EBG 结构的天线微流体传感器

赵文生， 张园园， 王大伟， 王 晶

（杭州电子科技大学电子信息学院，杭州 310018）

0 引言

电磁带隙（Electromagnetic Bandgap，EBG）结构是一种典型的人工电磁材料结构［1-2］。其既可由自然界中的介质材料，也可由有耗介质、金属导体等其他介质材料按照一定的周期排列形成。结合当前传感器制造在微波领域成熟的制造工艺，广大研究学者在EBG结构微带天线等器件方向开展了广泛的学术和应用研究［3-5］。

无线系统中的天线用来发射和接收电磁波，而微带天线具有尺寸小、功耗低、易制作等优点，被广泛应用于传感器设计［6-8］。Arif等［9］设计的置于EBG 平面上的三角形天线，该结构制备的传感器可用来检测待测液体的介电常数；文献［10］中利用EBG结构和悬挂微带传输线制作了类似功能的传感器。随着纳米科技的发展，无线系统正朝着小型化、集成化、多功能化的方向发展，这使得包括天线在内的射频系统的设计变得越来越困难，同时意味着对天线功能的设计要求也越来越高。

本文基于EBG结构和微带天线各自的优点，设计一种微流体传感器结构，希望通过测量传感器反射系数随着其谐振频率的变化实现检测微流体介电常数的目的。

1 实验原理与设计

1.1 单元EBG结构设计

EBG结构具有可重构和谐振频率可调等特点，因此人工制造的EBG 结构可按照需求定制以满足指定的工作频率要求。研究表明，EBG结构的尺寸对测量结果的灵敏度有直接影响［11-13］。

本文设计的EBG结构如图1 所示。其中，EBG结构的衬底材料为FR4，其相对介电常数为4.4，损耗正切值为0.02，形状为半径34 mm、高2 mm 的圆柱形；衬底表面有一层金属，厚度为35 μm，半径为26 mm，金属表面刻有宽度为1 mm 的十字形沟槽，沟槽中间保持连通。沟槽的存在阻碍了表面波的传播，进而改变单元EBG结构的反射相位［14］。

图1 EBG结构示意图

为研究EBG结构表面沟槽的深度对EBG结构反射相位的影响，从EBG结构表面十字沟槽直接向下刻蚀衬底，单元EBG结构的反射相位随表面沟槽向下刻蚀衬底深度h之间的响应结果如图2 所示。由图可知，所选取的6 种沟槽深度条件下，EBG 结构在零相位处的谐振频率分别为2.589、2.625、2.646、2.656、2.667 和2.675 GHz。随着沟槽深度的增加，EBG 结构的谐振频率逐渐增大。

图2 EBG结构的反射相位与表面沟槽深度的关系

1.2 天线结构设计

根据沟槽深度与谐振频率间的对应关系，本文设计了一款工作频率在2 ～3 GHz之间的超宽带微带天线，如图3 所示。超宽带微带天线采用椭圆形结构［见图3（a）］，在ANSYS HFSS19.0 软件中根据天线反射系数S11随天线尺寸变化的特点，选取S11参数特征频率在2 ～3 GHz之间的结构为最终优化结构，优化后得到的超宽带微天线结构参数为：椭圆形面积为40 mm×20 mm；基板厚度为1 mm；r1＝9 mm；r2＝18 mm；r3＝12 mm；w1＝2.5 mm；l＝21.5 mm。按照上述尺寸实验加工实物见图3（b）所示。

图3 超宽带微天线

图4所示为天线测试图，实验测得该结构的实际工作频率在2.4 GHz左右，满足工作需求。

1.3 基于EBG结构的天线微流体传感器设计

设计的天线微流体传感器结构示意图，如图5 所示。中间深灰色区域代表EBG 结构；FR4 为衬底，其中红色区域指EBG 结构表面十字沟槽向下刻蚀衬底的深度；超宽带微带天线放置在EBG结构上方的中心位置即红色区域正上方；EBG结构与超宽带微带天线之间夹有一层厚度t＝5 mm 的矩形聚苯乙烯泡沫（Foam，介电常数为1），上下两边贴有双面胶，分别与天线及EBG结构的四角粘贴在一起，起到固定超宽带微带天线的作用。EBG结构谐振频率为2.68 GHz，与天线阻抗匹配良好。流体通道指刻蚀EBG 结构表面十字花纹直至衬底形成的沟槽，即红色区域，沟槽的宽度w和高度h均为1 mm。传感器各部分其他尺寸参数与前面一致。

图5 天线微流体传感器结构示意图

2 实验结果与分析

2.1 仿真计算结果

根据文献［15］可知4 种待测液体甲醇、乙醇、丙醇、丁醇样品在20 ℃时对应的介电常数分别为21.3、6.57、3.80、3.57，空气的介电常数为1。

在ANSYS HFSS19.0 软件中通过设置以上4 种待测液体样品仿真参数，模拟流经传感器时其S11参数对频率的响应，仿真过程中，结构边界采用辐射边界条件，结果如图6 所示。由图6 可知，4 种液体甲醇、乙醇、丙醇和丁醇仿真模拟所对应的谐振频率分别为2.588、2.568、2.472 和2.22 GHz。传感器的谐振频率随着液体样品介电常数的变化而变化，待测液体介电常数越大，传感器谐振频率与其自身谐振频率（流体通道内充满空气的情况）相比左移越显著。

图6 仿真条件下4种不同液体流经传感器时，其传输系数对频率的变化

2.2 实验验证

由仿真结果选取甲醇和乙醇2 种介电常数相对较大、频偏明显的液体进行实验验证，实验装置如图5 所示。顶层天线的实物见图3（b），中间深灰色为EBG结构［见图1（c）］。

室温下，用针管在EBG沟槽内分别注入甲醇和乙醇待测液体，液体样品注射过程中始终保持较小的压力避免液体样品会喷洒到EBG 结构的表面。沟槽注满液体后，用矢量网络分析仪测量天线S11参数随频率的变化，结果如图7 所示（图中加入了仿真结果用于与实验结果进行比对）。对于同一种待测液体，实验测量和仿真计算得到的S11参数虽然在强度上稍有差异，但S11参数峰值对应的频率位置几乎一致。谐振峰的频率位置反映了传感器的特征，强度仅代表了谐振的强弱。由图7 说明实验和理论结果一致，液体流经传感器时引起传感器谐振频率偏移且液体介电常数越大，频率左偏移越显著。因此通过传感器谐振频率偏移的大小可以检测待测液体的介电常数。

图7 甲醇和乙醇流经传感器时，其传输系数对频率变化的实验测试与仿真计算对比

2.3 灵敏度分析

传感器灵敏度的计算式［2］为

式中：f0为EBG结构的沟槽中充满空气时传感器的谐振频率；fr为沟槽内通过待测液体时传感器的谐振频率；Δε为介电常数的变化。根据式（1）可计算本文设计的天线微流体传感器S＝18%。

3 结语

本文提出了一种新的基于EBG 结构的天线微流体传感器结构。经仿真模拟和实验测试表明：二者结果一致；通过观察微带天线反射系数与传感器谐振频率间的数值变化关系可以确定传感器沟道内通过液体的介电常数。经过频偏和灵敏度分析，发现与同类型传感器相比：①本文设计的EBG 结构、微带天线较其他已知结果尺寸小；②同样甲醇液体的测试，本文传感器谐振频率偏移更大，灵敏度更高。

本文设计的微流体传感器可作为《电路与电子线路》的课程实例，并通过让学生对传感器进行等效电路建模、电路分析，实现教研结合。