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摘 要

提出了一种基于微带天线的盐溶液浓度检测传感器。该天线由一个新月形的贴片作为辐射单元和部分开槽形成的缺陷地构成。天线尺寸为32mm×22mm。采用HFSS对天线的性能进行了仿真分析。结果表明该天线的回波损耗lt;-10 dB频段为2.50 GHz到18 GHz，最大增益为6.1dBi，根据盐溶液中不同浓度所体现出的不同介电常数从而对电磁波产生了不同的反射和透射率进而可以作为探测盐溶液浓度的依据。实测结果表明，反射系数随盐溶液浓度的增加而减小，此外天线具有优良的宽带天线性能，对盐溶液浓度的检测具有良好的灵敏度。同时，该天线也可以根据同样的机理检测糖溶液浓度。

关键词：反射率；透射率；微带贴片天线；盐溶液浓度；传感器

Detection of Salt and Sugar Contents in Water on the Basis of Dielectric Properties Using Microstrip Antenna-Based Sensor

Abstract

A salt solution concentration detection sensor based on microstrip antenna is proposed. The antenna consists of a crescent-shaped patch as a radiation unit and a partially slotted defect ground. The antenna size is 32mm×22mm. The performance of the antenna is simulated and analyzed by HFSS. The results show that the return loss of the antenna is less than -10 dB, the frequency range is 2.50 GHz to 18 GHz, and the maximum gain is 6.1dBi. According to the different dielectric constants reflected by different concentrations in the salt solution, the electromagnetic wave has different reflection and transmittance, which can be used as the basis for detecting the concentration of salt solution. The measured results show that the reflection coefficient decreases with the increase of salt solution concentration. In addition, the antenna has excellent performance of wideband antenna and good sensitivity to the detection of salt solution concentration. Meanwhile, the antenna can also detect the concentration of sugar solution according to the same mechanism.

Key words: Reflectivity; Transmissivity; Microstrip Patch Antenna;Salt Solution Concentration; Sensor

目 录

摘 要

Abstract

第一章 引言

1.1课题背景及意义

1.2国内外研究方向以及研究现状

第二章 微带天线基础理论 2

2.1微带天线的辐射机理 2

2.2微带贴片天线的馈电方式 2

2.3微带天线的电参数 2

第三章 微带贴片天线的设计仿真 4

3.1微带贴片天线的结构 4

3.2微带天线的参数分析 4

3.3微带天线的仿真分析 9

第四章 天线测试与结果分析

4.1实验设备与方案

4.2实验结果分析

4.2.1温度对测量浓度的影响

4.2.2溶液浓度以及距离对天线的影响

第五章 小结与展望 20

5.1小结 20

5.2展望 20

致谢 21

参考文献 22

第一章 引言

1.1课题背景及意义

在当今的社会，随着人们的生活品质的越发优渥，人们对于追求生活品质的需求，也在不断的上升，但与此同时的是忽略了健康对于人的重要性，尤其是饮食方面。在日常生活的饮食中含有大量的盐和糖，人类面临着糖尿病、中风和肾衰竭等疾病。糖尿病，对于大家来说一定不陌生对我们的身体健康是非常大的伤害。这并不是简单的血糖含量升高，我们还可能会患上很多糖尿病的并发症，严重的会引起中风和肾衰竭，而盐会引发多种疾病，尤其是心血管疾病，摄入过多的食盐会导致身体钙的代谢发生异常，导致体内的钙大量流失，更严重的会引发致骨质疏松等疾病。由于过多食盐的摄入，人们常常会导致口渴，在这种情况下摄入的水分并不会通过代谢而排出体外，这些由于特殊情况而摄入的水分会进入血管，导致血压的升高，最后会引起高血压和糖尿病。我们在日常生活中，需要谨慎食用含糖量或含盐量较高的食物，只有这样，我们的身体健康才会有所保障，疾病也能更好的远离我们。然而食品和饮料中盐和糖含量的测定方法很少，许多人想加强对糖尿病的预防却无可奈何。本文研究通过无线电磁波检测的方法实现对含糖量和含盐量的非接触检测，并且会在实验时改变不同的外部条件，以此来实现天线在各种不同的外部条件下工作的稳定性，有助于实现人们的健康饮食。

1.2国内外研究现状以及研究方向

国内外测量溶液的浓度有多种方法，例如可以通过电解质的电导率进行溶液浓度的测量，或者通过阿贝折射仪来测量溶液的折射率以此来测定溶液的浓度，还有就是基于虚拟示波器的动态判别方法，基于掠入射法的浓度检测方法以及基于位移传感器的浓度检测方法等等，近些年来测量溶液浓度的方法有许多种，国内外对于盐溶液浓度的测量基本偏向于光学的研究，其中包括光敏电阻的旋光以及光谱法的测量等等，运用光学测量盐溶液浓度的技术较为成熟，但是国内外对于贴片天线发射微波来测定盐溶液浓度的案例较少，而本文着重介绍的是通过天线的反射系数来测定溶液的浓度，并且排除温度以及天线与溶液表面的距离的影响。近30年来微带贴片天线逐渐发展，是一种新型的天线。常用的微带贴片天线通常是在FR4这种材料上的，天线的背面通常会有金属薄片作为接地板，而天线的正面会有设计好的某种特定形状的金属贴片，利用微带线和轴线探针对贴片进行馈电，而这就是微带贴片天线。天线上的金属贴片可以是任何形状的，并不是仅限于圆形、矩形等基础的形状，可以通过运用软件进行设计来满足自己的特定需求。微带贴片天线有许多优点包括结构上的和电气上的，其中结构上上的优点有体积小、重量轻、薄的平面结构，能与飞行器共形，制造工艺简单，成本低等等；而电气上的优点有，能得到单方向的宽方向图，最大辐射基本上在平面的方向，易于实现线极化或圆极化和双频率工作。但由于其高Q特性，其输入阻抗对频率变化变得十分敏感，导致其有一定缺点的，例如：频带窄，效率低等等。这是因为微带贴片天线实质上接近封闭的谐振系统。微带贴片天线已经广泛应用于100MHz到100GHz的广阔频域上，包括全球定位系统、导弹、雷达、卫星通信系统、遥测遥控、环境监测、生物医学、移动通信系统以及远程遥感系统等等。

第二章 天线设计理论

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