5G頻段下材料無(wú)損檢測(cè)傳感裝置設(shè)計(jì)

王 韌, 孫浩然, 敬守釗, 樊 勇

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

0 引言

隨著微波毫米波和5G通信技術(shù)的不斷發(fā)展,人們研制出各種基于PCB工藝制作的印刷微帶電路、天線(xiàn)等射頻器件[1-2]。其中微波電路中介質(zhì)材料的介電特性對(duì)該電路的頻率響應(yīng)影響較大。這使得準(zhǔn)確測(cè)量介質(zhì)的相對(duì)介電系數(shù)變得愈發(fā)重要。常用的介電常數(shù)測(cè)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(cè)量樣本構(gòu)成天線(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)場(chǎng),并由此求出介電常數(shù)。這種方法需要待測(cè)樣本具有很大的截面以減小色散影響。傳輸/反射方法通過(guò)將樣本放置在傳輸線(xiàn)的一部分(例如波導(dǎo)、同軸線(xiàn))內(nèi),通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)的反射和透射系數(shù)確定材料的復(fù)介電系數(shù)。不足之處是對(duì)于低損耗物質(zhì),該方法準(zhǔn)確性較低。諧振法可以分為傳統(tǒng)的波導(dǎo)型諧振器和基于傳輸線(xiàn)的平面諧振器。而基于平面微帶線(xiàn)的諧振技術(shù)由于成本低、重量輕、易于制造等優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究較多。如使用單個(gè)諧振單元(例如開(kāi)口諧振環(huán)、互補(bǔ)SRR或叉指式電容單元)等結(jié)構(gòu)提高平面型諧振傳感器測(cè)量精度[7-14]。Kiani等[7-11]針對(duì)磁性材料,提出了基于SRR結(jié)構(gòu)的微波測(cè)量電路,Mrozowski等[12-14]提出基于微帶結(jié)構(gòu)的CSRR傳感器,用于微弱介電變化的精度測(cè)量,測(cè)量誤差最大為2.14%;Alahnomi等[15-16]總結(jié)了近年來(lái)微波無(wú)損檢測(cè)裝置的典型裝置,并指出基于叉指式電容單元等結(jié)構(gòu)的微波傳感器具有非常良好的應(yīng)用前景。為進(jìn)一步抑制雜波信號(hào)干擾并提高測(cè)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(duì)交指電容(IDC)和互補(bǔ)諧振環(huán)(CSRR)。對(duì)該電路進(jìn)一步加工并對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣品如 PVC、FR4等材料測(cè)試發(fā)現(xiàn):測(cè)量樣品的介電特性與已發(fā)表文獻(xiàn)結(jié)果非常接近,最終證明了該方法的準(zhǔn)確性和可行性。

本文設(shè)計(jì)了一種工作在5G頻段下的高靈敏度材料無(wú)損檢測(cè)傳感裝置,該傳感裝置基于微帶型射頻電路和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。其中核心射頻電路包括一對(duì)T型結(jié)功分器、一對(duì)交指電容(IDC)和互補(bǔ)諧振環(huán)(CSRR)。通過(guò)對(duì)該傳感裝置進(jìn)行加工測(cè)試,并結(jié)合參考材料進(jìn)行實(shí)時(shí)無(wú)損檢測(cè),進(jìn)一步分析了測(cè)量數(shù)據(jù)和參考值以及傳感器結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵參數(shù)對(duì)傳感系統(tǒng)測(cè)量性能的影響。

1 傳感器結(jié)構(gòu)與仿真性能分析

1.1 電路工作原理

對(duì)稱(chēng)型測(cè)量電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。每條微帶線(xiàn)上平面上加載一對(duì)IDC單元,而CSRR單元?jiǎng)t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(dāng)排布可形成場(chǎng)強(qiáng)集中區(qū),兩端口和T形結(jié)之間通過(guò)加載35.35Ω阻抗變換線(xiàn)實(shí)現(xiàn)匹配。

圖1 射頻傳感電路結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)諧振理論考慮對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的一般情況,包括IDC單元和矩形CSRR。設(shè)計(jì)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(lián)支路中微帶線(xiàn)的總電感和電容。諧振單元CSRR等效為L(zhǎng)Cu-CCu。IDC的等效串聯(lián)電容由Cui(Cdi)表示。在這種情況下,由IDC和CSRR引入的等效串聯(lián)電容可以用作電磁場(chǎng)敏感區(qū)域,實(shí)現(xiàn)更高的靈敏度。基于CSRR的射頻電路諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)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(cè)量區(qū)域結(jié)構(gòu)圖

