基于介质集成悬置线的复介电常数传感器及测量系统

摘要

本发明公开了基于介质集成悬置线的复介电常数传感器、测量系统及测量方法，该复介电常数传感器包括介质集成悬置线结构和样品池；介质集成悬置线结构包括自上而下叠置的五层介质基板，第一介质基板上导电层、下导电层对应位置开设有缝隙槽；第二介质基板和第四介质基板上设置有空气腔；第三介质基板上导电层设计有连接为一体的微带线‑带状线‑悬置线的三级渐变过渡馈电结构；第三介质基板下导电层设计有谐振金属导带；样品池设置于介质集成悬置线结构的第一层介质基板上。本发明通过结构的改进，能够减小外部干扰和传输损耗，极大提升谐振频率和品质因数测量精度，进而提升最终复介电常数测量效率和测量精度。

权利要求

1.一种基于介质集成悬置线的复介电常数传感器，其特征在于包括：

介质集成悬置线结构，包括自上而下叠置的五层介质基板，即第一介质基板至第五介质基板；每层介质基板上和介质基板下均覆盖有导电层；第一介质基板上导电层和下导电层对应位置均开设有缝隙槽；第二介质基板和第四介质基板中间部分镂空，形成空气腔；第三介质基板上导电层设计有与第二介质基板空气腔等尺寸的开口，且开口一侧设计有自第三介质基板边缘向内延伸的“凸”形结构渐变通槽，“凸”形结构渐变通槽内设置有连接为一体的微带线‑带状线‑悬置线构成的三级渐变过渡馈电结构，微带线、带状线和悬置线的宽度逐渐减小；第一介质基板和第二介质基板同一侧设计有U型开口，所述U型开口与三级渐变过渡馈电结构的微带线相对应，通过该U型开口，将三级过渡馈电结构的微带线与外部馈电接头连接；第三介质基板下导电层设计有与第四介质基板 空气腔等尺寸的开口，开口中间位置沿长度方向设置有固定于第三介质基板上的谐振金属导带，谐振金属导带长度L设计为半个谐振波长，按照以下公式确定：式中，f0为谐振频率，c为真空中光速，εeff为介质集成悬置线等效介电常数；

样品池，其设置于介质集成悬置线结构的第一层介质基板上；所述样品池呈筒状结构，底部开口区域覆盖所述第一介质基板的缝隙槽。

2.根据权利要求1所述的基于介质集成悬置线的复介电常数传感器，其特征在于第一介质基板上缝隙槽的位置位于第一介质基板中间位置或者第一介质基板尾部。

3.根据权利要求1所述的基于介质集成悬置线的复介电常数传感器，其特征在于扩充第二介质基板和第四介质基板的数量，以提供给定尺寸的空气腔。

4.根据权利要求1或3所述的基于介质集成悬置线的复介电常数传感器，其特征在于对第二介质基板和第四层介质基板的镂空部分填充非导电介质，以对空气腔结构进行调控；

两层介质基板填充的非导电介质相同或不同。

5.根据权利要求1所述的基于介质集成悬置线的复介电常数传感器，其特征在于五层介质基板中，五层介质基板材料相同或不同；组成五层介质基板的非导电层材料可以相同或不同。

6.一种复介电常数测量系统，其特征在于包括经传输线连接的矢量网络分析仪和权利要求1至5任一项所述复介电常数传感器。

7.一种复介电常数测量方法，其特征在于使用权利要求6所述的复介电常数测量系统，按照以下步骤进行：S1利用上述测量系统测量加载待测样品及未加载待测样品时复介电常数传感器的S参数曲线；

S2根据加载待测样品及未加载待测样品时复介电常数传感器的S参数曲线，得到待测样品的相对谐振频率和相对Q值；

S3将得到的待测样品的相对谐振频率和相对Q值输入到训练好的神经网络中，得到待测样品的复介电常数。

8.根据权利要求7所述复介电常数测量方法，其特征在于所述神经网络的训练过程包括以下步骤：(1)获取一系列标准样品理论的相对谐振频率和相对Q值；

(2)根据一系列标准样品的浓度，计算相应的复介电常数理论值，包括实部和虚部；

(3)以上述标准样品理论的相对谐振频率和相对Q值作为输入值，以相应的复介电常数理论值作为输出值，对BP神经网络进行训练。

说明书

基于介质集成悬置线的复介电常数传感器及测量系统

技术领域

[0001] 本发明属于微波技术领域，涉及介电常数的测量，尤其涉及基于介质集成悬置线结构的复介电常数测量技术。

背景技术

[0002] 介电常数是物质一项重要的电磁学参数，作为微波应用中最基本的物理量之一，其表征了物质在微波环境中的电极化和损耗特性。准确测量各种介质的复介电常数对于了解和掌握介质的基本特性至关重要。

