阅读说明：本技术 基于微带天线的温度传感器及系统 (Temperature sensor and system based on microstrip antenna ) 是由 不公告发明人 于 2020-08-05 设计创作，主要内容包括：本发明涉及基于微带天线的温度传感器及系统,具体而言,涉及温度检测领域。该温度传感器的介质基片设置在接地板的一侧,辐射贴片设置在介质基片远离接地板的一侧；辐射贴片和接地板的材料为金属良导体材料,介质基片的材料为热膨胀材料。由微带天线的工作原理可知,天线谐振频率对接地板和辐射贴片之间的距离异常敏感,即介质基片的厚度影响该天线谐振频率；由于该介质基片的材料为热膨胀材料,当外界温度变化时,介质基片受热发生膨胀,导致接地板和辐射贴片之间的距离发生变化,引发辐射贴片与接地板之间的谐振频率发生变化,从而导致天线谐振频率发生偏移,通过天线谐振频率偏移量的变化与温度的对应关系,可以准确完成对外界环境温度的传感。(The invention relates to a temperature sensor and a system based on a microstrip antenna, in particular to the field of temperature detection. The medium substrate of the temperature sensor is arranged on one side of the grounding plate, and the radiation patch is arranged on one side of the medium substrate far away from the grounding plate; the radiating patch and the grounding plate are made of good metal conductor materials, and the dielectric substrate is made of thermal expansion materials. According to the working principle of the microstrip antenna, the antenna resonant frequency is abnormally sensitive to the distance between the butt-joint floor and the radiation patch, namely the thickness of the dielectric substrate influences the antenna resonant frequency; because the material of the dielectric substrate is a thermal expansion material, when the external temperature changes, the dielectric substrate is heated to expand, so that the distance between the grounding plate and the radiation patch changes, the resonance frequency between the radiation patch and the grounding plate changes, and the resonance frequency of the antenna shifts, and the sensing of the external environment temperature can be accurately finished through the corresponding relation between the change of the antenna resonance frequency shift and the temperature.)

基于微带天线的温度传感器及系统

技术领域

本发明涉及温度检测领域，具体而言，涉及一种基于微带天线的温度传感器及系统。

背景技术

温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。

热电阻的温度传感器的检测原理是利用金属随着温度变化，其电阻值也发生变化，通过测量电阻，并通过电阻与温度的关系完成对温度的测量，热电偶温度传感器由两个不同材料的金属线组成，在末端焊接在一起。再测出不加热部位的环境温度，就可以准确知道加热点的温度。

由于热电阻温度传感器和热电偶温度传感器均需要通过将温度传感器内部的金属进行加热，金属在加热的过程中吸收一定的热量，使得该热电阻温度传感器和热电偶温度传感器对温度的测量存在较大误差，且灵敏度低。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种基于微带天线的温度传感器及系统，以解决现有技术中由于热电阻温度传感器和热电偶温度传感器均需要通过将温度传感器内部的金属进行加热，金属在加热的过程中吸收一定的热量，使得该热电阻温度传感器和热电偶温度传感器对温度的测量存在较大误差，且灵敏度低的问题。

为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本申请提供一种基于微带天线的温度传感器，温度传感器包括：辐射贴片，介质基片，接地板，介质基片设置在接地板的一侧，辐射贴片设置在介质基片远离接地板的一侧；辐射贴片和接地板的材料为金属良导体材料，介质基片的材料为热膨胀材料。

