Мультирезонансный микрополосковый датчик на основе комплементарных кольцевых резонаторов для диэлектрической спектроскопии жидких сред
Журнал: Научное приборостроение @nauchnoe-priborostroenie
Рубрика: Физика приборостроения
Статья в выпуске: 3, 2026 года.
Бесплатный доступ
В статье представлены результаты экспериментального исследования трехчастотного планарного датчика, реализованного на базе микрополосковой линии передачи с тремя концентрическими комплементарными кольцевыми резонаторами (CSRR), интегрированными в заземленный слой печатной платы из стеклотекстолита FR-4. Целью исследования является разработка высокочувствительного мультичастотного устройства для идентификации состава растительных масел по частотному сдвигу резонансов. Методология базируется на регистрации изменения модуля коэффициента передачи |S21| при нанесении исследуемой жидкости в резервуары, расположенные непосредственно над каждым из трех концентрических колец с радиусами 6.3, 4.2 и 3.0 мм, настроенными на частоты 1.5, 2.45 и 3.8 ГГц соответственно. В качестве модельных сред использовались чистое оливковое масло (с относительной диэлектрической проницаемостью ɛ’ ≈ 2.5), а также его смеси с 5% подсолнечного масла (ɛ’ ≈ 2.8) и 5% льняного масла (ɛ’ ≈ 3.0). Экспериментально установлено, что рост диэлектрической проницаемости исследуемых образцов вызывает предсказуемый синхронный низкочастотный сдвиг всех трех резонансных пиков. Наибольшую чувствительность, составляющую 340 МГц на единицу изменения диэлектрической проницаемости, демонстрирует высокочастотный резонатор малого размера (3.0 мм), обеспечивающий абсолютный сдвиг до 170 МГц при переходе от чистого масла к смеси с льняным. Полученные результаты свидетельствуют о перспективности применения разработанного датчика для экспресс-диагностики и обнаружения примесей с концентрацией менее 5% в системах автоматизированного контроля качества пищевых продуктов.
Короткий адрес: https://sciup.org/142248571
IDS: 142248571 | УДК: 535.417.2
Multi-resonant microstrip sensor based on complementary split-ring resonators for dielectric spectroscopy of liquid media
The paper presents the experimental results of a three-frequency planar sensor implemented on the basis of a microstrip transmission line with three concentric complementary split-ring resonators (CSRRs) integrated into the ground layer of an FR-4 glass-fiber printed circuit board. The relevance of the work is due to the need for rapid and non-destructive quality control of olive oil, which is often adulterated by adding cheaper oils. The aim of the research is to develop a highly sensitive multi-frequency device for identifying the composition of vegetable oils based on the frequency shift of resonances. The methodology is based on recording changes in the magnitude of the transmission coefficient |S21| when the test liquid is placed into reservoirs located directly above each of the three concentric rings with radii of 6.3, 4.2, and 3.0 mm, tuned to frequencies of 1.5, 2.45, and 3.8 GHz, respectively. Pure olive oil (with a relative dielectric permittivity of ~2.5), as well as its mixtures with 5% sunflower oil (~2.8) and 5% linseed oil (~3.0), were used as model media. It was experimentally established that an increase in the dielectric permittivity of the tested samples causes a predictable synchronous low-frequency shift of all three resonant peaks. The highest sensitivity, amounting to 340 MHz per unit change in dielectric permittivity, is demonstrated by the small-sized high-frequency resonator (3.0 mm), which provides an absolute shift of up to 170 MHz when moving from pure oil to the linseed oil mixture. The results obtained indicate the prospects of using the developed sensor for express diagnostics and detection of impurities with a concentration of less than 5% in automated food quality control systems.
Текст научной статьи Мультирезонансный микрополосковый датчик на основе комплементарных кольцевых резонаторов для диэлектрической спектроскопии жидких сред
Традиционные методы, включая газовую хроматографию, для распознавания смесей растительных масел требуют длительной пробоподго-товки [1]. Перспективной альтернативой является микроволновая диэлькометрия, поскольку диэлектрические параметры масел коррелируют с их жирнокислотным составом [2]. Современные ме-таматериальные структуры, в частности комплементарные кольцевые резонаторы (CSRR — Complementary Split-Ring Resonators), позволяют добиться сильной локализации электромагнитного поля в щелях, что обеспечивает высокую чувствительность к диэлектрическим изменениям покрывающего слоя [3]. Целью работы является разработка и исследование трехчастотного датчика на основе трех концентрических CSRR для количественного анализа состава масел. Новизна заключается в применении мультирезонансного подхода с резервуарами, размещенными над каждым кольцом, что позволяет получить три независимых параметра (сдвига частот) для одного образца [4].
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Конструкция сенсора и используемые материалы
Сенсорная структура выполнена на базе двусторонней печатной платы из стеклотекстолита марки FR-4. Толщина подложки h = 0.8, относительная диэлектрическая проницаемость ε’ = 4.3, тангенс угла потерь tan δ = 0.025. Медные проводящие слои имеют толщину t = 35 мкм с проводимостью σ = 5.8⋅107 См/м. На лицевой стороне сформирована микрополосковая линия шириной w = 1.5 мм (волновое сопротивление 50 Ом, длина L = 80 мм) (рис. 1).
