一种基于搭桥结构的天线甲烷传感器的制作方法

1.本发明属于微波天线技术领域，具体涉及一种基于搭桥结构的天线甲烷传感器。


背景技术：

2.在能源、管道、石油、化工领域中不可避免的存在着各种易燃易爆、有毒有害的气体，这些气体一旦泄漏将可能酿成火灾或者是爆炸事故，给国家和人民的生命财产造成损失。因此，监测有毒有害气体对于工业生产、公共场所和居家生活都具有重要意义。天线传感器不仅可以采集信号，而且可以把信号无线发射出去，同时具备“感”和“传”的功能。但是目前常规的天线传感器带宽有限，灵敏度低，限制了其在某些领域的应用。
3.为了克服天线传感器频段有限和灵敏度低等缺点，有学者提出采用加载枝节的方法增加工作带宽。然而，该方法会增大天线的体积。文献“microwave flexible gas sensorbased onpolymer multi wall carbon nanotubes sensitive layer”提出利用多壁碳纳米管作为敏感膜检测气体，然而灵敏度只有-642.9hz/ppm。文献“hilbert curve inspired miniaturized mimo antenna for wireless capsule endoscopy”提出基于hilbert分形理论的天线结构，实现了尺寸缩减功能，但是其只有一个工作频段1.9-3ghz。可见，目前的设计方法不能满足天线传感器高灵敏度、多频段等性能要求。


技术实现要素：

4.本发明的目的是解决现有天线传感器灵敏度低、频段单一等技术问题，提供一种基于搭桥结构的天线甲烷传感器。
5.本发明采用的技术方案如下：
6.一种基于搭桥结构的石墨烯天线可燃气体传感器，包括介质基板(3)，所述介质基板(3)的下表面印刷有金属接地板(4)，介质基板(3)的上表面依次印制有辐射金属贴片(1)和石墨烯敏感膜(2)；
7.所述的辐射金属贴片(1)包括长条矩形金属贴片(1-1)、第一u形金属贴片(1-3)和第二u形金属贴片(1-4)，所述第一u形金属贴片(1-3)和第二u形金属贴片(1-4)开口相反，共用一臂，且在第一u形金属贴片(1-3)和第二u形金属贴片(1-4)开口端的两臂之间分别跨接第一搭桥金属贴片(1-5)和第二搭桥金属贴片(1-6)。所述长条矩形金属贴片(1-1)和第一u形金属贴片(1-3)之间设有三角形金属贴片(1-2)，所述三角形金属贴片(1-2)的两个锐角分别连接长条矩形金属贴片(1-1)和第一u形金属贴片(1-3)。
8.石墨烯敏感膜可以吸收可燃气体甲烷，从而影响整个天线的谐振频率，实现对甲烷的无线监测。
9.第一搭桥金属贴片(1-5)跨接在第一u形金属贴片(1-3)的两臂上，用于产生第一谐振频率。
10.第二搭桥金属贴片(1-6)跨接在第二u形金属贴片(1-4)的两臂上，用于产生第二谐振频率。
11.石墨烯敏感膜(2)跨接在长条矩形金属贴片(1-1)和第一u形金属贴片(1-3)上表面。
12.金属接地板(4)采用镜像l型结构，由一宽大矩形金属贴片与一小长条矩形金属贴片组成，并在l型内侧夹角处延宽大矩形金属贴片开设有一个凹槽，用于产生第三个谐振频率。
13.根据此搭桥结构，天线可以实现多频段筛选功能，不同频段间的带宽不一样。
14.通过第一和第二u形金属贴片(1-3)(1-4)宽度可以对谐振曲线深度进行一定调整，主要影响其筛选性。
15.第一和第二搭桥金属贴片(1-5)(1-6)分别与第一和第二u形金属贴片(1-3)(1-4)u形底部间的距离同样对谐振频点有着较为显著的影响，通过调整距离可以使得谐振点集中在所需要的三个谐振频率上。
16.第一和第二搭桥金属贴片(1-5)(1-6)的宽度对对应谐振曲线的q值有所影响，在取小数点后一位的尺寸选择下，可以达到覆盖所需波段的设计要求。