可选地，该辐射贴片和接地板的材料为银和铜至少一种。

可选地，该介质基片、辐射贴片和接地板的形状均为长方体。

可选地，该介质基片的材料为聚甲基丙烯酸甲酯和硅胶中至少一种。

可选地，该介质基片包括第一部分和第二部分，第一部分和第二部分的体积和形状均相同。

可选地，该第一部分的材料为聚甲基丙烯酸甲酯，第二部分的材料为硅胶。

可选地，该第一部分的材料为硅胶，第二部分的材料为聚甲基丙烯酸甲酯。

可选地，该介质基片靠近辐射贴片的一侧的面上挖设有凹槽。

第二方面，本发明还提供了一种基于微带天线的温度传感系统，温度传感系统包括：矢量网络分析仪和第一方面任意一项的温度传感器，矢量网络分析仪用于检测温度传感器的频谱。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种基于微带天线的温度传感器，温度传感器包括：辐射贴片，介质基片，接地板，介质基片设置在接地板的一侧，辐射贴片设置在介质基片远离接地板的一侧；辐射贴片和接地板的材料为金属良导体材料，介质基片的材料为热膨胀材料。由微带天线的工作原理可知，天线谐振频率对接地板和辐射贴片之间的距离异常敏感，即介质基片的厚度影响该天线谐振频率；由于该介质基片的材料为热膨胀材料，当外界温度变化时，介质基片受热发生膨胀,导致接地板和辐射贴片之间的距离发生变化，引发辐射贴片与接地板之间的谐振频率发生变化，从而导致天线谐振频率发生偏移，通过天线谐振频率偏移量的变化与温度的对应关系，可以准确完成对外界环境温度的传感。由于本申请将热学的温度测量转化为谐振频率的变化，由于现有技术对谐振频率的测量较为准确，则本申请的微带天线温度传感器对温度的测量的准确性也更高，并且由于天线谐振频率对介质基片之间的有效介电常数及厚度非常敏感，因此本发明温度传感器具有灵敏度高的优点，且本申请结构简单，使得制备该微带天线温度传感器的成本较低，并且质量较轻。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明一实施例提供的一种微带天线的温度传感器的横截面示意图；

图2为本发明一实施例提供的另外一种微带天线的温度传感器的横截面示意图；

图3为本发明一实施例提供的另外一种微带天线的温度传感器的横截面示意图。

图中：1-辐射贴片；2-介质基片；3-接地板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一金属板实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了使本发明的实施过程更加清楚，下面将会结合附图进行详细说明。

实施例1

图1为本发明一实施例提供的一种微带天线的温度传感器的横截面示意图；如图1所示，本发明提供了一种基于微带天线的温度传感器，温度传感器包括：辐射贴片1，介质基片2，接地板3，介质基片2设置在接地板3的一侧，辐射贴片1设置在介质基片2远离接地板3的一侧；辐射贴片1和接地板3的材料为金属良导体材料，介质基片2的材料为热膨胀材料。

该接地板3、该介质基片2和该辐射贴片1由下往上依次设置，该接地板3、该介质基片2和该辐射贴片1平行于水平面的截面的表面积可以相同，也可以不同，若该平行于水平面的截面的表面积不同，则该接地板3和该介质基片2的表面积大于该辐射贴片1的表面积，该介质基片2的材料为热膨胀材料，使得该介质基片2受热体积发生膨胀，改变该接地板3和该辐射贴片1之间的距离，该接地板3和该辐射贴片1的材料均为金属良导体，即该接地板3和该辐射贴片1的材料为金属，且该金属的导电性能较好，由微带天线的工作原理可知，天线谐振频率对接地板3和辐射贴片1之间的距离异常敏感，即介质基片2的厚度影响该天线谐振频率；由于该介质基片2的材料为热膨胀材料，当外界温度变化时，介质基片2受热发生膨胀,导致接地板3和辐射贴片1之间的距离发生变化，引发辐射贴片1与接地板3之间的谐振频率发生变化，从而导致天线谐振频率发生偏移，通过天线谐振频率偏移量的变化与温度的对应关系，可以准确完成对外界环境温度的传感，需要说明的是，天线谐振频率偏移量的变化与温度的对应关系根据实验测量得到，在此不做具体限定。由于本申请将热学的温度测量转化为谐振频率的变化，由于现有技术对谐振频率的测量较为准确，则本申请的微带天线温度传感器对温度的测量的准确性也更高，并且由于天线谐振频率对介质基片2之间的有效介电常数及厚度非常敏感，因此本发明温度传感器具有灵敏度高的优点，且本申请结构简单，使得制备该微带天线温度传感器的成本较低，并且质量较轻。

由传输线模型可知，微带天线的中心频率公式：

其中,c为真空中的光速，L_eff为天线的有效电流长度，

为介质基片2的有效介电常数。

因此，在辐射贴片1形状确定的情况下，天线的有效电流长度L_eff确定，此时，天线的中心频率主要由介质基片2的有效介电常数决定，又因为辐射贴片1和接地板3之间的距离改变也会引发介质基片2的有效介电常数

也相应地发生变化，最终引起天线谐振频率的改变，则该天线谐振频率的影响因素为介质基片2的有效介电常数和厚度，由于可以通过实验得到，天线谐振频率与温度的一一对应关系，故可以通过探测天线谐振频率的偏移量实现对温度的精确传感。

