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基于開(kāi)口環(huán)諧振器的二維線性位移微波傳感器

電子技術(shù)應(yīng)用

袁汪楷，馬潤(rùn)波

山西大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院

摘要： 采用微波技術(shù)測(cè)量位移的方法，設(shè)計(jì)了一種基于開(kāi)口環(huán)諧振器（Split Ring Resonator，SRR）的二維線性位移微波傳感器。傳感器由定子與動(dòng)子兩部分構(gòu)成，其中定子由兩組不同尺寸的SRR耦合一條傳輸微帶線構(gòu)成，動(dòng)子采用單面覆銅的FR-4介質(zhì)基板制成。動(dòng)子二維移動(dòng)時(shí)兩個(gè)SRR的諧振頻率將發(fā)生變化，傳輸零點(diǎn)也產(chǎn)生對(duì)應(yīng)偏移，從而建立起位移和傳輸零點(diǎn)的關(guān)系。此外通過(guò)對(duì)SRR加載缺陷地結(jié)構(gòu)，提高了檢測(cè)靈敏度。經(jīng)電磁建模和仿真，傳感器在1 GHz至3.2 GHz范圍內(nèi)產(chǎn)生兩個(gè)傳輸零點(diǎn)，可在x和y方向表征0~6 mm的位移，靈敏度分別為122 MHz/mm和82 MHz/mm。制作并測(cè)試了傳感器實(shí)物，實(shí)測(cè)與仿真的數(shù)據(jù)基本吻合，證實(shí)了該傳感器設(shè)計(jì)的有效性。

關(guān)鍵詞： 開(kāi)口環(huán)諧振器二維位移傳感器耦合微帶線缺陷地結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.245734
中文引用格式： 袁汪楷，馬潤(rùn)波. 基于開(kāi)口環(huán)諧振器的二維線性位移微波傳感器[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2025，51(4)：91-96.
英文引用格式： Yuan Wangkai，Ma Runbo. Two-dimensional linear displacement microwave sensor based on split ring resonator[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(4)：91-96.

Two-dimensional linear displacement microwave sensor based on split ring resonator

Yuan Wangkai，Ma Runbo

College of Physics and Electronic Engineering， Shanxi University

Abstract： A two-dimensional linear displacement microwave sensor based on split ring resonator (SRR) is designed in this paper using microwave technology to measure displacement. The sensor is composed of a stator and a mover. The stator is composed of two groups of SRRs with different sizes coupled with a transmission microstrip line. The mover is made of FR-4 dielectric substrate with single copper coating. When the mover moves in two dimensions, the resonant frequency of the two SRRs will change, and the transmission zero will also shift accordingly, thus establishing the relationship between the displacement and the transmission zero. In addition, the detection sensitivity is improved by loading the defect structure on SRR. Through electromagnetic modeling and simulation, the sensor produces two transmission zeros in the range of 1 GHz to 3.2 GHz, which can characterize the displacement of 0~6 mm in the x and y directions, and the sensitivity is 122 MHz/mm and 82 MHz/mm, respectively. The sensor is fabricated and tested, and the measured and simulated data are basically consistent, which confirms the effectiveness of the sensor design.

Key words : split ring resonator；two-dimensional displacement sensor；coupled microstrip lines；defected ground structure

引言

近年來(lái)，對(duì)于微小位移的檢測(cè)需求日益增大，微波位移傳感器作為一種重要的工具備受矚目，其被廣泛應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)高精度、高靈敏度的位移檢測(cè)。相比于傳統(tǒng)的光學(xué)、電阻式以及聲波位移傳感器存在的問(wèn)題，如精度低、需要與目標(biāo)物品接觸以及對(duì)環(huán)境要求高[1-4]，微波位移傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)物體的非接觸式測(cè)量，避免了傳統(tǒng)傳感器可能帶來(lái)的磨損和損壞風(fēng)險(xiǎn)。由于利用了微波信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，微波傳感器具備較高的測(cè)量精度和穩(wěn)定性，可精準(zhǔn)感知目標(biāo)物體位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。此外，微波傳感器響應(yīng)速度快，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和反饋目標(biāo)物體位置與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，為系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制與調(diào)節(jié)提供便利。

因此微波位移傳感器的設(shè)計(jì)和研究工作得到很多研究學(xué)者的重視。微波位移傳感器的研究主要分為三類，分別是基于幅值變化的微波位移傳感器、基于相位變化的微波位移傳感器、基于頻率偏移的微波位移傳感器。

Lv、Horestani和Naqui等人提出了幾種基于開(kāi)口環(huán)諧振器（Split Ring Resonator, SRR）耦合共面波導(dǎo)（Coplanar Waveguide, CPW）的一維和二維微波位移傳感器[5-7]，CPW激發(fā)SRR，在傳輸系數(shù)曲線上產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)，通過(guò)改變SRR與CPW的相對(duì)位置，使得傳輸零點(diǎn)的幅值發(fā)生變化，通過(guò)幅值的變化來(lái)表征位移。Horestani 和Shaterian等人都采用諧振器耦合微帶線的相位變化位移傳感器[8-10]，改變諧振器與端口間的距離，通過(guò)反射系數(shù)的相位來(lái)表征位移。這兩類傳感器通過(guò)幅值的變化和相位變化來(lái)表征位移量，其受益于單一的工作頻率，但受環(huán)境噪聲的影響大，并且不易于測(cè)量。

Horestani等人設(shè)計(jì)了一種寬邊耦合SRR的二維微波位移傳感器[11]，通過(guò)位移引起結(jié)構(gòu)對(duì)稱性的破壞，使得諧振頻率發(fā)生偏移，進(jìn)而由諧振頻率偏移量來(lái)表征位移。基于頻率選擇表面（Frequency Selective Surface, FSS），Zhang等人設(shè)計(jì)了一個(gè)二維位移傳感器[12]，當(dāng)兩層彼此垂直的金屬條帶諧振器相對(duì)位置改變時(shí)，F(xiàn)SS的諧振頻率變化即可用來(lái)表征位移量，并且利用該FSS的偏振特性實(shí)現(xiàn)二維傳感。Rezaee等人通過(guò)在CPW中加載缺陷地結(jié)構(gòu)以及在傳輸線中蝕刻槽的方式[13]，使位移能夠引起槽長(zhǎng)度的變化，從而導(dǎo)致CPW的傳輸零點(diǎn)發(fā)生偏移，在建立了傳輸零點(diǎn)與位移之間的關(guān)系后即可表征二維位移。這類傳感器與之前的幅值變化和相位變化的傳感器相比，使用頻率特性來(lái)表征位移，受環(huán)境因素的影響小，易于實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。

本文設(shè)計(jì)了一款基于SRR的二維微波位移傳感器，將動(dòng)子放置在SRR上方，動(dòng)子位移時(shí)，SRR的諧振頻率發(fā)生變化，傳輸零點(diǎn)也隨之產(chǎn)生偏移。為實(shí)現(xiàn)二維位移傳感，在x和y方向上分別加載了不同尺寸的SRR，產(chǎn)生兩個(gè)相互獨(dú)立的傳輸零點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)x和y方向。通過(guò)建立傳輸零點(diǎn)與位移的之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)二維位移精確表征。該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、受環(huán)境因素影響小和易于實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，適用于需求精準(zhǔn)、高靈敏度的二維位移檢測(cè)場(chǎng)景。

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http://www.viuna.cn/resource/share/2000006401

作者信息：

袁汪楷，馬潤(rùn)波

（山西大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，太原 030006）

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