[0003] 目前常用的复介电常数测量方法主要有传输线法、谐振器微扰法、自由空间法等。由于体积小、重量轻、成本低、易于集成等显著特点，近年多种基于微带线、共面波导、集成波导等平面传输线电路的复介电常数测量器被设计了出来。这些平面传输线测量结构大致可以分为非谐振型和谐振型两类。由于谐振结构对于复介电常数随频率变化不敏感情况的测量结果更加准确，往往拥有较高的测量精度。

[0004] Byoungjoong Kang等公开了一种使用多层共面波导结构进行复介电常数和磁导率的无损测量，采用共面波分层结构，其中包括样品和介质基板，样本与介质基板之间以及介质基板底部设计有金属层，样本与介质基板之间的金属设计有宽度为(130微米的矩形槽，这样通过单次测量能够同时实现对待测介质的复介电常数及磁导率测量(参见Byoungjoong Kang,Jeiwon Cho,Changyul Cheon and Youngwoo Kwon,Nondestructive measurement of complex permittivity and permeability using multilayered coplanar waveguide structures,in IEEE Microwave and Wireless Components Letters,vol.15,no.5,pp.381‑383,May 2005,doi: 10.1109/LMWC.2005.847738)。

[0005] C.Liu等设计了一款基于介质集成波导的复介电常数传感器，通过在介质集成波导的馈电端口设置微带线到共面波导的转换，实现将能量馈入到由金属柱围成的谐振腔中，然后在电路上表面开矩形槽口，实现对液体的复介电常数的测量(参见C.Liu and F.Tong,An SIW Resonator Sensor for Liquid Permittivity Measurements at C Band,in IEEE Microwave and Wireless Components Letters,vol.25,no.11,pp.751‑753,Nov.2015,doi: 10.1109/LMWC.2015.2479851)。

[0006] 然而，由于上述各种复介电常数的测量装置主要是通过测量在特定情况下由物体介电常数性能变化导致的外部参数如传输矩阵、回波损耗、Q值等的变化，从而间接地测定介质的介电常数。为精确测量物质的介电常数，需要传感器对物质的介电常数具有较高的灵敏度。而在测试过程中，往往需要将待测物引入传感器进行检测，这样传感器不可避免地存在一个测试界面，例如传感器上的开槽，这将导致传感器结构复杂，加工困难。同时由于目前大部分复介电常数传感器体积较大、损耗高，从而极大地限制了高测量精度的实现，并且对待测物的浪费也较大。

发明内容

[0007] 针对目前复介电常数测量中存在的传感器结构复杂、测量精度低等问题，本发明的目的旨在提供一种基于介质集成悬置线的复介电常数传感器，在简化传感器结构的同时，降低传感器的介质损耗，提升传感器复介电常数的测量精度。

[0008] 本发明的另一目的旨在提供一种复介电常数测量系统。

[0009] 本发明的第三个目的旨在提供一种复介电常数测量方法。

[0010] 本发明提供的基于介质集成悬置线的复介电常数传感器，其包括：

[0011] 介质集成悬置线结构，包括自上而下叠置的五层介质基板，即第一介质基板至第五介质基板；每层介质基板上、下覆盖有导电层；第一介质基板上导电层、下导电层对应位置开设有缝隙槽；第二介质基板和第四介质基板上设置有空气腔；第三介质基板上导电层设计有与第二介质基板空气腔等尺寸的开口，且开口一侧设计有“凸”形结构渐变通槽，“凸”形结构渐变通槽内设置有连接为一体的微带线‑带状线‑悬置线构成的三级渐变过渡馈电结构；第三介质基板下导电层设计有与第四层空气腔等尺寸的开口，开口中间位置沿长度方向设置有固定于第三介质基板上的谐振金属导带；