引入待測(cè)材料后,電路諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)都將是材料介電常數(shù)的函數(shù),表示為式(5)。當(dāng)待測(cè)介質(zhì)覆蓋在測(cè)量裝置敏感區(qū)域時(shí),由式(1)～(3)可知,電路的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)會(huì)隨著變化,再用相關(guān)理論推導(dǎo)或仿真模擬即得到待測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)。基于以上電路分析,該對(duì)稱(chēng)性射頻電路選用 R5880(εr=2.20,h=1 mm)最終設(shè)計(jì)的電路模型參數(shù)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(shè)計(jì)射頻傳感器的諧振特性由帶測(cè)量材料的復(fù)介電常數(shù)決定。當(dāng)無(wú)負(fù)載時(shí)(如當(dāng)測(cè)量區(qū)域中沒(méi)有引入材料時(shí)),阻帶諧振器是對(duì)稱(chēng)的。當(dāng)待測(cè)材料放置在一個(gè)傳輸線(xiàn)段的測(cè)量區(qū)域時(shí),電路的對(duì)稱(chēng)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(shù)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(cè)材料復(fù)介電常數(shù)的變化。可以根據(jù)以上工作原理進(jìn)行電路散射參數(shù)測(cè)量并推導(dǎo)出試樣的復(fù)介電常數(shù)。

1.2 實(shí)物制作與測(cè)量

基于以上設(shè)計(jì)的模型尺寸,測(cè)量裝置制作在介電常數(shù)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(shè)計(jì)的電路模型參數(shù)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(cè)量實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)主要由對(duì)稱(chēng)性射頻電路、微波電纜、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀組成(Rohde&Schwarz ZVB20),為保證測(cè)量結(jié)果一致性和準(zhǔn)確性,所有待測(cè)樣品均放置于室溫20.0℃、相對(duì)濕度為32.5%的恒溫實(shí)驗(yàn)室48 h以上,同時(shí)測(cè)試環(huán)境保持同樣的溫濕度。具體實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。

圖5 對(duì)稱(chēng)電路加工實(shí)物及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)照

實(shí)驗(yàn)過(guò)程使用矢網(wǎng)記錄S21的諧振頻率和幅度數(shù)據(jù)的相對(duì)變化。圖4顯示樣品材料的介電常數(shù)變化時(shí)反射系數(shù)的變化。選用標(biāo)準(zhǔn)樣品 PVC、玻璃環(huán)氧樹(shù)脂、FR4等材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量。采用基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的介電常數(shù)反演算法對(duì)從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中提取的諧振頻率和幅度衰減進(jìn)行處理,可以得到不同測(cè)量樣品的等效復(fù)介電常數(shù),具體結(jié)果如表1所示。

表1 不同方法測(cè)量的介電常數(shù)對(duì)比[8]

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖6顯示了電路反射系數(shù)隨不同的樣品材料的變化,每次測(cè)量至少重復(fù)5次,檢查被測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的方差并取平均值。測(cè)試結(jié)果顯示:增加樣品介電常數(shù)會(huì)降低電路諧振點(diǎn)的工作頻率。對(duì)比表1中的數(shù)據(jù)可以看出,測(cè)量裝置測(cè)量3種介質(zhì)材料的介電常數(shù)值與已發(fā)表文獻(xiàn)的測(cè)量值基本吻合,測(cè)量裝置的相對(duì)測(cè)量精度在4.6%左右。誤差來(lái)源主要為在電路加工制作過(guò)程中粗糙的焊接,介質(zhì)板介電常數(shù)偏差及測(cè)量裝置與待測(cè)介質(zhì)中間存在空氣縫隙等。

圖6 不同標(biāo)準(zhǔn)樣品的S參數(shù)測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種基于射頻電路的材料無(wú)損傷檢測(cè)方法和測(cè)量裝置,該電路通過(guò)引入對(duì)稱(chēng)型分支線(xiàn)功分器、一對(duì)交指電容(IDC)及互補(bǔ)諧振環(huán)(CSRR)建立了電場(chǎng)敏感區(qū),進(jìn)一步提高了電路的測(cè)量靈敏度。并設(shè)計(jì)了一款諧振頻率在5G頻段的傳感器實(shí)物和測(cè)量裝置。通過(guò)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)基片發(fā)現(xiàn),測(cè)量樣品的介電特性與已有文獻(xiàn)結(jié)果相吻合,證明了該裝置的準(zhǔn)確性和可行性,為5G頻段下材料的無(wú)損檢測(cè)提供更廣泛的測(cè)試方案。