17.金属接地板(4)采用的镜像l型结构与辐射金属贴片(1)间形成了平行的互容关系，与馈电孔间有着不同的回流电路长度，提供了第三频点处的较大带宽。
18.利用搭桥结构所形成的回路中，第一谐振频点频率较低，可以形成有效波长内较为全向的辐射模式。
19.第二谐振频点频率适中，通过回路电流分析，可以得出其辐射方向主要集中于基板顶部与底部方向。
20.第三谐振频点频率较高，回路电流较短，谐振方式较为单一，所以其辐射方向主要集中于基板顶部方向。
21.本发明的优点和有益效果在于：
22.1、本发明是一款周围环境甲烷气体浓度的新型传感器，用于气体浓度监测，将石墨烯敏感膜用于天线结构中，通过测试环境中甲烷气体浓度的变化从而影响石墨烯层介电常数的变化，利用其气体敏感的特点影响天线谐振点产生偏移，提出了一种新的气体浓度监测方式。
23.2、本发明是一款周围环境甲烷气体浓度的新型传感器，采用了搭桥结构，利用搭桥与镜像l型金属接地板产生多个谐振频点，具有多频段特点，并且根据结构特征可调节带宽，在不同ism波段上有着不同的谐振带宽与辐射增益方向，有多种用途。
24.3、本发明提供了一种新的传感器设计方法，可以完成对周围气体浓度无线监测，并进行数据的收发，在石墨烯层介电常数处于10-90环境下可以较好覆盖2.45ghz频段，具有灵敏度高、多频段、辐射强、稳定性好等优点。
附图说明
25.图1为本发明天线甲烷传感器的侧视图。
26.图2为本发明天线甲烷传感器中辐射金属贴片1的俯视尺寸图。
27.图3为本发明天线甲烷传感器中金属接地板4的俯视尺寸图。
28.图4为本发明天线甲烷传感器在常态空气中的回波损耗s
11
三频段数据图。
29.图5为本发明天线甲烷传感器在常态空气中的回波损耗s
11
第一谐振频段数据图。
30.图6为本发明天线甲烷传感器在常态空气中的回波损耗s
11
第二谐振频段数据图。
31.图7为本发明天线甲烷传感器在常态空气中的回波损耗s
11
第三谐振频段数据图。
32.图8为本发明天线甲烷传感器在不同介电常数石墨烯敏感膜下的第一谐振频段的回波损耗s
11
频偏图。
33.图9为本发明天线甲烷传感器在不同介电常数石墨烯敏感膜下的第二谐振频段的回波损耗s
11
频偏图。
34.图10为本发明天线甲烷传感器在不同介电常数石墨烯敏感膜下的第三谐振频段的回波损耗s
11
频偏图。
35.图11为本发明天线甲烷传感器的灵敏度曲线。
36.图12为本发明天线甲烷传感器的第一谐振点增益方向图。
37.图13为本发明天线甲烷传感器的第二谐振点增益方向图。
38.图14为本发明天线甲烷传感器的第三谐振点增益方向图。
39.其中，1为辐射金属贴片，1-1长条矩形金属贴片，1-2三角形金属贴片，1-3第一u型金属贴片，1-4第二u型金属贴片，1-5第一搭桥金属贴片，1-6第二搭桥金属贴片，2石墨烯敏感膜，3介质基板，4金属接地板。
具体实施方式
40.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述，并介绍本发明的一个优选实施例，对既定环境下甲烷气体浓度的监测。
41.图1所示为本发明天线传感器的侧视图，该天线传感器主要采用搭桥结构，由辐射金属贴片(1)、石墨烯敏感膜(2)、介质基板(3)和金属接地板(4)组成。其中石墨烯敏感膜为距离馈电孔最近的搭桥结构电路，根据石墨烯敏感层的气敏特性，在周围甲烷气体浓度变化的情况下，石墨烯敏感层的导电性也会发生变化，影响整体天线传感器的谐振频点。介质基板(3)厚度为4.0mm，馈电同轴外圆直径为3.0mm，内圆直径为1.2mm。
