一种基于CMRC结构的便携式材料介电常数测量系统技术方案

本发明专利技术公开一种基于CMRC结构的便携式材料介电常数测量系统。该系统由一连接CMRC谐振腔的负阻式压控振荡器VCO和锁相环电路PLL组成构成。CMRC作为一个平面紧凑型的电路结构，通过在上面放置待测介质来改变其谐振频率，进而改变该VCO的振荡频率。最后通过PLL将振荡频率的变化转化为电压的变化，从而可以方便地测量出待测材料的介电常数。几种已知介电常数的介质材料块用来作为校准元件，提取介电常数与VCO输出控制电压的关系。相对于现有的技术，本发明专利技术在测量过程中避开了矢量网络分析仪的使用，大大降低了测试成本。

【技术实现步骤摘要】
一种基于CMRC结构的便携式材料介电常数测量系统
本专利技术属于微波毫米波电路和智能传感
，提出了一种脱离矢量网络分析仪依赖的便携式介电常数测量系统。
技术介绍
在工程领域，介电常数是材料特性的一个重要表征，其往往能够为我们提供许多有价值的信息。因此精准的介电常数测量也带来了许多广泛的应用，如：食品质量检测、生物材料检测、血糖检测等。其中，基于微波技术的介质检测方法如谐振腔微扰法，由于其特有的非接触和无损特性，在近年来受到越来越多的关注。传统的谐振腔微扰法通过测量介电材料放入谐振腔前后造成谐振频率的变化来测量介电常数，由于其简便和准确性，成为学术和工业上最常用的方法之一。通常情况下，为了测量结果更加精确，该方法往往需要使用高品质因数的谐振器。传统的金属波导结构在满足高品质要求外，却存在体积大、难以集成的缺点。后来为了克服上述缺陷，提出使用平面型谐振器如开口环谐振器SRR，互补性开口环谐振器CSRR。但是，对于SRR结构，由于其激励较为困难，因此降低了其测量灵敏度。CSRR由于是一种典型的缺陷地结构，与常规电路形式存在兼容性问题，也限制了其进一步应用。紧凑微带谐振器CMRC是一种电子带隙结构单元，已经广泛应用于滤波器，天线，混频器等设计中。本专利技术首次将其应用于介电常数测量，能够极大的增强测量灵敏度。此外，现有谐振腔微扰法是通过测量出在不同介电常数介质存在下谐振频率的变化来测量介电常数的。对于谐振频率的测量必须需要体积庞大、价格昂贵的矢量网络分析仪去完成。但是矢量网络分析仪造成使用不便，成本过高，故而迫切需要摆脱其使用。上述几个方面成为制约谐振腔微扰法广泛应用的重要因素。因此，有关介电常数测量的便携式自持系统已经成为近年来学术和工业界的研究热点。如何快速，准确地测量材料的介电常数并有效的将其误差控制在一定范围内，对于工业检测，科学研究都有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有测量技术中的缺陷，设计了一种基于紧凑型微带谐振单元CMRC结构的便携式材料介电常数测量系统。该系统包括连接CMRC谐振腔的负阻式压控振荡器VCO和锁相环电路PLL组成。CMRC谐振腔作为锁相环电路PLL中压控振荡器VCO的负载网络；作为优选，压控振荡器VCO为负阻式结构；所述的锁相环电路PLL为公知技术；所述的CMRC谐振器是一种电子带隙结构。通过在一段传统微带线上刻蚀成相应的对称金属层图案，刻蚀之后的裸露介质的槽可以等效为分布电容，刻蚀后剩余金属间隙可以等效为分布电感，从而增大了该谐振元件整体的等效电容和电感，从而可以降低波速，来达到一种低通和慢波效果，其结构简单，平面易于集成，且没有缺陷地，易于激励。工作原理：谐振器作为一种产生谐振频率的无源器件，通过在其内部或上面放置不同介电常数εr的待测介质可以改变其频率响应，这种频率响应的变化造成该VCO相位关系的变化，从而得到不同的振荡频率。PLL作为一种稳定振荡频率的电路，可以通过输出反馈电压将VCO固定在固定频率，从而可以将原始介电常数的变化对应于电压值的改变。因此通过电压表测量出PLL输出控制电压进而可以得到介电常数大小，从而避开了矢量网络分析仪的使用。优选的锁相环PLL电路采用ADI公司芯片构建，该芯片有效集成了小数分频器，鉴相器，电荷泵等多个功能模块。可将VCO谐振频率转变为输出电压变化。相对于现有的技术，本专利技术在测量过程中避开了矢量网络分析仪的使用，大大降低了测试成本。附图说明图1为本专利技术的便携式介电常数测量系统的结构框图。图2为一个典型的CMRC结构单元及其等效电路图，其中(a)为CMRC结构单元，(b)为等效电路图。图3为本专利技术的基于CMRC结构的可调谐振器3D示意图。图4是本专利技术中的CMRC谐振器尺寸示意图。图5为本专利技术中CMRC谐振器在不同介电常数固体存在下的谐振频率仿真图。图6为本专利技术的连接CMRC谐振器的负阻式VCO原理图。图7为本专利技术中在不同反馈电容存在下ΓG的幅度和相位随频率变化的关系，其中(a)为幅度，(b)为相位。图8为本专利技术中不同介电常数造成振荡频率偏移的仿真图。图中：1.介质基板；2.待测介质；3.第一微带线；4.变容二极管Cv；5.第三微带线；6.第二微带线。具体实施方式以下是本专利技术的具体实施例并结合附图，对本专利技术的技术方案作进一步的描述，但本专利技术并不限于这些实施例。参见图1，实施例便携式介电常数测量系统为连接CMRC谐振腔的负阻式VCO构成的PLL电路。CMRC谐振腔由介质基板(1)以及依次连接的第一至第三微带线组成，介质基板下表面铺设金属层作为第一至第三微带线共同的地。第一微带线(3)、第三微带线(5)均为50欧，第二微带线(6)上层开有四个中心对称的槽，该槽裸露介质基板；第二微带线(6)四个槽间留有金属间隙；第一微带线连接VCO，第三微带线开路。第二微带线(6)在中间位置的两侧边(与第一、三微带线不接触侧)各连接有一个变容管Cv(4)，用于调节该CMRC谐振器的等效电容，进而调节其谐振频率。所述的连接CMRC谐振腔的负阻式VCO包括CMRC谐振腔、第四至七微带线、隔直电容C4-C5、反馈电容C6、电感L1、电阻R3、场效应管；CMRC谐振腔的第一微带线接第四微带线的一端，第四微带线的另一端与隔直电容C4的一端连接，隔直电容C4的另一端与第五微带线的一端连接，第五微带线的另一端与场效应管的栅极连接，场效应管的漏极与第六微带线的一端连接，第六微带线的另一端与隔直电容C5的一端连接，隔直电容C5的另一端与第七微带线的一端连接，第七微带线的另一端与电阻R3的一端连接后作为VCO的输出端，电阻R3的另一端接地；场效应管的源极与反馈电容C6的一端、电感L1的一端连接，电感L1的一端接地；PLL电路包括连接CMRC谐振腔的负阻式VCO、ADF4157芯片(集成了分频器，鉴相器和电荷泵等模块)、环路滤波器，其中低通滤波器包括电容C1-C3、电阻R1-R2；连接CMRC谐振腔的负阻式VCO电路的输出端与ADF4157芯片的信号输入引脚连接，ADF4157芯片的信号输出引脚与电容C1的一端、电阻R1的一端、电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端与电容C3的一端连接后作为PLL电路的输出端，电阻R1的另一端与电容C2的一端连接，电容C1的另一端、电容C2的另一端、电容C3的另一端接地；其中PLL电路的输出端接用于测试的电压表。ADF4157芯片的另一个信号输入引脚接参考晶振，用于后续VCO产生的输出信号和参考晶振的输出信号进行频率比较。图1为该专利技术的便携式介电常数测量系统的结构框图，该系统是一个由ADF4157芯片，环路滤波器和负阻式VCO构成的PLL电路。将待测介质放置在CMRC谐振腔的上表面时，VCO的振荡频率会发生变化，ADF4157会对该VCO产生的输出信号和参考晶振进行比较，并输出控制电压(该控制电压为VCO产生的输出信号和参考晶振的输出信号的频率差值有关，为现有技术人员所掌握的常规技术)反馈给VCO，使得VCO回到初始振荡频率；同时PLL输出的控制电压由数字电压表测量出来。图2为一个典型的CMRC结构单元及其等效电路图。黑色部分为微带线上表面金属层，白色部分为刻蚀出来的槽。作为一个典型的频率选择元件，其谐振频率可以由公式(1)近似表本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于CMRC结构的便携式材料介电常数测量系统，其特征在于由连接CMRC谐振腔的负阻式压控振荡器VCO构成的锁相环电路PLL组成；CMRC谐振腔作为锁相环电路PLL中压控振荡器VCO的负载网络；所述的CMRC谐振器为电子带隙结构，通过在一段传统微带线上刻蚀成相应的对称金属层图案，刻蚀之后的裸露介质的槽可以等效为分布电容，刻蚀后剩余金属间隙可以等效为分布电感，且没有缺陷地。

