EBG 結構的天線微流體傳感器

趙文生， 張園園， 王大偉， 王 晶

（杭州電子科技大學電子信息學院，杭州 310018）

0 引言

電磁帶隙（Electromagnetic Bandgap，EBG）結構是一種典型的人工電磁材料結構［1-2］。其既可由自然界中的介質材料，也可由有耗介質、金屬導體等其他介質材料按照一定的周期排列形成。結合當前傳感器制造在微波領域成熟的制造工藝，廣大研究學者在EBG結構微帶天線等器件方向開展了廣泛的學術和應用研究［3-5］。

無線系統中的天線用來發射和接收電磁波，而微帶天線具有尺寸小、功耗低、易制作等優點，被廣泛應用于傳感器設計［6-8］。Arif等［9］設計的置于EBG 平面上的三角形天線，該結構制備的傳感器可用來檢測待測液體的介電常數；文獻［10］中利用EBG結構和懸掛微帶傳輸線制作了類似功能的傳感器。隨著納米科技的發展，無線系統正朝著小型化、集成化、多功能化的方向發展，這使得包括天線在內的射頻系統的設計變得越來越困難，同時意味著對天線功能的設計要求也越來越高。

本文基于EBG結構和微帶天線各自的優點，設計一種微流體傳感器結構，希望通過測量傳感器反射系數隨著其諧振頻率的變化實現檢測微流體介電常數的目的。

1 實驗原理與設計

1.1 單元EBG結構設計

EBG結構具有可重構和諧振頻率可調等特點，因此人工制造的EBG 結構可按照需求定制以滿足指定的工作頻率要求。研究表明，EBG結構的尺寸對測量結果的靈敏度有直接影響［11-13］。

本文設計的EBG結構如圖1 所示。其中，EBG結構的襯底材料為FR4，其相對介電常數為4.4，損耗正切值為0.02，形狀為半徑34 mm、高2 mm 的圓柱形；襯底表面有一層金屬，厚度為35 μm，半徑為26 mm，金屬表面刻有寬度為1 mm 的十字形溝槽，溝槽中間保持連通。溝槽的存在阻礙了表面波的傳播，進而改變單元EBG結構的反射相位［14］。

圖1 EBG結構示意圖

為研究EBG結構表面溝槽的深度對EBG結構反射相位的影響，從EBG結構表面十字溝槽直接向下刻蝕襯底，單元EBG結構的反射相位隨表面溝槽向下刻蝕襯底深度h之間的響應結果如圖2 所示。由圖可知，所選取的6 種溝槽深度條件下，EBG 結構在零相位處的諧振頻率分別為2.589、2.625、2.646、2.656、2.667 和2.675 GHz。隨著溝槽深度的增加，EBG 結構的諧振頻率逐漸增大。

圖2 EBG結構的反射相位與表面溝槽深度的關系

1.2 天線結構設計

根據溝槽深度與諧振頻率間的對應關系，本文設計了一款工作頻率在2 ～3 GHz之間的超寬帶微帶天線，如圖3 所示。超寬帶微帶天線采用橢圓形結構［見圖3（a）］，在ANSYS HFSS19.0 軟件中根據天線反射系數S11隨天線尺寸變化的特點，選取S11參數特征頻率在2 ～3 GHz之間的結構為最終優化結構，優化后得到的超寬帶微天線結構參數為：橢圓形面積為40 mm×20 mm；基板厚度為1 mm；r1＝9 mm；r2＝18 mm；r3＝12 mm；w1＝2.5 mm；l＝21.5 mm。按照上述尺寸實驗加工實物見圖3（b）所示。

