基于自调制振荡器的微波传感器：一种增强灵敏度的双频并发振荡新方法

《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》：Microwave Sensor Based on a Self-Modulated Oscillator

本刊编辑推荐：为解决传统微波传感器灵敏度受限的问题，研究人员开展了一种基于自调制振荡器的新型传感器研究。该设计通过引入偏置电路反馈元件，在单个有源器件中同时产生高频（fhigh）和低频（flow）并发振荡，利用阶梯阻抗谐振器确保低相位噪声。研究首次通过包络域公式化证明了材料对双振荡的耦合影响，通过频谱线中心频率、间距和振幅的多变量检测，显著提升了材料介电常数测量的灵敏度和可靠性。该传感器在缺陷固体样本和乙醇-水溶液检测中表现出优异性能。

　　

在当今材料检测领域，微波传感器因其高灵敏度、低成本以及易于集成等优势备受关注。特别是振荡器型传感器，通过将受材料影响的被动结构与有源核心相结合，能够将材料特性的微小变化转化为振荡频率或振幅的显著变化，从而实现高精度检测。然而，传统传感器大多依赖于单一振荡频率的变化，这种单变量检测方式在灵敏度提升和抗干扰能力方面面临瓶颈。此外，现有的一些灵敏度增强技术，如采用两个高频振荡器产生交调分量，往往需要复杂的电路设计，且存在相互锁定的风险及较高的噪声问题。

正是在这样的背景下，发表在《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》上的这项研究，提出了一种颠覆性的解决方案——基于自调制振荡器的微波传感器。这项研究的核心创新在于，它巧妙地在单个晶体管器件中实现了两种完全不同频率的并发振荡：一个高频振荡（f_high ≈ 2.0 GHz）和一个低频振荡（f_low ≈ 10 MHz）。这种设计使得传感器能够同时从多个维度（包括中心频率、边带频率间隔和振幅）响应材料特性变化，从而极大地提升了检测的灵敏度和可靠性。

为了深入探究这一新型传感器的性能，研究人员综合运用了几项关键技术。首先是系统的电路设计方法，通过稳定性圆图和两阶段稳定性分析（包括极点-零点识别），确保了双频并发振荡的稳定产生。其次，研究采用了包络瞬态分析这一强大的数值工具，有效处理了双频振荡在巨大时间尺度差异下的仿真难题，清晰地揭示了材料介电常数（ε_r）如何通过非线性器件耦合影响两个振荡频率。在实验验证阶段，研究团队制作了基于ATF34143晶体管的实际电路，并利用频谱分析仪和相位噪声分析仪对传感器性能进行了全面表征。最后，研究引入了一种基于多元线性回归的校准程序，利用参考材料的数据建立模型，从而能够从测量的频谱特征中准确提取出待测材料复介电常数的实部和虚部。

设计原理与实现

研究的起点是一个已有的高频自由运行振荡器，其核心是一个高品质因数（Q = 485.88）的阶梯阻抗谐振器，待测材料（MUT）放置于其上。为了实现低频振荡，研究人员在偏置电路中引入了反馈电容（C_f）和特定的电感（L_high, L_low），通过稳定性分析确保在约10 MHz处产生振荡。

对直流工作点进行极点-零点识别分析，确认存在两对位于复平面右侧的共轭极点，分别对应f_low = 8.3 MHz和f_high = 1.99 GHz，证明了电路具备产生双频并发振荡的潜力。

包络域分析揭示耦合机制

包络瞬态分析是理解传感器工作机制的关键。分析表明，低频振荡会调制高频载波及其谐波，产生一系列间隔为f_low的边带频谱线。

更重要的是，分析通过数学公式证明了材料介电常数的变化会同时影响f_high和f_low。对于k次谐波两边的第m条边带，其频率变化量为Δf_±m = kΔf_high ± mΔf_low。这意味着，远离载波的边带（即m值较大的边带）对材料变化更为敏感。例如，在介电常数从3.55减小到3.48时，中心频率变化Δf_high为-4 MHz，而第二条下边带（m=2）的频率变化Δf_-2达到-6.75 MHz，灵敏度显著提升。

实验表征与性能验证

在实验部分，研究团队首先对存在缺陷的固体材料（通过在Rogers 4003C基板上钻孔来模拟介电常数微小变化）进行了检测。

实验结果与仿真高度一致，清晰地显示了介电常数微小变化（Δε_r = 0.05）导致的频谱线中心频率、间距和振幅的显著变化。相位噪声测量结果显示，在高频载波（f_high）处100 kHz偏移的相位噪声约为-94 dBc/Hz，而在低频（f_low）处则更低，保证了测量的精确性。

随后，研究团队将传感器应用于液体检测，成功探测了去离子水中微量的乙醇添加（每次添加0.0125 mL于2 mL水中）。

传感器展现出了远高于传统被动谐振器的灵敏度。相位噪声在液体测量中约为-104 dBc/Hz @ 100 kHz偏移，表现出良好的稳定性。

校准与传感程序

研究提出了一套基于多元线性回归的校准方法。该方法将测量到的频谱线特征（如特定边带频率f_-2, f_-1和载波振幅A₀）作为输入变量，通过建立与材料复介电常数（ε_r和ε_r,I）的线性模型，实现了对未知材料特性的准确预测。

模型的决定系数R2高达0.9991，均方根误差（RMSE）很小，证明了该多变量传感方法的极高准确性和可靠性。

结论与意义

这项研究成功提出并验证了一种基于自调制双频并发振荡器的微波传感器新架构。其核心意义在于突破了传统单变量传感的局限，通过利用单个有源器件内产生的、相互耦合的双频振荡，实现了对材料介电常数变化的多维度、高灵敏度检测。理论分析和实验结果表明，该传感器不仅对固体材料的微小缺陷（介电常数变化0.05）有显著响应，还能精确检测液体混合物中微小的成分变化。这种基于频谱线中心频率、间距和振幅的多变量传感策略，提供了数据冗余，增强了抗干扰能力和可靠性。该技术为高分辨率、高可靠性的材料表征和化学传感应用开辟了新的途径，在工业检测、环境监测和生物医学传感等领域具有广阔的应用前景。