[0012] 样品池，其设置于介质集成悬置线结构的第一层介质基板上；所述样品池呈筒状结构，底部开口区域覆盖所述第一介质基板的缝隙槽。

[0013] 上述基于介质集成悬置线的复介电常数传感器，第一介质基板和第五介质基板作为介质集成悬线结构的上盖板和下盖板，第二介质基板和第四介质基板镂空部分形成空气腔结构，第二介质基板空气腔、第四介质基板空气腔以及第三介质基板位于两空气腔之间的部分构成谐振腔，第三层介质基板用于承载由微带线‑带状线‑悬置线以及谐振金属导带等原件，第三层介质基板下导电层作为微带线和带状线的公共地，而且第三介质基板上带状线两侧的导电层和第三介质基板下导电层分别充当上地线和下地线。相对于传统的悬置线结构，本发明所设计的介质集成悬置线结构，更加紧凑。在优先实现方式中，叠置的五层介质基板边缘均匀间隔设置有贯穿各层介质基板的金属柱，以替代传统的金属壁。这是由于考虑到悬置线内部的电场分布在X轴上(以沿馈线方向为Z轴、垂直于介质基板方向为Y 轴，平行于介质基板方向为X轴)主要集中于导带附近，而在两边靠近金属柱的部分强度有限，同时电场方向垂直于导电层，故分布在四周的竖直金属柱对电场分布的影响极小。在具体实现方式中，各层介质基板上沿其边缘相同位置开设若干过孔，过孔内壁涂覆有铜、锡、银或金等导电材料，五层介质基板叠放后形成若干中空的金属柱，作为介质集成悬置线的屏蔽腔结构；第二介质基板和第四介质基板空气腔位于过孔限定的屏蔽腔区域内。各层介质基板上过孔外侧设置有若干铆钉孔，五层介质基板经铆钉固定连接在一起。

[0014] 为了适应不同待测样品复合介电常数测量需求，可以扩充第二介质基板和第四介质基板的数量，以提供合适的空气腔结构。而且，也可以根据需求，对第二介质基板和第四层介质基板的镂空部分填充非导电介质，例如聚四氟乙烯玻璃、氧化铝、硼化硅、氮化硅或聚晶金刚石等，以对空气腔结构进行调控；两层介质基板填充的非导电介质可以相同或不同。此外，第二介质基板和第四层介质基板的空气腔形成可以为长方体、圆柱体或多棱柱形结构等。

[0015] 上述基于介质集成悬置线的复介电常数传感器，五层介质基板中，所述介质基板材料为聚四氟乙烯玻璃、氧化铝、硼化硅、氮化硅或聚晶金刚石等；第五介质基板还可以为铜、铝、金、银等导电材料；所述导电层材料可以为导电金属或导电氧化物等，导电金属例如铜、铝、银或金等，导电氧化物为氧化钛或四氧化三铁等；五层介质基板材料可以相同或不同。为了便于加工，本发明中，第一介质基板、第三介质基板和第五介质基板材料和厚度相同；第二介质基板和第四介质基板的材料和厚度相同。

[0016] 上述基于介质集成悬置线的复介电常数传感器，第一介质基板缝隙槽可以开设于第一介质基板上导电层和下导电层对应位置；缝隙槽的位置可以位于第一介质基板中间位置或者第一介质基板尾部；当缝隙槽位于第一介质基板中间位置时，数量为1个；当缝隙槽位于第一介质基板尾部时，缝隙槽的数量为一个或多个，且缝隙槽的数量和长度可以根据具体情况进行调整，随着缝隙槽位置的调整，缝隙槽周围金属柱的数量和位置也相应的进行适当调整。第一介质基板和第二介质基板同一侧设计有U型开口，所述U型开口与三级渐变过渡馈电结构的微带线相对应。通过该U型开口，将三级过渡馈电结构的微带线与外部馈电接头连接。第二介质基板下导电层不包含三级渐变过渡馈电结构；除此之外，第二介质基板下导电层与第三介质基板上导电层其余结构相同。

