基于注入锁定振荡的主动式法诺谐振器高分辨率微波血糖传感系统

本文创新性地提出了一种基于注入锁定振荡（ILO）技术的主动式法诺谐振微波传感系统，通过耦合仿表面等离子体激元（LSPs）谐振器激发法诺共振，结合主动增益电路将品质因数（Q-factor）从51提升至115397，共振强度从19dB增强至68dB。该系统在100-400 mg dL?1葡萄糖浓度范围内实现10 mg dL?1的高分辨率检测，为无创连续血糖监测（NCGM）提供了微型化（60×60 mm）、高稳定性（频率漂移±20 kHz）的解决方案，临床验证显示其动态监测结果与商用连续血糖监测仪（CGM）趋势一致。

　　

2.1 基于注入锁定振荡的主动式法诺谐振传感器设计

研究团队设计了一种双层平面微波谐振结构：下层为激发层，包含耦合仿LSPs谐振器的微带线；上层采用开槽金属环与金属环构成耦合谐振单元。当内环谐振器单独工作时，在1.857 GHz和3.404 GHz处出现双共振峰；引入外部开槽扇形谐振器后，通过离散模式与连续模式的近场耦合，在2.245 GHz处产生典型的非对称法诺线型（Fano resonance）。电场分布模拟显示，该现象源于环形谐振器（n=2模式）与扇形谐振器（n=2模式）的干涉相消。

为突破被动式传感器在生物组织中Q-factor低的限制，研究创新性地集成低噪声放大器（LNA）和数字移相器芯片构成主动环路。当注入功率（P_inj）为0 dBm时，锁定范围（ω_L）最宽；随着P_inj降低，共振峰3 dB带宽从44.8 MHz锐减至19.8 kHz，Q-factor提升2263倍。相位锁定机制使10分钟内频率漂移控制在±20 kHz，较被动模式（±2.5 MHz）稳定性显著提升。

2.2 微波传感检测系统微型化实现

系统采用锁相环（PLL）控制的压控振荡器（VCO）产生25 MHz–6 GHz扫频信号，通过12位模数转换器实现信号数字化。实验显示，PLL集成方案使频率稳定性优于独立VCO。关键创新在于：1）采用HMC833LP6GE芯片实现0.1 dBm功率精度；2）LTC5509包络检测器覆盖300 MHz–3 GHz宽动态范围；3）ESP32-PICO-D4微控制器集成蓝牙5.0传输模块。整个系统集成于四层PCB板（60×60 mm），可通过软件适配不同频段传感器。

2.3 葡萄糖溶液检测性能验证

在100–400 mg dL^?1浓度梯度测试中，系统表现出6.5 kHz (mg dL^?1)^?1的平均灵敏度。特别值得注意的是，当浓度以10 mg dL^?1递增时，仍能检测到52–289 kHz的明确频移，证实其达到临床需求的检测分辨率。循环泵驱动的毛细管进样设计将人工操作误差降低至1%以下。

2.4 体外CGM验证实验

在人体试验中，传感器表面覆盖2 mm厚EVA泡沫层（ε≈2）以优化皮肤耦合。受试者口服100 g葡萄糖后，传感器记录的2.2485 GHz–2.2535 GHz频移与CGM测量的4.4–7.0 mmol L^?1血糖变化呈现同步响应：血糖上升伴随介电常数降低引起的蓝移，血糖下降则引发红移。80%数据误差在±15%范围内，证实其在动态监测中的可靠性。

3 结论

该研究通过ILO技术将法诺共振Q-factor提升三个数量级，构建的微型化系统在溶液和人体实验中均实现10 mg dL^?1分辨率，为糖尿病管理提供了兼具高灵敏度（219 kHz/10 mg dL^?1）和穿戴兼容性的新型监测方案。未来将通过运动场景测试和皮肤组织差异研究进一步优化临床适用性。

4 实验方法

传感器采用RO4350基板（ε_r=3.48）通过PCB工艺制作，测试环境恒温25°C。人体试验经上海大学伦理委员会批准，采用商用CGM设备同步校准。系统通过表面贴装技术（SMT）减少手工焊接误差，循环泵驱动进样确保数据可重复性。