本發(fā)明涉及一種微帶貼片諧振器，尤其是一種測量汽輪機濕度的微帶貼片諧振器，屬于微波測量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前，國內(nèi)外用于汽輪機內(nèi)流動濕蒸汽濕度的測量方法主要是熱力學(xué)法、光學(xué)法、CCD成像技術(shù)及微波微擾法。微波微擾法是基于微波諧振腔的微擾，即微波諧振腔的諧振頻率隨腔內(nèi)電介質(zhì)的介電常數(shù)變化發(fā)生偏移，在一定的溫度、壓力下，濕蒸汽的介電常數(shù)只與其濕度有關(guān)，因此，可以通過測量濕蒸汽通過微帶諧振器時產(chǎn)生的頻率偏移量來實現(xiàn)蒸汽濕度的在線測量。張淑娥等在“空氣濕度微波諧振腔測量方法”(中國電機工程學(xué)報，2008，28(2)：27-32)中提出了金屬圓柱型諧振腔濕度傳感器，搭建了蒸汽濕度測量系統(tǒng)。但是，金屬圓柱諧振腔濕度傳感器存在體積大，隨溫度變化腔體體積膨脹縮小，諧振頻率漂移嚴重的問題。張淑娥等在“微帶縫隙實現(xiàn)汽輪機蒸汽濕度測量的研究”(華北電力大學(xué)學(xué)報，2016，43(1)：99-103，110)中提出一種雙通道微帶縫隙諧振器濕度傳感方法，該方法采用微帶線結(jié)構(gòu)，通過測量濕蒸汽通過微帶諧振器縫隙時產(chǎn)生的頻率偏移量來實現(xiàn)蒸汽濕度的在線測量。但是，普通微帶線結(jié)構(gòu)測量濕蒸汽的濕度是利用濕蒸汽通過微帶縫隙時電容的變化引起頻偏實現(xiàn)的，蒸汽濕度的變化引起的頻偏小。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種測量汽輪機濕度的微帶貼片諧振器。

本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種測量汽輪機濕度的微帶貼片諧振器，包括貼片、介質(zhì)層和接地板；介質(zhì)層由基質(zhì)層和樣本層組成，貼片印刷在樣本層頂部，樣本層的底部與接地板接觸，其頂部與基質(zhì)層接觸；樣本層為一個空腔。

所述貼片為矩形貼片。

所述倒置微帶貼片諧振器的諧振頻率f_r為：

其中，v₀是光速度；m、n為諧振模式序號，L_eff和W_eff分別為貼片(1)的等效長度和等效寬度；ε_rdyn是動態(tài)等效相對介電常數(shù)，其計算方法為：

式中，ε_r1為樣本層的相對介電常數(shù)，ε_r2為基質(zhì)層的相對介電常數(shù)，L和W分別為貼片(1)的物理長度與物理寬度，h₁和h₂分別為樣本層和基質(zhì)層的厚度；C_dyn(ε_r1,ε_r2,L,W,h₁,h₂)和C_dyn(ε_r1＝ε_r2＝1,L,W,h₁,h₂)分別為介質(zhì)填充和空氣填充條件下倒置微帶貼片諧振器的總動態(tài)電容；介質(zhì)填充條件下倒置微帶貼片諧振器的總動態(tài)電容C_dyn為：

C_dyn(ε_r1,ε_r2,L,W,h₁,h₂)＝C_o,dyn(ε_r1,L,W,h₁)+2C_e1,dyn(ε_r1,ε_r2,L,W,h₁,h₂)+2C_e2,dyn(ε_r1,ε_r2,L,W,h₁,h₂)

(3)

