Transmission lines loaded with electrically small resonators: modeling, analysis and applications to microwave sensors
El sensado por microondas para la caracterización de materiales es una tecnología prometedora y en desarrollo que se ha utilizado satisfactoriamente en las últimas décadas para aplicaciones en industria, química, ingeniería, medicina y biomedicina, etc. Las características eléctricas de los material...
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| Tipo de recurso: | tesis doctoral |
| Estado: | Versión publicada |
| Fecha de publicación: | 2017 |
| País: | España |
| Institución: | CBUC, CESCA |
| Repositorio: | TDR. Tesis Doctorales en Red |
| OAI Identifier: | oai:www.tdx.cat:10803/457880 |
| Acceso en línea: | http://hdl.handle.net/10803/457880 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palabra clave: | Sensors de microones Sensores de microondas Microwave sensors Linies de transmissió Transmission lines Ressonadors planars Resonadores planares Planar resonators Tecnologies 621.3 |
| Sumario: | El sensado por microondas para la caracterización de materiales es una tecnología prometedora y en desarrollo que se ha utilizado satisfactoriamente en las últimas décadas para aplicaciones en industria, química, ingeniería, medicina y biomedicina, etc. Las características eléctricas de los materiales dependen de sus propiedades dieléctricas, el parámetro principal de las cuales es la permitividad compleja. Ésta describe el comportamiento del material cuando es sometido a un campo electromagnético externo. Los diferentes materiales presentan diferentes valores de permitividad, y estos valores también son variables en función de la frecuencia del campo electromagnético aplicado. Por lo tanto, cuando se carga una estructura de microondas con un material bajo prueba (Material under test, MUT), se puede caracterizar este material. Esta tesis se centra en la modelización, análisis y aplicaciones de las líneas de transmisión planares cargadas con resonadores eléctricamente pequeños para su uso como sensores de microondas para caracterización de materiales. Este tipo de líneas tiene como ventajas la facilidad de fabricación, su bajo coste, su tamaño compacto y la facilidad para preparar las muestras. Por estos motivos es el sistema que se utiliza en esta tesis. Los resonadores utilizados son el resonador de anillos abiertos (Split Ring Resonator, SRR), su complementario (Complementary Split Ring Resonator, CSRR), el resonador de salto de impedancia (Stepped Impedance Resonator, SIR) y su complementario (slot -SIR). Estos resonadores, al contrario que las líneas de transmisión resonantes convencionales, son partículas sub-longitud de onda, siendo su tamaño inferior a una décima parte de la longitud de onda guiada a su frecuencia de resonancia fundamental. Así pues, se obtiene un alto grado de miniaturización con el uso de estas partículas. Además, presentan una fuerte respuesta a los campos electromagnéticos y sus propiedades son sustancialmente modificadas al cargarlas con los materiales a caracterizar. Las técnicas de sensado utilizadas en esta tesis están basadas en la división de frecuencia y en la variación de frecuencia. Empleando la división de frecuencia, las estructuras se pueden usar como comparadores y sensores de microondas. Consiste en utilizar una línea de transmisión cargada con dos resonadores idénticos, la respuesta en frecuencia de la cual será un cero de transmisión. Si uno de los resonadores se carga con un determinado MUT, diferente al cargado en el otro resonador como referencia, aparecerán dos ceros en la respuesta. Para caracterizar el material, se deberá hacer un paso previo para calibrar la estructura utilizando materiales con propiedades dieléctricas conocidas. En cuanto a la técnica de variación de frecuencia, se propone un modelo circuital detallado que incluye tanto las pérdidas del sustrato como las del resonador (pérdidas óhmicas del conductor y pérdidas del sustrato), además de las expresiones analíticas que permiten obtener la constante dieléctrica y la tangente de pérdidas del material. Varias líneas de transmisión cargadas con dichos resonadores eléctricamente pequeños han sido objeto de estudio. Se han propuesto y analizado sus circuitos equivalentes basados en elementos discretos, a través de los cuales se han deducido las expresiones analíticas para predecir los ceros de transmisión. Se ha observado que en las estructuras propuestas como sensores aparece un acoplamiento mutuo entre los resonadores que hace que se degrade la sensibilidad. Así pues, se han propuesto estructuras para evitar este acoplamiento. De cara a demostrar la aplicación de los circuitos estudiados como comparadores y sensores, se han fabricado varios prototipos como prueba de concepto, validando mediante experimentos su viabilidad técnica. Los resultados obtenidos mediante medida se corresponden con los obtenidos en las simulaciones electromagnéticas y con los modelos propuestos. |
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