【技术特征摘要】
1.一种基于CMRC结构的便携式材料介电常数测量系统，其特征在于由连接CMRC谐振腔的负阻式压控振荡器VCO构成的锁相环电路PLL组成；CMRC谐振腔作为锁相环电路PLL中压控振荡器VCO的负载网络；所述的CMRC谐振器为电子带隙结构，通过在一段传统微带线上刻蚀成相应的对称金属层图案，刻蚀之后的裸露介质的槽可以等效为分布电容，刻蚀后剩余金属间隙可以等效为分布电感，且没有缺陷地。2.如权利要求1所述的一种基于CMRC结构的便携式材料介电常数测量系统，其特征在于压控振荡器VCO为负阻式结构。3.如权利要求1或2所述的一种基于CMRC结构的便携式材料介电常数测量系统，其特征在于所述的CMRC谐振腔由介质基板(1)以及依次连接的第一至第三微带线组成，介质基板下表面铺设金属层作为第一至第三微带线共同的地；第一微带线(3)、第三微带线(5)均为50欧，第二微带线(6)上层开有四个中心对称的槽，该槽裸露介质基板；第二微带线(6)四个槽间留有金属间隙；第一微带线连接VCO，第三微带线开路；第二微带线(6)在中间位置的两侧边各连接有一个变容管Cv(4)，用于调节该CMRC谐振器的等效电容，进而调节其谐振频率；所述的连接CMRC谐振腔的压控振荡器VCO包括CMRC谐振腔、第四至七微带线、隔直电容C4-C5、反馈电容C6、电感L1、电阻R3、场效应管；CMRC谐振腔的第一微带线接第四微带线的一端，第四微带线的另一端与隔直电容C4的一端连接，隔直电容C4的另一端与第...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈世昌，郭梦楚，徐魁文，赵鹏，王高峰，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33