式中，C_o,dyn是貼片(1)的中心動態(tài)電容，C_e1,dyn和C_e2,dyn分別是貼片(1)沿長度L方向的邊緣電容和沿寬度W方向的邊緣電容；

貼片(1)的中心動態(tài)電容C_o,dyn由下式計算：

式中，C_o,stat為貼片(1)的中心靜態(tài)電容，其計算方法為：

式中，ε₀為真空中的介電常數(shù)；

貼片(1)沿長度L方向的邊緣電容C_e1,dyn和沿寬度W方向的邊緣電容C_e2,dyn可分別由下式計算得到：

貼片(1)沿長度L方向的靜態(tài)邊緣電容C_e1,sta為：

式中，Z(W)和Z₀(W)分別為介質(zhì)填充和空氣填充條件下寬度為W的倒置微帶貼片諧振器的特性阻抗；v₀為光速；C₁為沿L方向上單位長度的總電容；

貼片沿寬度W方向的邊緣電容C_e2,sta(ε_r1,ε_r2,L,W,h₁,h₂)可由下式計算得到：

式中，Z(L)和Z₀(L)分別為介質(zhì)填充和空氣填充條件下寬度為L的倒置微帶貼片諧振器的特性阻抗；v₀為光速；C₂為沿W方向上單位長度的總電容；

貼片的等效長度L_eff可以由下式得到：

其中，

式中，Z(W)和ε_reff(W)分別是貼片(1)的特性阻抗和有效介電常數(shù)；貼片(1)的有效介電常數(shù)ε_reff(W)可以由下式求得：

貼片的等效寬度W_eff可以可以由下式得到：

其中，

式中，Z(L)和ε_reff(L)分別是貼片(1)的特性阻抗和有效介電常數(shù)；貼片(1)的有效介電常數(shù)ε_reff(L)可以由下式求得：

貼片(1)的尺寸是由工作頻率確定的,其寬度W為：

貼片的長度L的尺寸為：

其中，ΔL為貼片(1)的等效伸長量：

樣本層的介質(zhì)厚度h₁選取為2mm，貼片的長度L＝44mm，寬度為W＝50mm，基質(zhì)層的介電常數(shù)ε_r2＝2.2時，基質(zhì)厚度h₂大于0.5mm。

基質(zhì)層的厚度h₂＝0.787mm

倒置微帶貼片諧振器采用同軸饋電，同軸饋電的內(nèi)半徑為0.7mm，外半徑為1.6mm，饋點所在位置為(-9.74mm,0mm,0mm)，倒置微帶貼片諧振器的輸入阻抗等于50Ω。

采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于：

1、本發(fā)明采用倒置微帶貼片諧振器，濕蒸汽的濕度變化體現(xiàn)為基質(zhì)層介電常數(shù)的變化，導(dǎo)致諧振頻率發(fā)生偏移，從而實現(xiàn)濕度的測量。倒置微帶貼片諧振器較普通微帶線結(jié)構(gòu)具有更高的品質(zhì)因數(shù)，且濕度變化體現(xiàn)為整個基質(zhì)層介電常數(shù)的變化，對濕蒸汽濕度的變化反應(yīng)靈敏度更高。

2、本發(fā)明中的微帶貼片諧振器，在蒸汽濕度每變化1％時，諧振器頻偏約為18KHz，約為微帶縫隙諧振器頻偏的3.6倍，有利于蒸汽濕度的準(zhǔn)確測量，更適用于汽輪機蒸汽濕度的在線測量。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明中的貼片尺寸圖；

圖3是諧振頻率與濕蒸汽介電常數(shù)關(guān)系圖；

圖4是本發(fā)明的S參數(shù)仿真結(jié)果；

其中1-貼片，2-接地板。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明。

如圖1所示，一種測量汽輪機濕度的微帶貼片諧振器，包括貼片1、基質(zhì)層和接地板2；基質(zhì)層由基質(zhì)層和樣本層組成，貼片印刷在樣本層頂部，樣本層的底部與接地板接觸，其頂部與基質(zhì)層接觸；樣本層為一個空腔。

濕蒸汽可以認為是由干飽和水蒸汽和很小的飽和水滴組成的，這種混合物的尺寸非常小，大部分水滴直徑小于2um，最大的尺寸也只有200um左右，遠遠小于微波的波長，所以，濕蒸汽混合物的等效介電常數(shù)只和液相的體積份數(shù)有關(guān)系，而與水滴的尺寸無關(guān)。由于氣態(tài)水和液態(tài)水的介電常數(shù)不同，在微波頻率范圍內(nèi)，常溫下水蒸汽的介電常數(shù)接近于1，而液態(tài)水的介電常數(shù)約為80。濕蒸汽的濕度不同時，汽液兩相所占比例不同，不同濕度蒸汽的介電常數(shù)也就不同。因此，濕蒸汽介電常數(shù)的大小反映了蒸汽濕度大小，可以通過測量濕蒸汽的介電常數(shù)來間接測量蒸汽的濕度。

研究表明，當(dāng)在厘米波波段，濕蒸汽的介電常數(shù)實部不隨頻率變化，只是溫度的函數(shù)，等于其靜介電常數(shù)；虛部很小，損耗非常低。當(dāng)微波波長大于1cm時，濕蒸汽的復(fù)介電常數(shù)的實部與濕度變化近似成線性關(guān)系。濕度從5％到15％，濕度平均每增加1％，其復(fù)介電常數(shù)的實部增加值為：30℃時，增加1.16×10-6；60℃時，增加5.05×10-6；100℃時，增加2.00×10-5。當(dāng)壓力為0.007MPa的條件下，濕蒸汽的濕度與介電常數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系，如表1所示。由表1可得，濕蒸汽的介電常數(shù)與濕度近似成線性關(guān)系，濕度每增加1％，介電常數(shù)增加1.5×10-5。而根據(jù)微擾理論，樣本層的介電常數(shù)ε_r1的微小變化，會引起諧振器諧振頻率的偏移，通過測量諧振頻率可以確定濕蒸汽的復(fù)介電常數(shù)實部，進而得到對應(yīng)的濕度值。

