用于测量固体介电常数的电容-电感式微波传感器设计开题报告

1. 研究目的与意义

介电常数是表征物质材料介电特性的物理量，与物质的组成、结构、密度、含水量等多种因素相关，被广泛应用于各领域，例如农业科学、医学研究、工业检测、内部探测等。因此，准确测量材料的介电常数有着重要的意义。传统的介电常数测量方法有集中电路法、谐振腔法、自由空间法、传输线法等。集中电路法准确度不高，且只能测量较低频率，在现有通信应用要求下已不适用。近几年，由于结构简单、成本低、易于制造等优点，微带天线作为传感器被广泛应用，也为介电常数的测量提供了新途径。但该方法还处于萌芽和探究阶段，缺乏严谨的理论指导和大量可靠的实践经验。因此大部分研究设计停留在可以检测的阶段，缺乏对传感效果的探究与分析，所设计的传感器灵敏度有限。本项目用于固体材料介电常数无损测量的高灵敏度微带天线传感器，利用测量天线传感器谐振频率得到了介质的介电常数。通过对天线结构及尺寸进行优化，获得高灵敏度。

2. 研究内容和预期目标

微波传感器的主要研究内容是根据不同的固体介质设计不同的衬底厚度以及天线长宽。

通过测试不同频率下的反射系数、传输系数等等电气特性参数，分析传感器的性能和精度。

通过观察s参数、场线的分布找寻衬底以及天线长宽的最优解。

3. 研究的方法与步骤

测量固体介电常数本次实验主要通过时域测量：
1. 定义材料属性：在HFSS中，需要先定义材料的电学属性，包括介电常数ε、磁导率μ、导电率σ等等。对于固体材料，通常介电常数为主导电学参数，可以根据实验测量值或文献数据设置。
2. 导入模型：导入具体的固体模型，例如晶体、聚合物等。如果没有现成的模型，可以使用HFSS提供的模型库进行模拟。
3. 创建仿真空间：确定仿真精度、网格数量和尺寸，创建仿真空间。
4. 设置边界条件：根据仿真空间的形状和大小，设置边界条件，包括吸收边界、金属导体等。
5. 添加电场激励：为了测量固体材料的介电常数，需要在仿真空间中添加电场激励，实验中通过添加信号传输端口面再添加激励来实现。
6. 运行仿真：按照上述步骤设置好模型并添加电场激励后，可以进行仿真计算。在仿真结果中，可以看到电场在固体材料中的传播情况和反射情况。
7. 测量介电常数：根据仿真结果，利用HFSS工具包中的post-processing工具可以计算固体材料的介电常数。在HFSS中，可以使用多种方法计算介电常数，例如取平均值、拟合等等。

4. 参考文献

[1] muradov, m., kot, p., ateeq, m., abdullah, b., shaw,a., hashim, k., al-shamma’a, a. real-time detection of plastic shards in cheeseusing microwave-sensing technique. proceedings, 42 (2020).doi:10.3390/ecsa-6-06557.

[3] malyuskin, o. microplastic detection in aoil and waterusing resonance microwave spectroscopy: a feasibility study. ieee sensorsjournal, 20(24):14817-14826 (2020).

[3] 游毓彬，兰中文，高源慈，余忠，孙科. 基于微波谐振腔微扰法测量装置的葡萄糖溶液浓度测试系统.磁性材料及器件 51:38-41(2020).

5. 计划与进度安排

（1）2024.2.25-2024.3.15 文献调研，图书馆查阅资料，完成开题报告，完成外文资料的翻译；

（2）2024.3.16-2024.4.15 仿真天线结构并得到最优参数；

（3）2024.4.16-2024.4.30 总结并整理实验数据，进行优化实验；