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专利号: 2022112110191
申请人: 西南大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-06-16
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于衬底集成波导和六端口干涉网络的湿度传感器,其特征在于,包括无源谐振腔体和六端口干涉电路;所述无源谐振腔体设置结构相同的两个,分别作为传感腔体和参考腔体;

所述无源谐振腔体具有三层介质基板,每层介质基板均包括顶层金属、介质层和底层金属,在三层介质基板中形成衬底集成波导重入式谐振腔;在每层介质基板中都分布有一圈金属化通孔,每一层的金属化通孔都与该层的顶层金属和底层金属相连,每一层的金属化通孔围成的圈的半径相同、圆心对齐,由此形成所述谐振腔的等效金属壁,等效金属壁以内为谐振腔区域;

在所述无源谐振腔体的谐振腔区域内,底层介质基板的中心有按圆形布置的金属化通孔阵列,该金属化通孔阵列底部和顶部分别与底层介质基板的底层金属和顶层金属相连,且顶层金属在谐振腔区域内被部分刻蚀掉,只留下中心的比金属化通孔阵列半径稍大的一块圆形金属层,由此形成所述参考腔体的电容柱;

在所述无源谐振腔体的谐振腔区域内,中间层介质基板被完全挖空,作为空气填充区域;

在所述无源谐振腔体的谐振腔区域内,顶层介质基板的底层金属被全部刻蚀掉;在顶层介质基板中心区域有从下向上挖有一个圆形凹槽,用于形成传感区域;顶层介质基板的介质层中并围绕所述圆形凹槽外,设置有按圆形布置的未金属化通孔阵列,所述未金属化通孔阵列与该基板顶层金属共同形成金属格栅;

所述无源谐振腔体通过顶层介质基板的金属格栅、中间层介质基板的空气填充区域、底层介质基板的电容柱使得湿空气能自由进出谐振腔区域,增强其流通性;

所述无源谐振腔体在底层介质基板的底层金属蚀刻有共面波导馈电线,且与馈电线相连的微带线采用渐变的形式,用于连接外部六端口干涉电路;

所述六端口干涉电路包括两个功分器、两个耦合器及一个移相器,其中两个功分器的一路通过一个耦合器连接参考腔体,构成参考电路,在参考电路中设置移相器;两个功分器的另一路通过另一个耦合器连接传感腔体,构成传感电路;

所述六端口干涉电路在功分器的一端通过共面波导馈电线馈入信号。

2.根据权利要求1所述的湿度传感器,其特征在于:所述六端口干涉电路从一个功分器的单端口一侧输入信号,从另外两端等功率输出半功率等相位信号,分别连接对称放置的两个耦合器,在两个耦合器的同侧端口分别输出信号,最终在另一个功分器同侧的两端输入,单端口的一侧输出信号,分别构成参考电路和传感电路;在参考电路中,耦合器和末端的功分器之间设置单独的移相器,所述移相器本质为左右手复合传输线,通过调整其直流偏置电路的电压来调整移相器的相位。

3.根据权利要求1或2所述的湿度传感器,其特征在于:所述耦合器为微带分支线正交耦合器,所述耦合器的直通、耦合端与无源谐振腔体两端的馈电端口通过渐变微带线直接相连,用于加载谐振腔体带来的相位变化。

4.根据权利要求1或2所述的湿度传感器,其特征在于:所述功分器为威尔金森功分器,同侧的两端之间接有100欧姆电阻,用于对两端进行隔离,同时输出等功率等相位的信号。

5.根据权利要求1或2所述的湿度传感器,其特征在于:所述移相器为复合左右手传输线,接有直流偏置电路,在输入输出端接有隔直电容,在偏置接口处接有隔交电感;所述移相器可分为相同的两节,每节都由微带线、电容、电感构成,电容、电感用于构成复合左右手传输线的左手部分,微带线则用于构成复合左右手传输线的右手部分。

6.根据权利要求1或2所述的湿度传感器,其特征在于:所述圆形凹槽与所述圆形金属层在水平方向上圆心对齐,半径相等。

7.根据权利要求2所述的湿度传感器,其特征在于:所述无源谐振腔体所连接共面波导馈电线的宽度为2mm,长度为5.5mm,缝隙宽度为0.16mm,所连接渐变微带线由两段组成,第一段直接与共面波导馈电线相连,宽度为2mm,长度为0.91mm,第二段首段与第一段相连,末端与50欧姆微带线相连,宽度由2mm渐变为1.08mm,长度为3mm;功分器所连接的共面波导馈电线的宽度为1.08mm,与干涉电路中50欧姆微带线的宽度相同,馈电线的长度为5.6mm,缝隙宽度为0.118mm。

8.根据权利要求1或2所述的湿度传感器,其特征在于:所述无源谐振腔体的所有介质基板的介质层材料为Rogers 4350,其相对介电常数为3.66,相对磁导率为1,损耗正切角为

0.004。