傳輸線段的測量區域時,電路的對稱性被破壞,從而影響所提出的傳感器的諧振頻率和傳輸系數的大小。因此,叉指電容器單元和CSRR的電容變化通常取決于待測材料復介電常數的變化。可以根據以上工作原理進行電路散射參數測量并推導出試樣的復介電常數。

1.2 實物制作與測量

基于以上設計的模型尺寸,測量裝置制作在介電常數為2.2、厚度為1.0 mm的Rogers板材上,如圖4所示。該射頻傳感電路選用R5880(εr=2.20,h=1 mm)最終設計的電路模型參數為:l1=1.1 mm,l2=2.0 mm,S1=1.1 mm,S2=0.2 mm,a=0.2 mm,b=0.1 mm,d=3.5 mm,g=0.2 mm,W1=2.6 mm,L1=20.8 mm,L2=8.2 mm。

圖4 射頻傳感電路測量實物圖

實驗測量系統主要由對稱性射頻電路、微波電纜、矢量網絡分析儀組成(Rohde&Schwarz ZVB20),為保證測量結果一致性和準確性,所有待測樣品均放置于室溫20.0℃、相對濕度為32.5%的恒溫實驗室48 h以上,同時測試環境保持同樣的溫濕度。具體實驗裝置如圖5所示。

圖5 對稱電路加工實物及實驗系統照

實驗過程使用矢網記錄S21的諧振頻率和幅度數據的相對變化。圖4顯示樣品材料的介電常數變化時反射系數的變化。選用標準樣品 PVC、玻璃環氧樹脂、FR4等材料進行實驗測量。采用基于人工神經網絡的介電常數反演算法對從實測數據中提取的諧振頻率和幅度衰減進行處理,可以得到不同測量樣品的等效復介電常數,具體結果如表1所示。

表1 不同方法測量的介電常數對比[8]

2 實驗結果分析

圖6顯示了電路反射系數隨不同的樣品材料的變化,每次測量至少重復5次,檢查被測數據點的方差并取平均值。測試結果顯示:增加樣品介電常數會降低電路諧振點的工作頻率。對比表1中的數據可以看出,測量裝置測量3種介質材料的介電常數值與已發表文獻的測量值基本吻合,測量裝置的相對測量精度在4.6%左右。誤差來源主要為在電路加工制作過程中粗糙的焊接,介質板介電常數偏差及測量裝置與待測介質中間存在空氣縫隙等。

圖6 不同標準樣品的S參數測試結果

3 結束語

本文介紹了一種基于射頻電路的材料無損傷檢測方法和測量裝置,該電路通過引入對稱型分支線功分器、一對交指電容(IDC)及互補諧振環(CSRR)建立了電場敏感區,進一步提高了電路的測量靈敏度。并設計了一款諧振頻率在5G頻段的傳感器實物和測量裝置。通過測量標準介質基片發現,測量樣品的介電特性與已有文獻結果相吻合,證明了該裝置的準確性和可行性,為5G頻段下材料的無損檢測提供更廣泛的測試方案。