摘要：設(shè)計(jì)了一種用于土壤含水量測(cè)量的微帶諧振環(huán)式傳感器。利用仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)傳感器進(jìn)行了仿真分析，并完成了諧振環(huán)的制作及實(shí)驗(yàn)測(cè)量。仿真與測(cè)量結(jié)果表明，這種諧振環(huán)式含水量傳感器可用于測(cè)量土壤含水量，相較傳統(tǒng)的電容傳感方法、時(shí)域反射儀傳感方法等，其在測(cè)量準(zhǔn)確性上具有優(yōu)勢(shì)，且體積小巧，易于安裝使用。
　　
　　關(guān)鍵詞：微帶；諧振環(huán)；含水量；傳感器
　　
　　引言
　　
　　土壤含水量的變化會(huì)影響建筑物的穩(wěn)定性、路基路面的沉陷裂變、地下水的流動(dòng)等特性。土壤含水量的測(cè)量在地質(zhì)學(xué)、土壤學(xué)、遙感勘探、道路交通、環(huán)境監(jiān)測(cè)等研究與應(yīng)用領(lǐng)域都具有重要意義。科學(xué)家或工程人員通過連續(xù)不間斷地對(duì)土壤含水量進(jìn)行監(jiān)測(cè)可以獲得大量有用信息，從而對(duì)環(huán)境條件的評(píng)估提供重要依據(jù)。目前較常用的含水量測(cè)量方法普遍存在測(cè)量精度不高、適用性不強(qiáng)或成本過高等問題，而尚沒有一種在綜合性能上可以較好滿足例如穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、防水性以及耐久性等需求的低成本含水量測(cè)量方法或工具。從這一設(shè)計(jì)角度出發(fā)，本文通過理論研究及仿真設(shè)計(jì)了一種微帶諧振式（Miero-stripResonator）含水量傳感器，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量。
　　
　　與傳統(tǒng)電容傳感器（CapacitiveSensor）、傳輸線傳感器（Transmission-lineSensor）或時(shí)域反射儀傳感器（TimeDomainReflectometry，TDR）等的工作原理不同，微帶諧振式傳感器測(cè)量方法基于諧振頻率變化與含水量變化之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系——對(duì)于不同的含水量環(huán)境，微帶諧振器會(huì)工作于不同的諧振頻率上，因此通過測(cè)量諧振器的諧振頻率或者在諧振點(diǎn)的信號(hào)幅度就可以計(jì)算得到相應(yīng)的含水量數(shù)據(jù)。考慮到含水量測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，本文將討論工作頻率在1．25GHz的微帶諧振器的設(shè)計(jì)方案。仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果表明，這種微帶諧振式含水量傳感器從綜合性能上較好地滿足設(shè)計(jì)需求，可應(yīng)用于土壤含水量監(jiān)測(cè)。
　　
　　1、傳感器設(shè)計(jì)
　　
　　諧振式含水量傳感器利用諧振頻率的變化以及諧振品質(zhì)因數(shù)的變化來測(cè)量含水量。當(dāng)某一固定介電常數(shù)的介質(zhì)基板與另一不同介電常數(shù)的介質(zhì)材料有接觸邊界時(shí)，其有效介電常數(shù)將會(huì)改變，從而引起諧振頻率的改變。
　　
　　傳播常數(shù)γ為復(fù)數(shù)，由下式表示：　　
　　式中：σ為電導(dǎo)率；ε為相對(duì)介電常數(shù)；μ為介質(zhì)的磁導(dǎo)率。在有耗媒質(zhì)中，σ≠0，ε=ε0εEr，μ=μ0μr。
　　
　　媒質(zhì)的含水量可看作其有效介電常數(shù)的函數(shù)。由式（2）可知，有效介電常數(shù)分為兩部分，其中與相對(duì)介電常數(shù)ε關(guān)系為線性，而與其電導(dǎo)率σ之間的關(guān)系為非線性。在某些含水量的測(cè)量和計(jì)算方法中，通常忽略了土壤介電常數(shù)中其虛部對(duì)含水量的影響，這將引起含水量計(jì)算結(jié)果的不準(zhǔn)確性，因?yàn)閲?yán)格說來介電常數(shù)的實(shí)部與虛部在其特定動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)均將對(duì)土壤含水量的計(jì)算產(chǎn)生影響。而在本文所提出的微波諧振式含水量測(cè)量方法中，其介電常數(shù)的實(shí)部與虛部均可測(cè)得，避免了測(cè)量不準(zhǔn)確的問題。
　　
　　微帶諧振環(huán)可看作一個(gè)簡(jiǎn)單的傳輸線諧振器。設(shè)計(jì)工作中主要考慮三個(gè)因素：
　　
　　（1）結(jié)構(gòu)尺寸。根據(jù)微帶天線設(shè)計(jì)理論，當(dāng)有限大接地板與基板的比例大于5時(shí)，計(jì)算線性電容的前向模型可認(rèn)為是準(zhǔn)確的；
　　
　　（2）間隙因數(shù)。間隙因數(shù)為介質(zhì)基板內(nèi)部存儲(chǔ)的電能量所占總存儲(chǔ)能量的百分比。對(duì)于微帶諧振器而言，保證沿線的特征阻抗為50Ω即可滿足這一要求；
　　
　　（3）耦合。本設(shè)計(jì)采用將開路同軸線直接連接于微帶下方來激勵(lì)諧振環(huán)的方式。