[0017] 上述基于介质集成悬置线的复介电常数传感器，将谐振金属导带附近空气及第三介质基板等效代替为等效介电常数εeff(即介质集成悬置线等效介电常数)均匀的介质，因此εeff的值应在空气(介电常数为1)与第三介质基板(厚度为h的，介电常数为εr,大于1)之间。谐振金属导带可以看作是四周增加金属屏蔽罩的微带线，其长度遵循终端开路的半波长微带谐振器设计，本发明中谐振金属导带的长度L按照以下公式确定：

[0018]

[0019] 式中，c为真空中的光速，f0为谐振频率。

[0020] 本发明中，使用的是窄类型的谐振金属导带(0

[0021]

[0022]

[0023] 其中：

[0024]

[0025] 式中，a为第二介质基板空气腔的宽度，即谐振腔的宽度；η0为真空中平面波的波阻抗，约等于377Ω。

[0026] 经研究发现，当尺寸满足1.0≤a/b≤2.5，0.1≤h/b≤0.5，1.0≤εr≤4时，复介电常数传感器能够满足复介电常数测量需求。

[0027] 为了减少传输损耗，第一介质基板、第三介质基板和第五介质基板应该给定范围内选用介电常数较小且厚度较小的介质材料，第二介质基板和第四介质基板的选取需要参考第三介质基板，可以是介电常数相同或相近的介质材料。基于上述分析，结合给定特征阻抗，在给定尺寸范围内选择出第三介质基板厚度、空气腔及谐振金属导带宽尺寸，之后便可根据公式(1)计算得到谐振金属导带长度L。

[0028] 上述基于介质集成悬置线的复介电常数传感器，由于不当的耦合过渡结构设计很容易破坏谐振腔的性能表现，从而大大降低谐振器的品质因数，影响其正常工作。为了尽可能地保证谐振结构工作中高Q值的状态中，本发明采用微带线－带状线－悬置线的三级渐变式过渡结构，以使场的不连续性降低。

[0029] 微带线、带状线、悬置线均为金属线。为了保证阻抗匹配和减少回波损耗，介质集成悬置线的复介电常数传感器的传输线特征阻抗应该与外部馈电接头的特征阻抗相同，且整个馈电结构的特征阻抗也应该与外部馈电接头的特征阻抗相同。因此，可以根据外部馈电接头特征阻抗，计算得到整个馈电结构(微带线‑带状线‑悬置线)的尺寸。

[0030] 本发明进一步提供了一种复介电常数测量系统，其包括经传输线连接的矢量网络分析仪和上述复介电常数传感器。

[0031] 本发明进一步提供了一种复介电常数测量方法，使用上述复介电常数测量系统，按照以下步骤进行：

[0032] S1利用上述测量系统测量加载待测样品及未加载待测样品时复介电常数传感器的S参数曲线；

[0033] S2根据加载待测样品及未加载待测样品时复介电常数传感器的S参数曲线，得到待测样品的相对谐振频率和相对Q值。

[0034] S3将得到的待测样品的相对谐振频率和相对Q值输入到训练好的神经网络中，得到待测样品的复介电常数。

[0035] 上述神经网络可以为BP神经网络、RBF(径向基)神经网络或反馈神经网络等。

[0036] 上述神经网络的训练过程包括以下步骤：

[0037] (1)获取一系列标准样品理论的相对谐振频率和相对Q值；

[0038] (2)根据一系列标准样品的浓度，计算相应的复介电常数理论值，包括实部和虚部；

[0039] (3)以上述标准样品理论的相对谐振频率、相对Q值作为输入值，以相应的复介电常数理论值作为输出值，对BP神经网络进行训练。

[0040] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0041] 1、本发明提供的基于介质集成悬置线的复介电常数传感器，测量得到的谐振频率和品质因素单调变化，进而能够实现复介电常数测量；

[0042] 2、本发明提供的基于介质集成悬置线的复介电常数传感器，以微带线‑带状线‑悬置线的三级渐变过渡作为馈电结构，能够使场的不连续性降低，提升谐振频率和品质因数测量精度，进而提升最终复介电常数测量精度；

[0043] 3、本发明提供的基于介质集成悬置线的复介电常数传感器，以谐振金属导带作为谐振电路，微带线‑带状线‑悬置线的三级渐变过渡结构作为馈电结构，能够降低传输线的不连续性，同时实现阻抗匹配，抑制寄生模式，从而降低传输损耗；

