基于花形谐振器的紧凑型高频率检测分辨率微波微带传感器，用于液体介电常数测量

《Sensing and Bio-Sensing Research》：Compact and high frequency detection resolution microwave microstrip sensor based on a flower-shaped resonator for permittivity measurement of liquids

　　

在本研究中，研究人员设计并引入了一种采用花形谐振器的微带微波传感器，用于表征不同液体样品相对介电常数（relative permittivity）的实部（real component）。该传感器的工作原理依赖于其谐振频率（resonant frequency）的变化；具体而言，当样品置于传感区域时，空载状态与加载状态下的谐振频率之间会产生差异。为评估该器件的性能，研究人员使用了乙醇、甲醇、葡萄糖水溶液（aqueous glucose solution）和去离子水（deionized water）作为测试样本。该传感器制作在RO4003基板上，总尺寸为30×12 mm²，厚度为0.508 mm。在无任何样品（空载状态）时，其谐振频率为3.5 GHz，品质因数（quality factor, QF）为310。当液体样品引入传感区域后，谐振频率从初始值3.5 GHz向低频偏移。所提出的传感器具有紧凑尺寸、便携性、低成本以及易于与其他系统组件集成的优点。与2025–2026年期间发表在知名期刊上的151个传感器进行的比较表明，该传感器在工业、医疗和诊断应用中具有良好前景。

**论文解读：基于花形谐振器的紧凑型高频率检测分辨率微波微带传感器用于液体介电常数测量**

**研究背景与意义**
微波传感器因其在食品加工、石油天然气、农业和医学成像等多个行业的广泛应用而受到关注。这类传感器能够检测电磁特性，并可用于临床测量，实现数据无线传输至智能手机或计算机。然而，现有平面传感器在液体样本检测中，尤其是在高灵敏度、紧凑性和低成本方面仍存在挑战。传统谐振式传感器虽具有高精度，但往往体积较大或集成度不足。为解决这些问题，研究人员设计了一种基于花形谐振器的微带微波传感器，旨在实现液体样品相对介电常数实部的高分辨率测量。该传感器利用谐振频率偏移原理，通过检测加载样品前后的频率变化来表征介电特性。论文发表在《Sensing and Bio-Sensing Research》上，其重要意义在于提出了一种兼具高频率检测分辨率（FDR）、紧凑尺寸（30×12 mm²）、低成本和易集成优势的传感器，经与2025–2026年期间151个已报道传感器对比，该器件在工业、医疗和诊断应用中表现出竞争力。

**主要关键技术方法**
研究人员采用以下关键技术方法：第一，基于花形谐振器的微带线结构设计，通过优化谐振器几何形状以增强传感区域的电场集中，并利用金属化通孔（via）实现接地；第二，应用微扰理论（perturbation theory）建立谐振频率偏移与样品介电常数变化之间的定量关系；第三，采用有限元方法（FEM）通过ANSYS HFSS进行全波电磁仿真，并结合ADS（Advanced Design System）进行等效电路模型优化；第四，使用矢量网络分析仪（VNA）和紧凑型雷达板（radar board）进行实验测量，其中雷达板替代传统VNA以实现低成本便携式方案；第五，采用超低密度聚四氟乙烯（PTFE）泡沫作为样品架，以最小化对电磁场的干扰，并在受控环境（25°C）下重复测量7次以确保可靠性。

**研究结果**

**2. 结构设计与布局**
研究人员通过四步设计过程实现了传感器优化：首先，采用标准50 Ω传输线馈电，确保与常规微波电路兼容；其次，通过优化谐振器几何形状，在传感区域形成强电场集中，从而获得高品质因数（QF=310）；第三，花形配置在保持紧凑平面结构的同时有效缩短了电长度，使整体尺寸缩小至30×12 mm²；第四，采用单层平面金属图案的PCB工艺，降低了制造复杂性和成本。等效电路模型显示，等效电感L_eq约为2.1 nH，等效电容C_eq约为1 pF，预测谐振频率为3.47 GHz，与测量值3.5 GHz高度吻合。

**3. 加载条件下的传感器工作原理**
基于微扰理论，研究人员推导出谐振频率偏移与样品介电常数变化的关系式。当非磁性介质样品置于传感区域时，电场扰动导致谐振频率向低频偏移。通过仿真设定介电常数变化范围Δε_r为[1–11]、[11–41]和[41–78]，观察到频率检测分辨率（FDR）和灵敏度（S）随介电常数增大而降低。具体地，在Δε_r=1–11范围内，FDR为0.18 GHz，S为5.14%；在Δε_r=11–41范围内，FDR为0.022 GHz，S为1.29%；在Δε_r=41–78范围内，FDR为0.017 GHz，S为1.62%。这些结果表明传感器具有宽范围传感能力。

**4. 实验评估与数据分析**
研究人员选用乙醇（ε_r=26）、甲醇（ε_r=32）、葡萄糖水溶液（ε_r=69）和去离子水（ε_r=78）作为测试样品。实验在25°C恒温条件下进行，每个样品重复测量7次，结果高度一致。测量结果显示，空载时谐振频率为3.5 GHz，加载乙醇后降至1.31 GHz，甲醇降至1.25 GHz，葡萄糖溶液降至0.61 GHz，去离子水降至0.45 GHz。仿真与测量值之间的最大误差为1.14%（甲醇），最小为0.29%（葡萄糖溶液），验证了传感器的高精度。传感器整体性能指标包括：FDR为0.04 GHz，灵敏度为1.14%，VNA频率分辨率4.3 MHz，频率噪声基底0.3 MHz，最小可检测频率偏移0.3 MHz，检测限（频率）0.9 MHz，检测限（介电常数）0.0225，实际传感分辨率0.0108。与151个已报道传感器（包括2025–2026年发表）的对比表明，该传感器在FDR和灵敏度方面具有显著优势，尤其在介电常数变化范围[1–78]内表现出更高FDR。

**讨论与结论**
讨论部分指出，该传感器可集成于雷达板实现实时监测与控制，通过散射参数分析样品介电常数，并利用Wi-Fi或蓝牙无线传输数据。与使用VNA的传统方案相比，紧凑型雷达板提供了低成本、便携式替代方案。结论部分总结：本研究开发了一种基于谐振器的传感器，用于测量各类液体介电常数的实部。传感器尺寸为30×12×0.508 mm³，工作频率3.5 GHz，品质因数310。其工作原理是通过检测传感区域内电感与电容的变化（由与测试材料的电磁耦合引起），导致谐振频率向低频偏移。实验使用乙醇、甲醇、葡萄糖水溶液和去离子水验证了其有效性，灵敏度为1.14%。基于实验结果及与类似研究的广泛比较，该传感器适用于医疗、工业和诊断等多种应用。