基于基片集成波导的湿度传感器设计*

刘 勇，陈昌明，高 睿

(成都信息工程大学 通信工程学院，四川 成都 610225)

0 引 言

基片集成波导(substrate integrated waveguide，SIW)具有较高的品质因数、损耗小、体积小、重量轻、易于加工和集成的优点，广泛应用于微波及毫米波电路中[1]。与传统电容传感器(capacitive sensor)、传输线(transmission-line)传感器或时域反射仪(time domain reflectonmetry，TDR)传感器等的工作原理不同，基片集成波导谐振式传感器测量方法基于含水量变化引起介电常数变化和谐振频率变化之间的关系——对于不同的含水量环境，基片集成波导谐振器在不同的谐振频率上工作。因此,通过测量谐振器的谐振频率或者在谐振点的信号幅度即可得到相应的含水量数据。这种设计为射频环境监测提供了新的制作方法，并且极大地简化和降低了传感器的加工过程和成本。

1 基片集成波导分析

基片集成波导将传统波导结构集成在基片中，是一种介质填充波导结构。其结构如图1所示。

图1 基片集成波导结构

基片集成波导的最低工作频率(或截止频率)由2排金属化通孔的间距w决定。利用边界积分谐振模式展开[2](boundary integral-resonant mode expansion，BI-RME)方法和Floquet定理相结合的方法，对结构中d和w与TE10模的截止频率之间关系进行研究。得到了截止频率计算结果

(1)

式中c0为自由空间中的光速。

在散射特性方面，基片集成波导和普通金属矩阵波导有相同的特性，则可以将其与普通金属波导等效。基片集成波导的等效宽度介于w和w-d之间。由式(1)可以推导出其等效宽度为

(2)

式(2)需要金属化通孔间距足够小，计算结果近似程度才很好。事实上，Weff主要由3个参数决定，即w,p和d。研究表明：d越小，误差越小。如果考虑等效宽度中d/w对其的影响，可以应用精确的等效宽度

(3)

当满足p/d<3，d/w<1/5时，式(3)具有较高的精度。

用敏感介质构建SIW谐振腔意味着用不同的电介材料改变原始的基质，易导致频率偏移或者品质因数的改变，可利用空腔微扰法分析敏感区的频率偏移。SIW的谐振频率为

(4)

2 SIW谐振器设计

选用Rogers RO4003基板，介电常数ετ=3.55，厚度h=1.524 mm。利用BI-RME方法和Floquet定理确定d=0.4 mm，p=1.5 mm。为了较好地调节馈电微电的长度实现谐振腔体的激励和耦合，SIW腔体采用凹槽过渡。这种激励易于调节，插入损耗小，较谐振腔体的感性窗口耦合易于实现。其结构如图2。其中,t=1.74 mm，s=0.37 mm，lc=9.7 mm，w50=3mm，l1=l2=3 mm，w1=0.8 mm，w2=1 mm。

图2 谐振器结构

为了研究敏感区大小的影响，设计了两种结构相同,大小不同的谐振器。为了增加湿度对谐振频率的影响SIW2具有大的敏感区。其加工实物如图3。

图3 谐振器实物

3 测试结果分析

利用基于有限元法的高频仿真软件(high frequency simulation softwave，HFSS)仿真设计并采用安捷伦N5244A矢量网络分析仪进行测试。SIW1和SIW2的仿真和测试结果如图4所示。其测试环境如图5所示。

图4 SIW1和SIW2的仿真和测试

图5 谐振器测试环境

由图4中可以看出，由于敏感区域的影响，同等的湿度环境，实际测试的SIW2的信号幅度的绝对值较SIW1高1.897 dB。SIW2的各湿度的信号幅度测试结果如图6所示。

图6 SIW2在各湿度的信号幅度

SIW谐振器测试灵敏度S表达式[3]为

(5)

式中 Δf为频率偏移量；Δ%RH为相应的湿度变化量。任何小的湿度变化均会引起介电常数的改变，介电常数的变化导致频率偏移。SIW2在55 %RH存在最大2.25 MHz频偏，该谐振器灵敏度为46.51 kHz/RH；在同样的测试环境下测试SIW1，其在55 %RH的湿度下频偏为0.1 MHz，灵敏度为13.37 kHz/RH,如图7和图8所示。

图7 SIW1谐振频率和频率偏移

图8 SIW2谐振频率和频率偏移

SIW2的灵敏度高于SIW1的灵敏度，主要是因为SIW2的敏感区域比SIW1的敏感区域大，和空气中的湿度的相互接触作用的区域更大，对介电常数的影响更明显。通过扰动模型分析2个SIW谐振器相对湿度影响的频率偏移大致呈线性。表1列出了设计的传感器结构的性能与其他微波元件的比较结果。

表1 本文与部分文献指标对比

4 结束语

设计的传感器未使用敏感材料，达到的湿度范围为11 %～97 %RH。基片集成波导湿度传感性能取决于介电常数的改变，介电常数的变化取决于敏感区域的大小和湿度的大小。本文设计SIW1的敏感度为13.37 kHz/RH，SIW2为46.51 kHz/RH。两个谐振器的频率偏移大致呈线性，谐振频率和湿度形成对应关系。同时，信号幅度的变化和湿度也有一定的对应关系。实验结果表明：研究达到了预期的效果，具有较好的测量效果。

[1] 吴凯敏.W波段毫米波振荡器及SIW基谐振腔设计[D].成都:电子科技大学，2008.

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