[0044] 4、本发明提供的基于介质集成悬置线的复介电常数传感器，将谐振金属导带长度设计为半个谐振波长，这样能够是整个传感器的品质因数小于金属波导，而大于传统微带线、介质集成波导，且外部导电盖板和金属柱组成的封闭结构将电磁波束缚在空腔中，降低了能量损耗，同时也隔绝了外部干扰；相较于其他电路，能量泄露少，从而能够使复介电常数测量精度得到进一步提升；

[0045] 5、本发明提供的基于介质集成悬置线的复介电常数传感器，样品池设置于顶层介质基板上，且顶层介质基板上、下设计有缝隙槽，传感器通过缝隙槽，能够更加敏感的感测样品，进而提升样品复介电常数测量的准确度；

[0046] 6、本发明提供的基于介质集成悬置线的复介电常数传感器，相比于标准微带线和带状线结构，进一步在介质基板两侧引入接地金属柱，上下有额外的导电层等，同时将第三介质基板上表面馈线两侧导电层和第三介质基板下导电层分别充当上下金属地线，减小第三介质基板的电路以及公用地面积，阻抗匹配，使得地接触良好；

[0047] 7、本发明提供的基于介质集成悬置线的复介电常数传感器，与对称分布的带状线完全不同，其第二介质基板与第三介质基板的厚度并不相等，这样便于加工，也减小了传感器体积，而且通过谐振器耦合馈电，提升了品质因数；

[0048] 8、本发明能够使整个传感器尺寸控制在22mm×42mm，便于携带、易于加工，具有广泛的应用前景。

附图说明

[0049] 图1为本发明基于介质集成悬置线的复介电常数传感器结构示意图。

[0050] 图2为本发明基于介质集成悬置线的复介电常数传感器各介质基板分解示意图。

[0051] 图3为图2中A部分放大图。

[0052] 图4为第三介质基板背面示意图。

[0053] 图5为谐振腔简化示意图。

[0054] 图6为数据测量系统结构示意图。

[0055] 图7为本发明实施例1测量得的谐振频率(a)和Q值(b)随乙醇溶液浓度变化示意图。

[0056] 图8为本发明实施例1溶液样品复介电常数测量结果与理论结果比较；其中(a)对应复介电常数实部，(b)对应复介电常数虚部。

[0057] 图9为本发明另一种基于介质集成悬置线的复介电常数传感器中介质集成悬线结构的第一介质基板结构示意图。

[0058] 图中，1，1′‑第一介质基板，101‑第一金属层，102‑第二金属层，103、103′‑缝隙槽， 2‑第二介质基板，201‑第三金属层，202‑第四金属层，3‑第三介质基板，301‑第五金属层，
302‑第六金属层，303‑渐变通槽，304‑谐振金属导带，4‑第四介质基板401‑第七金属层，
402‑ 第八金属层，5‑第五介质板，501‑第九金属层，502‑第十金属层，6‑空气腔，7、微带线‑ 带状线‑悬置线，701‑微带线，702‑带状线，703‑悬置线，8‑金属过孔，9‑铆钉孔，10‑样品池， 
11‑接头，12‑矢量网络分析仪，13‑传输线。

具体实施方式

[0059] 以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明。

[0060] 实施例1

[0061] 本实施例提供的基于介质集成悬置线的复介电常数传感器，如图1及图2所示，其包括：介质集成悬置线结构，以及设置与介质集成悬置线结构上、用于承载样品的样品池10。