圖3 超寬帶微天線

圖4所示為天線測試圖，實驗測得該結構的實際工作頻率在2.4 GHz左右，滿足工作需求。

1.3 基于EBG結構的天線微流體傳感器設計

設計的天線微流體傳感器結構示意圖，如圖5 所示。中間深灰色區域代表EBG 結構；FR4 為襯底，其中紅色區域指EBG 結構表面十字溝槽向下刻蝕襯底的深度；超寬帶微帶天線放置在EBG結構上方的中心位置即紅色區域正上方；EBG結構與超寬帶微帶天線之間夾有一層厚度t＝5 mm 的矩形聚苯乙烯泡沫（Foam，介電常數為1），上下兩邊貼有雙面膠，分別與天線及EBG結構的四角粘貼在一起，起到固定超寬帶微帶天線的作用。EBG結構諧振頻率為2.68 GHz，與天線阻抗匹配良好。流體通道指刻蝕EBG 結構表面十字花紋直至襯底形成的溝槽，即紅色區域，溝槽的寬度w和高度h均為1 mm。傳感器各部分其他尺寸參數與前面一致。

圖5 天線微流體傳感器結構示意圖

2 實驗結果與分析

2.1 仿真計算結果

根據文獻［15］可知4 種待測液體甲醇、乙醇、丙醇、丁醇樣品在20 ℃時對應的介電常數分別為21.3、6.57、3.80、3.57，空氣的介電常數為1。

在ANSYS HFSS19.0 軟件中通過設置以上4 種待測液體樣品仿真參數，模擬流經傳感器時其S11參數對頻率的響應，仿真過程中，結構邊界采用輻射邊界條件，結果如圖6 所示。由圖6 可知，4 種液體甲醇、乙醇、丙醇和丁醇仿真模擬所對應的諧振頻率分別為2.588、2.568、2.472 和2.22 GHz。傳感器的諧振頻率隨著液體樣品介電常數的變化而變化，待測液體介電常數越大，傳感器諧振頻率與其自身諧振頻率（流體通道內充滿空氣的情況）相比左移越顯著。

圖6 仿真條件下4種不同液體流經傳感器時，其傳輸系數對頻率的變化

2.2 實驗驗證

由仿真結果選取甲醇和乙醇2 種介電常數相對較大、頻偏明顯的液體進行實驗驗證，實驗裝置如圖5 所示。頂層天線的實物見圖3（b），中間深灰色為EBG結構［見圖1（c）］。

室溫下，用針管在EBG溝槽內分別注入甲醇和乙醇待測液體，液體樣品注射過程中始終保持較小的壓力避免液體樣品會噴灑到EBG 結構的表面。溝槽注滿液體后，用矢量網絡分析儀測量天線S11參數隨頻率的變化，結果如圖7 所示（圖中加入了仿真結果用于與實驗結果進行比對）。對于同一種待測液體，實驗測量和仿真計算得到的S11參數雖然在強度上稍有差異，但S11參數峰值對應的頻率位置幾乎一致。諧振峰的頻率位置反映了傳感器的特征，強度僅代表了諧振的強弱。由圖7 說明實驗和理論結果一致，液體流經傳感器時引起傳感器諧振頻率偏移且液體介電常數越大，頻率左偏移越顯著。因此通過傳感器諧振頻率偏移的大小可以檢測待測液體的介電常數。

圖7 甲醇和乙醇流經傳感器時，其傳輸系數對頻率變化的實驗測試與仿真計算對比

2.3 靈敏度分析

傳感器靈敏度的計算式［2］為

式中：f0為EBG結構的溝槽中充滿空氣時傳感器的諧振頻率；fr為溝槽內通過待測液體時傳感器的諧振頻率；Δε為介電常數的變化。根據式（1）可計算本文設計的天線微流體傳感器S＝18%。

3 結語

本文提出了一種新的基于EBG 結構的天線微流體傳感器結構。經仿真模擬和實驗測試表明：二者結果一致；通過觀察微帶天線反射系數與傳感器諧振頻率間的數值變化關系可以確定傳感器溝道內通過液體的介電常數。經過頻偏和靈敏度分析，發現與同類型傳感器相比：①本文設計的EBG 結構、微帶天線較其他已知結果尺寸小；②同樣甲醇液體的測試，本文傳感器諧振頻率偏移更大，靈敏度更高。

本文設計的微流體傳感器可作為《電路與電子線路》的課程實例，并通過讓學生對傳感器進行等效電路建模、電路分析，實現教研結合。