如圖2所示，本實施例中的貼片為矩形貼片，基質(zhì)層的厚度h₂和介電常數(shù)ε_r2是已知參數(shù)，樣本層的厚度h₁已知，但是介電常數(shù)ε_r1未知。測量時，濕蒸汽充滿樣本層，當(dāng)濕蒸汽的濕度發(fā)生變化時，樣本層的介電常數(shù)發(fā)生改變，諧振頻率也隨之變化。因此通過測量樣本層的諧振頻率，就可以得到相應(yīng)的介電常數(shù)，從而實現(xiàn)濕度的測量。

倒置微帶貼片諧振器的諧振頻率為

其中，ε_rdyn是動態(tài)等效相對介電常數(shù)；v₀是光速度；m、n為諧振模式序號，L_eff和W_eff分別為貼片1的等效長度和等效寬度。由于邊緣場的影響，等效長度L_eff和等效寬度W_eff比物理長度L和物理寬度W稍大。

動態(tài)等效相對介電常數(shù)是媒質(zhì)參數(shù)和貼片1尺寸的函數(shù)，定義為:

其中，C_dyn(ε_r1,ε_r2,L,W,h₁,h₂)和C_dyn(ε_r1＝ε_r2＝1,L,W,h₁,h₂)分別為介質(zhì)填充和空氣填充條件下倒置微帶貼片諧振器的總動態(tài)電容，ε_r1為樣本層的相對介電常數(shù)，ε_r2為基質(zhì)層的相對介電常數(shù)，L和W分別為貼片1的物理長度與物理寬度，h₁和h₂分別為樣本層和基質(zhì)層的厚度。

介質(zhì)填充條件下倒置微帶貼片諧振器的總動態(tài)電容C_dyn為：

C_dyn(ε_r1,ε_r2,L,W,h₁,h₂)＝C_o,dyn(ε_r1,L,W,h₁)+2C_e1,dyn(ε_r1,ε_r2,L,W,h₁,h₂)+2C_e2,dyn(ε_r1,ε_r2,L,W,h₁,h₂)

(3)

其中，C_o,dyn是貼片1的中心動態(tài)電容，取決于樣本層的介電常數(shù)和厚度；C_e1,dyn和C_e2,dyn分別是貼片1沿長度L方向的邊緣電容和沿寬度W方向的邊緣電容。

貼片1的中心動態(tài)電容C_o,dyn是由貼片1的分布電場產(chǎn)生的，可由下式計算：

其中，

式中，ε₀為真空中的介電常數(shù)；

貼片1沿長度L方向的邊緣電容C_e1,dyn和沿寬度W方向的邊緣電容C_e2,dyn可分別由下式計算得到：

貼片1沿長度L方向的靜態(tài)邊緣電容C_e1,sta為

其中，Z(W)和Z₀(W)分別為介質(zhì)填充和空氣填充條件下寬度為W的倒置微帶貼片諧振器的特性阻抗；v₀為光速；C₁為沿L方向上單位長度的總電容。

Z和Z₀可以由保角映射法進行求解。同樣地，貼片沿寬度W方向的邊緣電容C_e2,sta(ε_r1,ε_r2,L,W,h₁,h₂)可由下式計算得到：

式中，Z(L)和Z₀(L)分別為介質(zhì)填充和空氣填充條件下寬度為L的倒置微帶貼片諧振器的特性阻抗；v₀為光速；C₂為沿W方向上單位長度的總電容；

貼片的等效長度L_eff可以由下式得到：

其中，

式中，Z(W)和ε_reff(W)分別是貼片1的特性阻抗和有效介電常數(shù)。貼片1的有效介電常數(shù)ε_reff(W)可以由下式求得：

貼片的等效寬度W_eff可以由下式得到：

其中，

式中，Z(L)和ε_reff(L)分別是貼片(1)的特性阻抗和有效介電常數(shù)；貼片(1)的有效介電常數(shù)ε_reff(L)可以由下式求得：

倒置微帶貼片諧振器的結(jié)構(gòu)參數(shù)一定，當(dāng)濕蒸汽的濕度發(fā)生變化時，樣本層的介電常數(shù)ε_r1改變，諧振頻率也隨之改變，根據(jù)式(1)-(12)，通過Matlab進行計算得到諧振頻率的計算值，并將計算結(jié)果進行數(shù)據(jù)擬合，得到如圖3所示結(jié)果。可見，倒置微帶貼片諧振器的結(jié)構(gòu)參數(shù)一定時，其諧振頻率隨濕蒸汽的濕度增大而線性減小。