[0062] 如图1及图2所示，上述介质集成悬置线结构，包括自上而下叠置的五层介质基板(第一介质基板1～第五介质基板5)，每层介质基板上、下表面覆盖有铜导电层(依次为第一金属层101‑第十金属层502)。第一介质基板1上的第一金属层101、第二金属层102中间对应位置开设有缝隙槽103。第二介质基板2和第四介质基板4中间部分镂空，形成所需长方体形空气腔6。第三介质基板3上的第五金属层301设计有与第二介质基板2空气腔等尺寸的开口，且开口一侧设计有“凸”形结构渐变通槽303，“凸”形结构渐变通槽内设置有连接为一体的三级渐变过渡馈电结构；该三级渐变过度馈电结构是由连接为一体的微带线701、带状线702和悬置线703构成的。第三介质基板3上的第六金属层302设计有与第四层空气腔等尺寸的开口，开口中间位置沿长度方向设置有固定于第三介质基板3上的谐振金属导带304。第一介质基板1和第二介质基板2同一侧设计有U型开口，该U型开口与三级渐变过渡馈电结构的微带线相对应；通过该U型开口，将三级过渡馈电结构的微带线701与外部馈电接头11连接。第二介质基板上的第四金属层202与第三介质基板上的第五金属层 301除三级过渡馈电结构外的其余结构相同。

[0063] 各层介质基板上沿其边缘相同位置开设若干金属过孔8，过孔内壁涂覆有铜导电材料，五层介质基板叠放后形成若干中空的金属柱，作为介质集成悬置线的屏蔽腔结构；第二介质基板2和第四介质基板4镂空部分形成的空气腔6位于过孔限定的屏蔽腔区域内。各层介质基板上过孔外侧设置有若干铆钉孔9，五层介质基板经铆钉固定连接在一起。

[0064] 前面已经对微带线、带状线、悬置线及谐振金属导带长度的确定方法给出了详细解释。本实施例中外部馈电接头11使用的是50Ω标准SMA(SubMiniature version A)接头，为了保证阻抗匹配和减少回波损耗，各部分的设计阻抗均应为50Ω，且传感器经外部馈电接头与外部测试设备连接的传输线特征阻抗也应该为50Ω。

[0065] 因此，结合特征阻抗匹配要求，将公式(4)中的C、D以及b＝2hl+h，带入到(3)中，便可得到：

[0066]

[0067] 其中：

[0068]

[0069]

[0070] 式中，w为金属导带宽度，hl为第四层介质基板空气腔厚度。

[0071] 由此可以看出，介质基板非导电层的厚度h越厚，εeff的值应越接近第三介质基板介电常数εr,，传输损耗也就越大。

[0072] 为了PCB加工的方便，基于上述分析，结合图3，本实施例中基于介质集成悬置线的复介电常数传感器结构各尺寸如下：

[0073] (1)第一介质基板1、第三介质基板3和第五介质基板5均为1mm厚的F4B板(聚四氟乙烯玻璃布基板，龙裕天凌，F4B‑2)，其介电常数为2.2，损耗角正切为0.001；

[0074] (2)第二介质基板2和第四介质基板均为1.6mm厚的FR4板(环氧玻纤布基板，嘉立创，FR4)，其介电常数为4.3，损耗角正切为0.02；

[0075] (3)第一金属层至第十金属层均为0.018mm厚的铜箔；

[0076] (4)第二介质基板和第四介质基板上空气腔尺寸为25mm×11mm；

[0077] (5)金属过孔直径为1mm，两个相邻过孔之间的距离为2mm；

[0078] (6)微带线的线宽W1为3mm，线长为Lmicro为6mm，微带线两侧距离第三介质基板上“凸”形结构渐变通槽边缘的距离S1为2.5mm；带状线的W2为1.4mm，线长为Lstrio为4.5mm，带状线两侧距离第三介质基板上“凸”形结构渐变通槽边缘的距离S2为1.2mm；悬置线的线宽W3为1.1mm，线长为Lup为1.2mm；

[0079] (7)谐振金属导带长度为21mm，宽度为3mm；

[0080] (8)第一介质基板上缝隙槽长度Lslot为17mm，宽度Wslot为2.5mm。

[0081] 通过仿真分析得出，在满足上述尺寸条件下，所得传感器在空气中，品质因数大，能量损耗小。

[0082] 为固定加载的待测样品并避免其接触到缝隙外的其他介质部分造成测量结果不准，本实施例中样品池呈截面为矩形的筒状结构，其底部开口区域能够覆盖第一介质基板1的缝隙槽。本实施例中以光敏树脂原料，使用3D打印机将样品池制作出，制作的样品池内部尺寸为24mm×7mm×15mm，壁厚2mm。然后将制作好的样品池经环氧树脂粘贴在第一介质基板上方。该样品池还可以保证待测样品固定于电场最强处。

