摘要
本文针对工作在低微波频率下、紧凑且低成本的土壤湿度传感器需求，提出了能够实现准确的、具有质地感知能力（即对沙土和壤土等不同土壤颗粒粒径分布敏感）的土壤介电常数和水分含量表征的方案。传统技术和许多现有的微波谐振器传感器受到穿透深度有限、结构相对较大或复杂以及无法稳健地考虑不同土壤质地和湿度范围的校准程序等限制。本文设计了一种基于Rogers RO3010（澳大利亚墨尔本RMIT大学）介质的双端口微带方形开口环谐振器（SRR）传感器，工作在1.3 GHz，并使用全波3D电磁仿真进行了分析。该结构采用T形馈电线和并联四分之一波长匹配段，以实现感应区域的强场约束和有效的阻抗匹配。土壤被建模为覆盖在实际农业湿度范围内的沙质和壤质上覆层，其复介电常数取自参考数据集。随后开发了经验校准模型，包括共振频率偏移与实部介电常数之间的多项式曲线拟合、基于共振频率和传输损耗特征的机器学习校准方法，以及将水分含量与实部和虚部介电常数分量关联的多重线性回归模型。该传感器在沙土0–30%湿度范围内共振频率偏移约为115 MHz，壤土0–40%范围内亦然，最大灵敏度为3.4%。校准模型对两种土壤质地的平均绝对误差均低于1.22%，均方根误差低于1.58%，决定系数R2均大于0.98。这些结果表明，结合数据驱动校准（即从仿真和测量的S参数中学习到的经验模型）的紧凑型1.3 GHz方形SRR传感器能够实现灵敏、可重复且具有质地感知能力的土壤湿度估计，适用于农业和环境监测。