貼片1的尺寸是由工作頻率確定的。當(dāng)工作波長大于8cm時，在一定溫度下，動態(tài)等效相對介電常數(shù)的實部不隨頻率變化，因此，選擇工作頻率為3GHz。當(dāng)工作頻率為3GHz時，由式(13)可以確定矩形貼片的寬度W

在測量過程中，ε_r1為濕蒸汽的相對介電常數(shù)，由于濕蒸汽的介電常數(shù)近似等于1，因此取ε_r1＝1，由式(13)得到W＝50mm。

矩形貼片長度L的尺寸為：

其中，ΔL為貼片1的等效伸長量，通常用準(zhǔn)靜法計算：

由式(14)和式(15)，可計算出矩形貼片L的尺寸，L＝44mm。

為了確定倒置微帶貼片諧振器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過Matlab計算分別討論樣本層的厚度h₁、基質(zhì)厚度h₂和基質(zhì)層的介電常數(shù)ε_r2對諧振頻偏的影響。基質(zhì)厚度h₂＝1mm，貼片的長度L＝44mm，寬度為W＝50mm，基質(zhì)層的介電常數(shù)ε_r2＝2.2，在不同的樣本厚度h₁下，當(dāng)樣本層的介電常數(shù)ε_r1發(fā)生改變時，分別進行計算相應(yīng)的諧振頻率，并對數(shù)據(jù)進行擬合，結(jié)果如表2所示。由表2可知，當(dāng)樣本層的厚度h₁增大時，諧振頻率隨介電常數(shù)變化產(chǎn)生的頻偏減小，因此樣本層的厚度越小越好。但當(dāng)樣本層的厚度減小到h₁＝0.5mm時，加工制造困難，若取h₁＝1mm和1.5mm時，由于樣本層的空腔變小導(dǎo)致測量結(jié)果誤差偏大。基于以上考慮，樣本層的介質(zhì)厚度h₁選取為2mm，這樣一方面易于加工制造，另一方面也可以為待測樣本提供足夠的空間從而保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

當(dāng)選定參數(shù)：樣本層的厚度h₁＝2mm，貼片的長度L＝44mm，寬度為W＝50mm，基質(zhì)層的介電常數(shù)ε_r2＝2.2時，當(dāng)改變樣本層的厚度h₂，得到的擬合結(jié)果如表3所示。由表3可知，當(dāng)h₂增大時，諧振頻率隨介電常數(shù)變化產(chǎn)生的頻偏減小，同基于加工制造的考慮，基質(zhì)厚度h₂應(yīng)大于0.5mm。

樣本厚度h₁＝2mm，基質(zhì)層的質(zhì)厚度h₂＝1mm，貼片的長度L＝44mm，寬度為W＝50mm，當(dāng)改變基質(zhì)的介電常數(shù)ε_r2得到的擬合結(jié)果如表4所示。由表4可得，當(dāng)基質(zhì)層的介電常數(shù)ε_r2增大時，諧振頻率隨樣本層的介電常數(shù)變化產(chǎn)生的頻偏減小，因此應(yīng)選用介電常數(shù)較低的介質(zhì)。在實際中，由于基質(zhì)板與濕蒸汽相接觸，因此，基質(zhì)板應(yīng)該選擇具有低吸水性特點的材料，以保證在不同濕度的濕蒸汽環(huán)境中，避免基質(zhì)介電常數(shù)的變化對諧振器諧振頻率產(chǎn)生影響。本實施例中，基質(zhì)層采用Rogers RT/duroid 5880，它具有非常低的吸水特性，適用于高濕度環(huán)境，并且具有低介電損耗，相對介電常數(shù)為2.2。

選取倒置微帶貼片諧振器的樣本層的厚度h₁＝2mm，基質(zhì)層的厚度h₂＝0.787mm，貼片的長度L＝44mm，寬度為W＝50mm，基質(zhì)層的相對介電常數(shù)為2.2，倒置微帶貼片諧振器采用同軸饋電，同軸饋電的內(nèi)半徑為0.7mm，外半徑為1.6mm，通過HFSS優(yōu)化設(shè)計，確定了饋點所在位置為(-9.74mm,0mm,0mm)，使倒置微帶貼片諧振器的輸入阻抗等于50Ω，實現(xiàn)50Ω饋電線的匹配。屏蔽盒上表面距離接地板的距離是28mm。S參數(shù)仿真結(jié)果如圖4所示。當(dāng)濕蒸汽的介電常數(shù)發(fā)生變化時，相應(yīng)的諧振頻率如表5所示。

表1

表2

表3

表4

表5