基于近零传输法的流体介电特性微小变化检测关键问题研究

The signal of small change of fluid dielectric properties is very weak with strong background noise, and detecting the weak signal is an important task in the field of microwave measurement. Eliminating the background noise and enhancing the signal intensity in the measurement area are two important technical ways to realize the micro-change detection of fluid dielectric properties. Based on transmission-near-zero method, the micro-change detection method of alcohol solution and honey based on different concentration, temperature and external field is studied systematically in this project，and the mechanism of these small changes is analyzed deeply. The research contents include: the balance circuit detection technology of multiple ports based on the transmission-near-zero method, and two ports of every branch loading with the electric (magnetic) field enhancement stubs; The non-equilibrium model of two (multiple)ports detection method on the basis of the transmission-near-zero, such as two branches load with electric and magnetic field enhancement stubs, respectively , and every way has different power; the hybrid detection circuit of combined way of transmission-near-zero and resonance technique, as well as the hybrid detection circuit of the sensor with electric field enhancement region; finally the test results are analyzed with neural network method. The research of this project is of great theoretical and practical value for the detection the small changes of dielectric property.

流体介电特性微小变化的信息十分微弱，又伴随有强背景噪声，如何将这些淹没在背景噪声中的微弱信息检测出来，是微波测量领域亟待解决的重要课题。消除背景噪声和增强测量区域信号为实现流体介电特性微小变化检测提供了重要的物理思想。本项目将以近零传输法为基础，系统研究醇类溶液及蜂蜜因浓度、温度及外场导致的介电特性的微小变化的检测方法，并分析这些微小变化的机理，研究内容包括：基于近零传输法平衡型电路多端口及两支路同时加载电场（磁场）增强的双端口检测方法；基于近零传输法非平衡型电路的两支路分别加载电场和磁场增强及各支路分别承载不同功率的双（多）端口检测方法；近零传输法与谐振法相结合的混合型电路的检测方法，以及混合型传感器测量区域电场增强的检测方法；最后采用神经网络方法对检测结果进行分析。本项目的研究对实现流体介电特性微小变化的检测具有重要的理论意义和实用价值。

流体介电特性的微小变化的微波检测在生物医学、微波化学、细胞学等领域内有着重要的应用。当研究对象是微流体时，其介电特性的微小变化引起的信号十分微弱，且这些微弱信号常淹没在传输线的背景噪声中，传统的微波测试方法如传输法、反射法等因灵敏度受限而无法识别这些微弱信号。如何消除背景噪声、提高传感器的分辨率是识别微流体介电特性微小变化的有效手段。本项目围绕“近零传输法”这个中心思想，层层递进，通过引入人工电磁超材料，深度剖析和拓展“近零传输”的物理思想。项目组成员首先采用传统传输线设计了多端口近零传输型传感器，并分析影响其灵敏度的因素；引入人工电磁超材料研究局域场增强技术，并将该方法应用在传统的近零传输型传感器上，以实现近零背景下强测试信号的目的；采用更易实现“近零传输”的单负型电磁超材料设计近零传输型传感器，进一步拓展“近零传输”的物理思想，并引入了新颖的检测理论（分频技术）。项目组成员围绕上述物理思想，结合人工电磁超材料技术，设计了单频单、双（多）端口，以及双频双端口近零传输型传感器，并将慢波技术与传统的近零思路相结合设计了复合型宽带近零传输型传感器，采用这些传感器实现了微流体介电特性微小变化的检测，在理论上给出了介电特性微小变化与被测参数之间的关系，并积极探索不同物质在微观状态下不同排列方式所引起的特性参数的变化，将微观参数变化与宏观可测量联系在一起，实现理论与实验的有机结合。本项目的研究对揭示微波与物质之间的相互作用提供理论和实验支撑，为进一步研制便携式微分析检测系统奠定基础。