　　
　　圖1分別給出了一種諧振環(huán)的正面與剖面結(jié)構(gòu)。　　
　　當(dāng)諧振環(huán)的長(zhǎng)度大約為π*d=λ時(shí)會(huì)出現(xiàn)*諧振頻率。諧振環(huán)的諧振頻率可通過式（3）計(jì)算：　　
　　式中：d為諧振環(huán)的平均直徑；l為諧振環(huán)的周長(zhǎng)。從另一個(gè)角度說，當(dāng)諧振環(huán)的諧振基頻已知的前提下，通過測(cè)量某一已知直徑諧振環(huán)的諧振頻率，可間接計(jì)算出在此諧振頻率上的有效介電常數(shù)。　　
　　對(duì)于特定基板，在給定無負(fù)載特征阻抗Z0的情況下，圖2中的微帶寬度w可通過下式計(jì)算得到。　　
　　當(dāng)基板介電常數(shù)εs=6．15，高度h=0．254cm，特征阻抗Z0=50Ω，諧振頻率f0=1．25GHz時(shí)，微帶寬度以及諧振環(huán)周長(zhǎng)通過計(jì)算確定分別為0．37cm和11．4cm。
　　
　　2、仿真設(shè)計(jì)
　　
　　本文工作采用AnsoftHFSS軟件對(duì)環(huán)形諧振器進(jìn)行仿真。圖3為HFSS仿真環(huán)境中的環(huán)型諧振器模型。諧振環(huán)的左右分別有兩個(gè)小孔，分別為諧振環(huán)的饋電／耦合端口，饋電端口用于饋入輸入信號(hào)，耦合端口用于檢測(cè)環(huán)境的含水量變化并將信號(hào)送入檢測(cè)電路。此外，在小孔周圍分別有一個(gè)空氣環(huán)，外環(huán)半徑r2為1．8～2mm，內(nèi)環(huán)半徑r1隨不同仿真情況改變。饋電端采用50Ω同軸線饋電。　　
　　HFSS仿真中zui大網(wǎng)格數(shù)選為20，頻率掃描范圍為1～5GHz。
　　
　　圖4給出了當(dāng)諧振環(huán)結(jié)構(gòu)中r1=1．2cm，r2=1．8cm時(shí)的仿真結(jié)果。可以看出，隨著ε2和tanδ的增大，*諧振點(diǎn)也向高頻移動(dòng)，即表明，當(dāng)含水量數(shù)值增大時(shí)，諧振頻率減小，呈反比關(guān)系。　　
　　3、實(shí)驗(yàn)測(cè)量
　　
　　文中所設(shè)計(jì)的環(huán)型微帶諧振器如圖5所示。諧振環(huán)內(nèi)半徑為1．34cm，外半徑為1．64cm，環(huán)寬0．3cm，諧振環(huán)與接地金屬板之間為單層PCB板。諧振環(huán)由同軸線饋電，同軸線外芯與諧振器接地金屬板連接，同軸線內(nèi)芯穿過諧振環(huán)上的小孔但并不與其產(chǎn)生電接觸，對(duì)諧振環(huán)進(jìn)行小孔激勵(lì)。當(dāng)將此諧振器放人待測(cè)介質(zhì)（如：土壤或沙子等）時(shí)，諧振環(huán)上小孔與同軸內(nèi)芯所形成的間隙會(huì)呈現(xiàn)特定的電容值，而這一電容值會(huì)隨著周圍待測(cè)介質(zhì)中的含水量變化而變化。同時(shí)，這一電容值會(huì)改變諧振器的諧振頻率，因此待測(cè)介質(zhì)的含水量可通過測(cè)量環(huán)型諧振器諧振頻率的大小而得到。
　　
　　圖6為諧振式傳感器系統(tǒng)框圖。電路系統(tǒng)中所使用的微處理器為ATmega8L，頻率同步器采用AD9956，其輸出信號(hào)連接環(huán)形諧振探頭，并直接與測(cè)濕環(huán)境相接觸。環(huán)形諧振器的諧振頻率變化信號(hào)由RF探測(cè)頭AD8318檢測(cè)。當(dāng)待測(cè)媒質(zhì)含水量發(fā)生變化時(shí)，其介電常數(shù)也會(huì)隨之變化，從而引起輸出信號(hào)的改變。　　
　　表1給出了使用環(huán)型諧振傳感器測(cè)量沙子樣本含水量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。表中“頻率”與“幅度”分別代表傳感器的諧振頻率及在諧振點(diǎn)時(shí)的信號(hào)幅度。表1中的實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)表明，當(dāng)將此環(huán)型諧振器埋于不同含水量的沙子中時(shí)，所測(cè)得的諧振頻率及接收信號(hào)幅度均與沙子含水量呈單調(diào)變化關(guān)系（接近于線性關(guān)系）。其中信號(hào)幅度及諧振頻率與含水量的關(guān)系曲線如圖7所示。　　
　　由圖7可看出，無論是諧振頻率還是信號(hào)幅度，均與含水量之間呈現(xiàn)一種接近于線性的單調(diào)關(guān)系。在實(shí)現(xiàn)一定校準(zhǔn)的前提下，通過測(cè)量此環(huán)型諧振器的諧振頻率或信號(hào)幅度均可直接測(cè)得介質(zhì)的含水量參數(shù)。
　　
　　4、結(jié)論
　　
　　從新型傳感器的發(fā)展方向來看，本文中所設(shè)計(jì)的微帶環(huán)型諧振器具有結(jié)構(gòu)小巧、安裝使用簡(jiǎn)單、穩(wěn)定耐用的特點(diǎn)，并且與目前使用較多的電容式傳感器相比，這種基于微波原理的傳感器結(jié)果更為；與價(jià)格昂貴的時(shí)域反射式傳感器（TDR）相比，這種微波諧振傳感器的造價(jià)低廉，便于推廣，可用于大面積大規(guī)模的含水量監(jiān)測(cè)工程，具有可觀的應(yīng)用潛力。