42.石墨烯敏感层对周围环境甲烷气体浓度有敏感的监测能力，正常情况下，石墨烯敏感层的导电能力较好，介电常数较大，在吸收一定甲烷气体后介电常数会有一定程度的降低，从而在搭桥电路中影响谐振频点的有效电长度，本发明利用此特性测量环境中甲烷气体浓度大小。
43.图2显示了本发明天线甲烷传感器的上层辐射金属贴片的俯视图，图中标出了具体数据参数，与介质基板长宽一致，本实施例中其整体形状呈边长为50.0mm的正方形，其余尺寸也可以形成相应的搭桥电路，本实施案例仅为其中的一个方案。
44.辐射金属贴片由长条矩形贴片、三角形贴片、两个u形金属贴片、两个搭桥金属贴片组成，所述的辐射金属贴片(1)包括长条矩形金属贴片(1-1)、三角形金属贴片(1-2)、第一u形金属贴片(1-3)、第二u形金属贴片(1-4)、第一搭桥金属贴片(1-5)和第二搭桥金属贴片(1-6)。其中，长条矩形金属贴片(1-1)位于介质基板(3)的一边，第一u形金属贴片(1-3)和第二u形金属贴片(1-4)位于介质基板(3)的另一边，第一u形金属贴片(1-3)和第二u形金属贴片(1-4)开口相反，共用一臂，且在第一u形金属贴片(1-3)和第二u形金属贴片(1-4)开口端的两臂之间分别跨接第一搭桥金属贴片(1-5)和第二搭桥金属贴片(1-6)。三角形金属贴片(1-2)的两个锐角分别连接长条矩形金属贴片(1-1)和第一u形金属贴片(1-3)。
45.第一和第二u形金属贴片(1-3)(1-4)共有三条矩形金属臂，其中中间金属臂为两u形金属贴片共用金属贴片，臂宽度取决于三段谐振频率，本实施例宽度分别为2.0mm，5.0mm，11.0mm，金属辐射片宽度越宽，谐振频点越小。第一、第二搭桥金属片贴片(1-5)(1-6)所处间隙宽度a、b分别为5.0mm、4.0mm，两搭桥金属贴片(1-5)(1-6)与u形金属贴片(1-3)(1-4)u形底部的距离分别为14.0mm与26.0mm，使得谐振曲线较为平滑，深度较深。
46.第一谐振频率形成于u形槽的第一搭桥金属贴片(1-5)处，构成谐振频点中心位于910mhz，窄带；第二谐振频率形成于u形槽的第二搭桥金属贴片(1-6)处，构成谐振频点中心位于2490mhz。具体仿真数据展示在图5、图6中。
47.图3显示了本发明天线甲烷传感器的金属接地板的俯视图，图中标出了具体数据参数。金属接地板4采用镜像l形结构，由一宽大矩形金属贴片与一小长条矩形金属贴片组成，并在l型内侧夹角处延宽大矩形金属贴片开设有一个凹槽，与图2中三角形金属贴片(1-2)结合构成第三谐振点电路回路，由于三角形金属贴片(1-2)的斜边与其余金属贴片形成夹角，该结构形成了不同的有效电长度谐振回路，从而达到拓宽频带的目的。第三谐振频点中心为5600mhz，相对带宽较宽。
48.图4显示了本发明天线甲烷传感器在石墨烯层不导电情况下，0-7ghz频段下的回波损耗s
11
，天线具有多频段特性，可以看出同上述谐振频段，该天线覆盖三个ism波段，各个频段分离较好。
49.图5显示了本发明天线甲烷传感器在石墨烯层不导电情况下，800mhz-1000mhz频段下的回波损耗s
11
，可以看出该频段内，天线谐振曲线涉及ism波段915mhz，带宽为17mhz(898mhz-915mhz)，相对带宽为1.85％，为窄带工作模式，有较好的筛选性。
50.图6显示了本发明天线甲烷传感器在石墨烯层不导电情况下，2300mhz-2700mhz频段下的回波损耗s
11
，可以看出该频段内，天线谐振曲线涉及ism波段2450mhz，带宽为336mhz(2348mhz-2684mhz)，相对带宽为13.7％，带宽适中，曲线平滑，筛选性较好。
51.图7显示了本发明天线传感器在4000mhz-6500mhz频段下的回波损耗s
11
