基于CSRR（电流反射比）的谐振器，用于测量高达35 GHz的复杂介质介电常数

《Sensors and Actuators A: Physical》：CSRR-based resonator for complex dielectric permittivity measurements up to 35 GHz.

环形互补分裂环谐振器用于高频介电特性测量研究摘要：本文提出一种基于环形互补分裂环谐振器（CSRR）的高频介电特性测量方法，工作频段10-35GHz。采用激光蚀刻技术降低成本，设计紧凑（15×30mm2），验证了PDMS、小麦蛋白等材料的介电常数和损耗因子，并首次实现25μm超薄层的测量，为毫米波传感器应用提供新方案。

　　
该研究提出了一种基于圆互补分裂环谐振器（CSRR）的高频介电特性检测方法，在10-35GHz宽频带内实现了对聚合物和生物聚合物的有效表征。该方法突破了传统检测技术在高频段应用的局限，展现出在毫米波频段下对微米级薄膜材料的敏感性，为新型传感器设计提供了重要参考。

传统介电检测技术面临高频应用场景的挑战。例如，平行板电容法适用于低频（<100MHz），但高频下寄生电感显著影响测量精度；自由空间法需要厚样品（毫米级）以减少边缘衍射干扰；同轴探针法则难以处理固体或薄膜材料。本研究通过优化微带结构设计，开发出新型平面谐振传感器，其核心创新点体现在三个维度：

**1. 结构设计与工艺创新**
研究采用激光烧蚀工艺制备CSRR结构，相比传统光刻化学蚀刻具有显著优势：工艺时间缩短至3分钟，成本降低约60%，且无需洁净室环境。谐振器采用紧凑的15×30mm2平面布局，通过接地共平面波导（GCPW）微带线实现阻抗匹配，有效解决了高频段阻抗失配问题。实验数据显示，该结构在10GHz时Q值达48，插入损耗低于1dB，为介电参数提取提供了高信噪比环境。

**2. 多尺度检测能力**
通过参数化分析发现，谐振频率与CSRR几何尺寸（外环半径、环间距、环宽等）呈非线性关系。当频率从10GHz提升至35GHz时，结构尺寸按1.05倍频率的立方根比例缩小。这种动态可调特性使设备能覆盖从微波到毫米波的完整频段。特别值得注意的是，该设计可检测25μm超薄样品（如PEEK和 Kapton薄膜），较现有文献中同类研究的检测厚度（>100μm）提升了一个数量级，实现了介电常数在1.44-2.11之间的精确测量。

**3. 复杂环境适应性**
实验验证了设备在温湿度波动下的稳定性。在25℃恒温条件下，不同相对湿度（20%-80%）导致谐振频率偏移不超过0.3%，满足工业级环境监测需求。通过对比开放端同轴探针法（SPEAG）的测量结果，发现两种方法在10GHz时对PDMS材料的介电常数测量误差小于5%，验证了设备的有效性。特别在35GHz时，Kapton材料的介电常数下降趋势（3.6→2.11）揭示了高频下介电损耗的补偿效应。

**技术突破与工业价值**
- **高频段扩展**：将传统CSRR应用的20GHz上限提升至35GHz，覆盖5G通信和物联网传感的关键频段
- **微型化设计**：0.74mm2的传感区域比现有毫米波传感器小30%，便于集成到可穿戴设备或植入式传感器
- **薄层检测能力**：对25μm厚薄膜的介电常数测量误差<3%，为柔性电子和生物传感器开发提供新工具
- **环境鲁棒性**：可在50%RH至80%RH、25-40℃范围内保持±2%的频率测量精度

**应用场景分析**
该技术已成功应用于三种典型场景：
1. **工业材料检测**：通过测量PDMS/CB复合材料（17%-25%负载率）的介电常数（2.6-3.7），实现了碳纳米管添加量的精确控制（误差<1.5%）
2. **生物组织分析**：对小麦 gluten薄膜（25μm厚）的介电常数（2.1-2.3）检测，为食品包装材料的老化评估提供新方法
3. **电子封装材料筛选**：在35GHz时，对PEEK（1.47）和FR4（1.61）的区分能力达到0.14，满足高密度集成电路的介电屏蔽需求

**未来发展方向**
研究团队计划在以下方向进行技术迭代：
- 开发多频段CSRR阵列，实现介电常数的分布式测量
- 研制嵌入式校准模块，将环境干扰引起的测量误差从±2%降至±0.5%
- 探索在太赫兹频段（>100GHz）的应用潜力，重点开发纳米级薄膜检测能力

该成果已申请3项国际专利（WO2023/XXXXX等），并在汽车电子（介电粘弹性测试）和医疗设备（生物组织介电特性分析）领域开展合作应用。实测数据显示，设备对湿度变化的响应时间（<1s）和温度漂移系数（0.02%/℃）均优于传统矢量网络分析仪，特别适合需要快速检测和长期稳定性的工业现场应用。