[0083] 本实施例进一步利用上述传感器对由去离子水‑乙醇配制的混合液进行测量，以进一步说明本发明提供的复介电常数传感器的测量精度高。

[0084] 本实施例是利用Agilent N5230A矢量网络分析仪12、待测去离子水‑乙醇混合液和前面设计的复介电常数传感器组成数据测量系统，如图6所示。

[0085] 首先设置矢网的测量范围在5.7GHz‑5.9GHz，取样点数6401，端口功率‑5dBw，并依次对矢网端口使用标准短路终端、开路终端和50Ω负载进行校准。然后使用同轴传输线13连接复介电常数传感器和矢网端口，先测量复介电常数传感器在空气中的S参数曲线，然后使用常规的品质因数提取算法计算得到空气加载时复介电常数传感器的谐振频率和Q值 (参见D.Kajfez,"Random and systematic uncertainties of reflection‑type Q‑factor measurement with network analyzer,"in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,vol.51,no. 2,pp.512‑519,Feb.2003,doi:10.1109/TMTT.2002.807831.)。

[0086] 选用去离子水(H2O)和无水乙醇(CH3CH2OH)作为混合溶液材料，混合乙醇和水得到乙醇与水的混合溶液，其体积比以10％为间隔，配置11份0％到100％变化的溶液样品。

[0087] (一)获取待测样品的相对谐振频率和品质因数

[0088] 将上述11份溶液样品利用上述测量系统进行依次测量，得到传感器加载溶液样品时的 S参数曲线。对于上述混合溶液，可以认为在5.7到5.9GHz这样小的频率范围内其介电常数数值变化的范围十分微小。根据所得到加载溶液样品时复介电常数传感器的S参数曲线，使用常规的品质因数提取算法计算得到相应的谐振频率和Q值(D.Kajfez,"Random and systematic uncertainties of reflection‑type Q‑factor measurement with network analyzer,"in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,vol.51,no.2,pp.512‑519,Feb.2003,doi: 10.1109/TMTT.2002.807831.)；将加载溶液样品时复介电常数传感器的谐振频率、Q值相对于空气加载时复介电常数传感器的谐振频率、Q值的偏移量作为后续网络测试的输入。实际条件下，对11份溶液样品，按照该步骤操作分别得到11份溶液样品的相对谐振频率和相对Q值。

[0089] 对上述11份溶液样品重复测量两次，所得到的各溶液样品的相对谐振频率和相对Q值，如图7所示，从图7中可以看出，随着乙醇浓度的提高，谐振频率偏移量不断下降，而品质因数(Q值)不断上升，两者单调变化，且两次测量结果前后基本一致，表明本发明提供的基于介质集成悬置线的复介电常数传感器能够用于测量待测样品的复介电常数，且具有较好的稳定性和较高的测量精度。

[0090] (二)构建BP神经网络模型

[0091] 本实施例依据理论计算结果构建能够实现复介电常数测量的BP神经网络模型，以进行待测样品复介电常数的测量，同时提升测量精度。

[0092] 本实施例使用的是计算机软件Matlab自带的工具箱中的BP神经网络(Neural Net fitting)；本领域技术人员可以根据需要选择其他合适的机器学习方法。

[0093] 前面已经计算得到了各溶液样品的实测谐振频率和实测Q值，后续按照以下步骤来构建BP神经网络模型：

[0094] (1)获取一系列标准样品理论的相对谐振频率和相对Q值。

[0095] 依据复介电常数传感器尺寸，利用常规仿真软件，得到11份空气加载时复介电常数传感器的理论S参数曲线；然后，使用常规的品质因数提取算法计算得到相应的谐振频率和 Q值的理论值；

[0096] 依据前面配置的11溶液样品浓度以及复介电常数传感器尺寸，利用常规仿真软件，得到11份溶液样品加载时复介电常数传感器的理论S参数曲线，使用常规的品质因数提取算法计算得到相应的谐振频率和Q值的理论值；

[0097] 将加载溶液样品时复介电常数传感器的谐振频率、Q值的理论值相对于空气加载时复介电常数传感器的谐振频率、Q值的理论值的偏移量作为训练网络的输入。理论条件下，对11份溶液样品，按照该步骤操作分别得到11份溶液样品的相对谐振频率和相对Q值。