，可以看出该频段内，天线谐振曲线涉及ism波段5800mhz，带宽为1590mhz(4480mhz-6070mhz)，相对带宽为79.1％，带宽较宽，但曲线出现波折，有良好的通信特性。
52.图8显示了本发明天线甲烷传感器第一谐振频点910mhz随石墨烯层敏感层介电常数变化而产生的频点偏移，可以看出随着石墨烯敏感层介电常数的增加，即石墨烯敏感层导电性能的增加，频点呈下降趋势。谐振频点皆处于-10db以下，有较大的测量范围，由于其窄带特性，其频点较为清晰。利用此性质，可以使所实施天线传感器监测其周围环境甲烷气体浓度的介电常数变化。
53.图9显示了本发明天线甲烷传感器第二谐振频点2450mhz随石墨烯层敏感层介电常数变化而产生的频点偏移，从介电常数为10情况出发，可以看出随着石墨烯敏感层介电常数的增加，频点呈下降趋势。谐振频点皆处于-10db以下。相对带宽变化不大，测量范围较大。
54.图10显示了本发明天线甲烷传感器第三谐振频点5800mhz随石墨烯层敏感层介电常数变化而产生的频点偏移，从介电常数为10情况出发，可以看出随着石墨烯敏感层介电常数的增加，频点呈下降趋势。谐振频点皆处于-10db以下。在不同介电常数情况下，该频段的谐振频段可在介电常数为10-80左右的条件下覆盖2.4ghz-2.5ghz ism波段，可以用作稳
定的通信频段，但该频段由于带宽过宽，传感性能不如前两频段，传感性能如图11所示。
55.图11显示了本发明天线甲烷传感器的灵敏度曲线。第一谐振频率介电常数和谐振频率之间的线性关系可以通过使用方程表示：f＝1.094
×
10-4
ε
r2-0.017εr 1.032，其中，εr是周围环境的介电常数，f为天线甲烷传感器的谐振频率。因此，当周围环境甲烷气体浓度发生变化时，εr改变，进而影响天线甲烷传感器的谐振频率。第二谐振频率介电常数和谐振频率之间的线性关系可以通过使用方程表示：f＝1.642
×
10-4
ε
r2-0.025εr 1.500。第三谐振频率介电常数和谐振频率之间的线性关系可以通过使用方程表示：f＝2.012
×
10-4
ε
r2-0.042εr 4.364。拟合优度r2分别为0.97897、0.97876、0.98483，都较接近于1，拟合效果良好。考虑到谐振频率的不同，该天线甲烷传感器在第一谐振频率与第二谐振频率的绝对误差较小。
56.图12显示了本发明天线甲烷传感器在第一谐振点的增益方向图。所实施天线甲烷传感器在工作频点处有着良好的辐射方向图和辐射增益。辐射增益最高值为-4.4545db，有较好的全向辐射性，辐射旁瓣较小。天线在低频段辐射增益较小，辐射方向较为分散。
57.图13显示了本发明天线甲烷传感器在第二谐振点的增益方向图。所实施天线甲烷传感器在工作频点处有着良好的辐射方向图和辐射增益。辐射增益最高值为4.8507db，主要面向天线顶部与底部辐射，辐射旁瓣较小，较第一频段辐射方向性加强。
58.图14显示了本发明天线甲烷传感器在第三谐振点的增益方向图。所实施天线甲烷传感器在工作频点处有着良好的辐射方向图和辐射增益。辐射增益最高值为5.4547db，主要面向天线顶部，辐射旁瓣增益较小，辐射方向性较强。在三个频段有不同的辐射增益效果，可以根据需求进行使用。
59.以上所述的实施例只是本发明的一个较佳的方案，然而其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的思路和范围的情况下，可以做出各种变化和变型。例如，上述实例的辐射金属片尺寸、辐射线的线宽、天线传感器的应用场景等，均可以按照本发明所述原理进行更新与改进。
60.由此可见，凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。