В земляном (заземленном) слое обратной стороны вырезаны три концентрических CSRR. Ширина кольца и щели для всех элементов составила 0.35 мм, а расстояние между центрами соседних резонаторов — 20 мм для минимизации связи [5]. Геометрические параметры выбраны для работы
Рис. 1. Электродинамическая модель (вид сверху)
Рис. 2. Электродинамическая модель (вид снизу).
Резонаторы: 1 — низкочастотный, 2 — среднечастотный, 3 — высокочастотный
на трех частотах: низкочастотный резонатор (внешний радиус R out1 = 6.3 мм) настроен на 1.5 ГГц, среднечастотный ( R out2 = 4.2 мм) — на 2.45 ГГц, высокочастотный ( R out3 = 3.0 мм) — на 3.8 ГГц. Выбор концентрической топологии позволяет обеспечить мультичастотный отклик без значительного взаимовлияния (рис. 2) [6].
Физический механизм сдвига частоты в данной конструкции описывается моделью эквивалентного LC-контура [7]. При нанесении жидкости в резервуары над кольцами поле в зазорах CSRR взаимодействует с полярными молекулами, увеличивая эквивалентную емкость. Резонансная частота обратно пропорциональна корню из произведения индуктивности и емкости, что и вызывает низкочастотный сдвиг [8].
Методика проведения эксперимента
В качестве исследуемых сред применялись три образца: чистое оливковое масло, смесь оливкового масла с 5% подсолнечного масла и смесь оливкового масла с 5% льняного масла. Измерение коэффициента передачи S 21 проводилось в диапазоне от 0 до 10 ГГц. Исследуемые образцы загружались в резервуары, расположенные непосредственно над каждым из колец, при этом жидкость полностью покрывала область CSRR-резонаторов [9].
Результаты и их анализ
В ходе эксперимента зафиксированы три выраженных резонансных провала, соответствующие каждому CSRR (рис. 3).
Рис. 3. Зависимость коэффициента передачи S 21 от частоты для трех исследуемых образцов масла.
1 — чистое оливковое (test = 2.5, маркеры 1, 2, 3); 2 — смесь с подсолнечным (test = 2.8, маркеры 4, 5, 6);
3 — смесь с льняным (test = 3.0, маркеры 7, 8, 9)
Значения относительной диэлектрической проницаемости (ε′) испытуемых сред: чистое оливковое масло ( ε ′ ≈ 2.5), смесь с 5% подсолнечного масла ( ε ′ ≈ 2.8), смесь с 5% льняного масла ( ε ′ ≈ ≈ 3.0) [10, 11]. Экспериментальные значения сведены в табл. 1.
Данные демонстрируют систематическое смещение частот в низкочастотную область. Абсолютные сдвиги представлены в табл. 2. Наибольший сдвиг (170 МГц) зафиксирован для третьего резонатора при переходе от чистого масла к смеси с льняным.
Полученный сдвиг объясняется различным составом жирных кислот. Подсолнечное масло бога- то линолевой кислотой, а льняное — альфа-линоленовой кислотой, обладающей более высокой полярностью, что увеличивает ε′ [12]. Наибольшая чувствительность высокочастотного резонатора (Rout3 = 3.0 мм) обусловлена ростом напряженности поля в щелях с уменьшением размеров резонатора [13, 14]. Глубина резонансных провалов меняется незначительно, что свидетельствует о стабильности связи. Сравнение с литературными данными показывает преимущество трехчастотного подхода перед однодиапазонными аналогами, т.к. позволяет получить несколько независимых параметров, снижая влияние случайных погрешностей [15].
Табл. 1. Экспериментальные значения резонансных частот и амплитуд коэффициента передачи
|
Исследуемый образец |
Резонанс 1 (НЧ) |
Резонанс 2 (СЧ) |
Резонанс 3 (ВЧ) |
|||
|
f 1 , ГГц |
S21, дБ |
f 2 , ГГц |
S21, дБ |
f 3 , ГГц |
S21, дБ |
|
|
Чистое оливковое масло ( ε ′ = 2.5) |
1.61 |
–16.55 |
2.58 |
–20.86 |
3.90 |
–23.22 |
|
Оливковое + 5% подсолнечного ( ε ′ = 2.8) |
1.56 |
–16.06 |
2.50 |
–20.90 |
3.77 |
–22.53 |
|
Оливковое + 5% льняного ( ε ′ = 3.0) |
1.54 |
–15.76 |
2.47 |
–20.77 |
3.73 |
–21.92 |
Табл. 2. Анализ сдвига резонансных частот при переходе между образцами
|
Сравниваемые образцы |
Абсолютный сдвиг f 1 , МГц |
Абсолютный сдвиг f 2 , МГц |
Абсолютный сдвиг f 3 (ВЧ), МГц |
|
Чистое оливковое → Оливковое + 5% подсолнечного |
50 |
80 |
130 |
|
Оливковое + 5% подсолнечного → Оливковое + 5% льняного |
20 |
30 |
40 |
|
Чистое оливковое → Оливковое + 5% льняного |
70 |
110 |
170 |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе исследования экспериментально подтверждена высокая эффективность трехчастотного микрополоскового датчика на основе трех концентрических CSRR для дифференциации растительных масел. Максимальная чувствительность (170 МГц), зафиксированная на резонаторе с радиусом 3.0 мм, позволяет детектировать примеси менее 5%. Представленные данные формируют базу для калибровки промышленных устройств контроля качества.