[0098] (2)根据一系列标准样品的溶液浓度，计算相应的复介电常数理论值。

[0099] 根据理论(参见Sato T,Chiba A,Nozaki R.Dynamical Aspects Of Mixing Schemes In Ethanol–Water Mixtures In Terms Of The Excess Partial Molar Activation Free Energy,Enthalpy, And Entropy Of The Dielectric Relaxation Process[J].The Journal Of Chemical Physics,1999, 110(5):2508‑2521)，基于前面计算得到的乙醇浓度为0％～100％的11份溶液样品的浓度，计算得到当前温度下(溶液温度29℃左右)对应的复介电常数理论值(包括实部和虚部)。

[0100] (3)以上述标准样品理论的相对谐振频率、相对Q值作为输入值，以相应的复介电常数理论值(包括实部和虚部)作为输出值，对BP神经网络进行训练。

[0101] 在训练过程中通过调整神经元个数、迭代次数和学习率，得到训练好的BP神经网络，即得到相对谐振频率、相对品质因数与复介电常数的映射网络。将BP神经输出的复介电常数预测值与计算得到的复介电常数理论的实部和虚部分别进行比较，得的实部的偏移值在 1.5％左右，虚部的偏移值在1％左右，可以认为BP神经网络输出的复介电常数是准确的。

[0102] (三)待测样品复介电常数测量

[0103] 基于上述分析，本实施例进一步提供了利用上述测量系统测量溶液样品复介电常数的方法，步骤如下：

[0104] S1利用上述测量系统测量加载待测样品及未加载待测样品时复介电常数传感器的S参数曲线。

[0105] S2根据加载待测样品及未加载待测样品时复介电常数传感器的S参数曲线，得到待测样品的相对谐振频率和相对Q值。

[0106] 根据所得到加载待测样品及未加载待测样品时复介电常数传感器的S参数曲线，使用常规的品质因数提取算法计算得到相应的谐振频率和Q值；将加载待测样品时复介电常数传感器的谐振频率、Q值相对于未加载待测样品(即空气加载)时复介电常数传感器的谐振频率、Q值的偏移量作为待测样品的相对谐振频率和相对Q值。

[0107] 本实施例中，在前面“获取待测样品的相对谐振平和品质因数”部分已经得到了11 份溶液样品的相对谐振频率和相对Q值，这里不再详细解释。

[0108] S3将得到的待测样品的相对谐振频率和相对Q值输入到训练好的神经网络中，得到待测样品的复介电常数。

[0109] 本实施例中，将得到的各溶液样品的相对谐振频率和相对Q值输入到训练好的神经网络中，得的各溶液样品的复介电常数。

[0110] 将BP神经网络得到的11份溶液样品的复介电常数预测值与根据前面给出的理论计算方法得到的11份溶液样品的复介电常数理论值进行比较，如图8所示。从图中可以看出， BP神经网络输出的复介电常数实部预测值平均误差为3.75％，虚部预测值平均误差为 1.75％，说明与理论值吻合良好，能够实现对待测样品复介电常数的准确测量。

[0111] 实施例2

[0112] 本实施例提供的基于介质集成需按直线的复介电常数传感器，其包括：介质集成悬置线结构，以及设置与介质集成悬置线结构上、用于承载样品的样品池10。

[0113] 本实施例提供的介质集成悬线结构与实施例1中提供的基本相同，不同之处在于第一介质基板的结构。

[0114] 如图9所示，第一介质基板1′上的第一金属层和第二金属层尾部对应位置开设有间隔均匀排布的五个缝隙槽103′，宽为0.5mm，长度为12.5mm(为谐振腔工作波长的1/4)。相应的，样品池10经环氧树脂粘贴在第一介质基板五个缝隙槽103′的上方，其底部开口区域能够覆盖五个缝隙槽103′。

[0115] 此外，各层介质基板上金属过孔8和铆钉孔9的位置和数量做适应性调整，五层介质基板经铆钉固定连接在一起。

[0116] 除上述结构调整外，第二介质基板至第五介质基板结构尺寸、样品池结构尺寸与实施例1中的相同，所使用的介质基板、金属层材料也一致。

[0117] 本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。