可选地，该辐射贴片1和接地板3的材料为银和铜至少一种。

该辐射贴片1的材料可以为银，也可以为铜，还可以为银和铜的混合金属，该接地板3的材料可以为银，也可以为铜，还可以为银和铜的混合金属。

可选地，该介质基片2、辐射贴片1和接地板3的形状均为长方体。

可选地，该介质基片2的材料为聚甲基丙烯酸甲酯和硅胶中至少一种。

该介质基片2的材料可以为聚甲基丙烯酸甲酯，也可以为硅胶，还可以为硅胶和聚甲基丙烯酸甲酯的混合材料。

实施例2

图2为本发明一实施例提供的另外一种微带天线的温度传感器的横截面示意图；如图2所示，可选地，该介质基片2包括第一部分和第二部分，第一部分和第二部分的体积和形状均相同。

该介质基片2的第一部分和第二部分形状和几何参数完全相同，且该第一部分和第二部分并排设置，第一部分为该介质基片2的一端，该第二部分为介质基片2的另外一端。

本实施例中另外一种微带天线的温度传感器，与实施例1基本相同，区别仅在于介质基片2包括第一部分和第二部分，第一部分和第二部分的体积和形状均相同，也就说该介质基片2第一部分和第二部分各占该介质基片2的一半。

可选地，该第一部分的材料为聚甲基丙烯酸甲酯，第二部分的材料为硅胶。

可选地，该第一部分的材料为硅胶，第二部分的材料为聚甲基丙烯酸甲酯。

聚甲基丙烯酸甲酯和硅胶各填充介质基片2体积的一半。由于两种热膨胀材料热膨胀系数的不一样，因此介质基片2具有一个对温度感知的不均匀性。

由微带天线的工作原理可知，天线谐振频率对介质基片2的有效介电常数及厚度非常敏感。当外界环境温度发生变化时，介质基片2内的热膨胀材料受热发生膨胀，由于介质基片2内填充了两种热膨胀系数不同的材料，引起介质基片2的厚度发生不均匀变化，从而更加容易导致介质基片2的有效介电常数发生变化，最终引起天线谐振频率的改变。由于天线谐振频率与温度一一对应，故可以通过探测天线天线谐振频率的偏移量实现对温度的更加灵敏的传感。此外，由于本发明温度传感器是基于微带天线结构设计，因此还具有成本低、质量轻，易于集成的优点。

实施例3

图3为本发明一实施例提供的另外一种微带天线的温度传感器的横截面示意图；如图3所示，可选地，该介质基片2靠近辐射贴片1的一侧的面上挖设有凹槽。

本申请实施例提供了另外一种微带天线的温度传感器，如图3所示，与实施例1基本相同，区别仅在于该介质基片2靠近辐射贴片1的一侧的面上挖设有凹槽。

该介质基片2靠近辐射贴片1的一侧的面上挖设有凹槽，一般的，该凹槽设置在该介质基片2靠近辐射贴片1的一侧的面的正中央位置，即该介质基片2沿垂直于水平面方向的横截面的形状为凹形，该凹形的介质基片2内填充的热膨胀材料为聚甲基丙烯酸甲酯或硅胶中的至少一种热膨胀材料。由于介质基片2的截面形状为凹形，当温度发生变化时，介质基片2内填充的热膨胀材料受热会在厚度方向上发生膨胀，而且在两侧凸起来的部位也会向中间挤压膨胀。也就是说，温度变化时，不仅会带来介质基片2厚度的变化，还会带来介质基片2宽度的变化。

由微带天线的工作原理可知，天线谐振频率对介质基片2的有效介电常数及厚度非常敏感。当外界环境温度发生变化时，介质基片2内的热膨胀材料受热发生膨胀，由于介质基片2的截面形状为凹形，当温度发生变化时，介质基片2的厚度和宽度均发生变化，从而更加容易导致介质基片2的有效介电常数发生变化，最终引起天线谐振频率的改变。由于天线谐振频率与温度一一对应，故可以通过探测天线谐振频率的偏移量实现对温度的更加灵敏的传感。此外，由于本发明温度传感器是基于微带天线结构设计，因此还具有成本低、质量轻，易于集成的优点。

实施例4

基于实施例1，实施例2和实施例3任意一种微带天线的温度传感器，本申请实施例还提供了一基于微带天线的温度传感系统，温度传感系统包括：矢量网络分析仪和上述任意一项的温度传感器，矢量网络分析仪用于检测温度传感器的频谱。

当外界环境温度发生变化时，介质基片2内的热膨胀材料受热发生膨胀，引起介质基片2的厚度发生变化，从而导致介质基片2的有效介电常数也相应地发生变化，最终引起天线谐振频率的改变。矢量网络分析仪用于接受检测该谐振频率的变化。最终通过矢量网络分析仪检测到的天线谐振频率偏移量的变化可以准确完成对外界环境温度的传感。由于微带天线的频率漂移对介质基片2的有效介电常数及厚度非常敏感，因此该温度传感装置性能良好。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。