Highly Sensitive Microwave Sensors for Liquid Dielectric Characterization

Abstract

Esta tesis se centra en dos sensores novedosos que se diseñan, prueban y car-acterizan con disolventes líquidos. El primer sensor de resonador dieléctrico se basa en un DR alimentado por un mecanismo de acoplamiento de ranura en el plano de tierra de una línea de transmisión de microcinta. El segundo sensor alimentado por una línea de transmisión microstrip paralela está protegido por una caja de carcasa metálica para evitar la pérdida de radiación. Los dispositivos obtenidos son sensores completamente pasivos que una señal de radiofrecuencia puede interrogar. La técnica de perturbación de la cavidad se utiliza para estudiar el impacto del líquido bajo prueba en la frecuencia resonante y la distribución modal; las simulaciones de onda completa corroboran los resultados teóricos. Se ha diseñado, fabricado y medido en diferentes concentraciones de etanol un prototipo del primer sensor propuesto sintonizado para trabajar en la banda de 2,45 GHz.

Para el segundo sensor, se estudian los resultados simulados así como el concepto teórico. Además, el sensor ha sido fabricado y probado sin escudo, mostrando una alta precisión. Adicionalmente, la tesis presenta una revisión sobre los sensores electromagnéticos basados en metamateriales recientes, particularmente sobre las estructuras que integran los metamateriales en antenas o líneas de transmisión para su posterior integración en instrumentos de medición. El enfoque seguido en la revisión es resaltar la sensibilidad y el factor de calidad (factor Q), ya que son parámetros cruciales en cualquier sensor. Para obtener más información sobre los sensores inspirados en metamateriales, se utiliza una antena monopolo cargada con un resonador de anillo abierto complementario (OCSRR) como sensor de líquido para la discriminación de disolventes de etanol con diferentes concentraciones. La parte del sensor está integrada con las partes electrónicas, incluido un oscilador controlado por voltaje (VCO) y un detector de diodo Schottky con polarización cero (SDD), lo que permite que el sensor sea portátil y de bajo costo. De hecho, existen algunas limitaciones en el nivel de sensibilidad de los sensores inspirados en metamateriales y el nivel de saturación de detección al aumentar el porcentaje de líquido en el solvente bajo prueba. En consecuencia, el enfoque hacia los sensores DR es muy beneficioso para una mayor sensibilidad y menos pérdidas como se sigue en esta tesis.

This thesis focuses on two novel sensors that are designed, tested and characterized with liquid solvents. The first dielectric resonator sensor is based on a DR fed by a slot-coupling mechanism in the ground plane of a microstrip transmission line. The second sensor fed by a parallel microstrip transmission line is shielded by a metallic housing box to prevent radiation loss. The obtained devices are fully passive sensors that a radio frequency signal can interrogate. The cavity perturbation technique is used to study the impact of the liquid under test on the resonant frequency and modal distribution; full-wave simulations corroborate the theoretical results. A prototype of the first proposed sensor tuned to work in the 2.45 GHz band has been designed, manufactured and measured by different ethanol concentrations.

For the second sensor, the simulated results as well as theoretical concept are studied. Furthermore, the sensor has been fabricated and tested without shield, showing high accuracy. Additionally, the thesis presents a review on the recent metamaterial-based electromagnetic sensors, particularly on the structures that integrate the metamaterials in antenna or transmission lines for their further integration in measurement instruments. The approach followed in the review is to highlight sensitivity and quality factor (Q-factor) as they are crucial parameters in any sensor. For more insight into the metamaterial- inspired sensors, an open complementary split ring resonator (OCSRR)-loaded monopole antenna is used as a liquid sensor for discrimination of ethanol solvents with different concentrations. The sensor part is integrated with the electronic parts including a voltage-controlled oscillator (VCO) and a zero-biased Schottky Diode Detector (SDD) allowing the sensor to be low cost and portable. Indeed there are some limitations on the sensitivity level of Metamaterial-inspired sensors and saturation level of sensing by increasing the liquid percentage in the solvent under test. Consequently, the approach toward the DR sensors is much beneficial to higher sensitivity and less loss as followed in this thesis.