《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于開口環(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)測量位移的方法，設(shè)計了一種基于開口環(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，動子采用單面覆銅的FR-4介質(zhì)基板制成。動子二維移動時兩個SRR的諧振頻率將發(fā)生變化，傳輸零點也產(chǎn)生對應(yīng)偏移，從而建立起位移和傳輸零點的關(guān)系。此外通過對SRR加載缺陷地結(jié)構(gòu)，提高了檢測靈敏度。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)生兩個傳輸零點，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。制作并測試了傳感器實物，實測與仿真的數(shù)據(jù)基本吻合，證實了該傳感器設(shè)計的有效性。
中圖分類號：TP212 文獻標(biāo)志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.245734
中文引用格式： 袁汪楷，馬潤波. 基于開口環(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，對于微小位移的檢測需求日益增大，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)用于實現(xiàn)高精度、高靈敏度的位移檢測。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題，如精度低、需要與目標(biāo)物品接觸以及對環(huán)境要求高[1-4]，微波位移傳感器實現(xiàn)了對目標(biāo)物體的非接觸式測量，避免了傳統(tǒng)傳感器可能帶來的磨損和損壞風(fēng)險。由于利用了微波信號進行測量，微波傳感器具備較高的測量精度和穩(wěn)定性，可精準感知目標(biāo)物體位置和運動狀態(tài)。此外，微波傳感器響應(yīng)速度快，能夠?qū)崟r監(jiān)測和反饋目標(biāo)物體位置與運動狀態(tài)，為系統(tǒng)實時控制與調(diào)節(jié)提供便利。

因此微波位移傳感器的設(shè)計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，通過改變SRR與CPW的相對位置，使得傳輸零點的幅值發(fā)生變化，通過幅值的變化來表征位移。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，通過反射系數(shù)的相位來表征位移。這兩類傳感器通過幅值的變化和相位變化來表征位移量，其受益于單一的工作頻率，但受環(huán)境噪聲的影響大，并且不易于測量。

Horestani等人設(shè)計了一種寬邊耦合SRR的二維微波位移傳感器[11]，通過位移引起結(jié)構(gòu)對稱性的破壞，使得諧振頻率發(fā)生偏移，進而由諧振頻率偏移量來表征位移?；陬l率選擇表面（Frequency Selective Surface, FSS），Zhang等人設(shè)計了一個二維位移傳感器[12]，當(dāng)兩層彼此垂直的金屬條帶諧振器相對位置改變時，F(xiàn)SS的諧振頻率變化即可用來表征位移量，并且利用該FSS的偏振特性實現(xiàn)二維傳感。Rezaee等人通過在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度的變化，從而導(dǎo)致CPW的傳輸零點發(fā)生偏移，在建立了傳輸零點與位移之間的關(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，使用頻率特性來表征位移，受環(huán)境因素的影響小，易于實現(xiàn)精確測量。

本文設(shè)計了一款基于SRR的二維微波位移傳感器，將動子放置在SRR上方，動子位移時，SRR的諧振頻率發(fā)生變化，傳輸零點也隨之產(chǎn)生偏移。為實現(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)生兩個相互獨立的傳輸零點，分別對應(yīng)x和y方向。通過建立傳輸零點與位移的之間的關(guān)系，實現(xiàn)了對二維位移精確表征。該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、受環(huán)境因素影響小和易于實現(xiàn)精確測量等優(yōu)點，適用于需求精準、高靈敏度的二維位移檢測場景。


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作者信息：

袁汪楷，馬潤波

（山西大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，太原 030006）


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