This article presents a technique based on a modified complementary split-ring resonator (CSRR) to detect angular displacement and direction of rotation with high resolution and sensitivity over a wide dynamic range. The proposed microwave planar sensor takes advantage of the asymmetry of the sensor geometry and measures the angle of rotation in terms of the change in the relative phase of the reflection coefficients. The sensor consists of a movable modified CSRR (the rotor) and a microstrip line with a circular defect in the ground plane (the stator). By selecting the substrate material and the rotor thickness, the sensor can be designed to work at different operating frequencies. A theoretical model of the sensor is proposed and is followed by a detailed numerical analysis involving equivalent circuit simulations, full-wave computations, and measurement results. Using positioning error estimation and air-gap analysis, a technique based on phase-change measurements is found to be better than those based on magnitude measurements alone. The maximum sensitivity for measuring the angular rotation is found to be a 4.3° change in the relative phase of the reflection coefficient per 1° of rotation. The sensor has an angular measurement range from −90° to +90°. The sensor—a stator fabricated on a 0.5-mm-thick Rogers RT5880 substrate and three rotors fabricated on a 1.5-mm-thick Rogers RT5880, a 1-mm-thick FR4, and a 0.5-mm-thick Rogers RT5880—can effectively detect the direction of rotation, measure the angle of rotation and angular velocity with reasonable accuracy.

中文翻译：

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一种用于检测旋转方向和角度的高灵敏度平面微波传感器

本文介绍了一种基于改进型互补裂环谐振器 (CSRR) 的技术，可在宽动态范围内以高分辨率和灵敏度检测角位移和旋转方向。所提出的微波平面传感器利用了传感器几何结构的不对称性，并根据反射系数的相对相位的变化来测量旋转角度。该传感器由一个可移动的修正 CSRR（转子）和一条在接地平面（定子）中具有圆形缺陷的微带线组成。通过选择基板材料和转子厚度，传感器可以设计为在不同的工作频率下工作。提出了传感器的理论模型，然后进行了详细的数值分析，包括等效电路模拟、全波计算、和测量结果。使用定位误差估计和气隙分析，发现基于相变测量的技术优于仅基于幅度测量的技术。发现测量角旋转的最大灵敏度是每旋转 1° 反射系数的相对相位变化 4.3°。传感器的角度测量范围为 -90° 至 +90°。传感器——在 0.5 毫米厚的罗杰斯 RT5880 基板上制造的定子和在 1.5 毫米厚的罗杰斯 RT5880、1 毫米厚的 FR4 和 0.5 毫米厚的罗杰斯 RT5880 上制造的三个转子——可以有效地检测旋转方向，以合理的精度测量旋转角度和角速度。发现基于相变测量的技术优于仅基于幅度测量的技术。发现测量角旋转的最大灵敏度是每旋转 1° 反射系数的相对相位变化 4.3°。传感器的角度测量范围为 -90° 至 +90°。传感器——在 0.5 毫米厚的罗杰斯 RT5880 基板上制造的定子和在 1.5 毫米厚的罗杰斯 RT5880、1 毫米厚的 FR4 和 0.5 毫米厚的罗杰斯 RT5880 上制造的三个转子——可以有效地检测旋转方向，以合理的精度测量旋转角度和角速度。发现基于相变测量的技术优于仅基于幅度测量的技术。发现测量角旋转的最大灵敏度是每旋转 1° 反射系数的相对相位变化 4.3°。传感器的角度测量范围为 -90° 至 +90°。传感器——在 0.5 毫米厚的罗杰斯 RT5880 基板上制造的定子和在 1.5 毫米厚的罗杰斯 RT5880、1 毫米厚的 FR4 和 0.5 毫米厚的罗杰斯 RT5880 上制造的三个转子——可以有效地检测旋转方向，以合理的精度测量旋转角度和角速度。每旋转 1°，反射系数的相对相位变化 3°。传感器的角度测量范围为 -90° 至 +90°。传感器——在 0.5 毫米厚的罗杰斯 RT5880 基板上制造的定子和在 1.5 毫米厚的罗杰斯 RT5880、1 毫米厚的 FR4 和 0.5 毫米厚的罗杰斯 RT5880 上制造的三个转子——可以有效地检测旋转方向，以合理的精度测量旋转角度和角速度。每旋转 1°，反射系数的相对相位变化 3°。传感器的角度测量范围为 -90° 至 +90°。传感器——在 0.5 毫米厚的罗杰斯 RT5880 基板上制造的定子和在 1.5 毫米厚的罗杰斯 RT5880、1 毫米厚的 FR4 和 0.5 毫米厚的罗杰斯 RT5880 上制造的三个转子——可以有效地检测旋转方向，以合理的精度测量旋转角度和角速度。