Sensore Dielettrico in Modalità Metà Guida d'Onda Integrata nel Substrato

This work tackles the design and construction of a compact, highly sensitive microwave sensor that can detect and analyze the dielectric properties of different materials. This kind of sensor has useful applications in areas like medical diagnostics, quality testing in manufacturing, and environmental monitoring. The key innovation is integrating the dielectric sensor into a special type of waveguide called a half-mode substrate integrated waveguide (HMSIW). Waveguides are structures that efficiently guide electromagnetic waves, and this HMSIW design combines the low-loss benefits of traditional waveguides with the compact size and cost advantages of planar printed circuits. By carefully optimizing the HMSIW to only support a single electromagnetic mode, the integrated sensor becomes extremely sensitive to changes in the dielectric properties of any material placed inside the waveguide. High-frequency simulation software (HFSS ANSYS) is used to model and optimize parameters like the waveguide dimensions, sensor geometry, and material selection. The overall design incorporates a power divider at the input to split the signal, followed by the HMSIW section housing the sensor, and finally a power combiner at the output. By analyzing the phase difference between the input and output signals, the presence and dielectric properties of a material can be deduced. When there is no sample material inside, the phase difference is 180 degrees. But when a dielectric material is inserted, this phase difference shifts away from 180 degrees in a way that depends on the dielectric properties of that specific material. Practical measurements of this phase shift are carried out using a vector network analyzer (VNA) to comprehensively characterize materials. The final HMSIW sensor is fabricated using standard PCB manufacturing techniques on a CNC drilling/routing machine. The simulations demonstrate this sensor’s remarkable ability to accurately detect and characterize the dielectric properties of various materials. Its integrated, planar design provides manufacturing cost advantages compared to conventional waveguide sensors. Potential applications span medical diagnosis by sensing dielectric properties of tissues, industrial quality control of dielectric materials, and environmental sensing/monitoring. The compact size, high sensitivity, and non-invasive nature of this HMSIW dielectric sensor open up new possibilities across multiple fields requiring advanced material characterization capabilities.

Questo lavoro affronta la progettazione e la costruzione di un sensore a microonde compatto e altamente sensibile in grado di rilevare e analizzare le proprietà dielettriche di diversi materiali. Questo tipo di sensore ha applicazioni utili in aree come la diagnostica medica, i test di qualità nella produzione e il monitoraggio ambientale. L'innovazione chiave consiste nell'integrare il sensore dielettrico in un tipo speciale di guida d'onda chiamata guida d'onda integrata nel substrato in modalità metà (HMSIW). Le guide d'onda sono strutture che guidano efficientemente le onde elettromagnetiche, e questo design HMSIW combina i benefici delle basse perdite delle guide d'onda tradizionali con le dimensioni compatte e i vantaggi di costo dei circuiti stampati planari. Ottimizzando attentamente l'HMSIW per supportare solo una singola modalità elettromagnetica, il sensore integrato diventa estremamente sensibile ai cambiamenti delle proprietà dielettriche di qualsiasi materiale posto all'interno della guida d'onda. Software di simulazione ad alta frequenza (HFSS ANSYS) è utilizzato per modellare e ottimizzare parametri come le dimensioni della guida d'onda, la geometria del sensore e la selezione dei materiali. Il design complessivo incorpora un divisore di potenza all'ingresso per dividere il segnale, seguito dalla sezione HMSIW che ospita il sensore e, infine, un combinatore di potenza all'uscita. Analizzando la differenza di fase tra i segnali di ingresso e uscita, si possono dedurre la presenza e le proprietà dielettriche di un materiale. Quando non vi è materiale campione all'interno, la differenza di fase è di 180 gradi. Ma quando viene inserito un materiale dielettrico, questa differenza di fase si sposta da 180 gradi in un modo che dipende dalle proprietà dielettriche di quel materiale specifico. Le misurazioni pratiche di questo spostamento di fase vengono eseguite utilizzando un analizzatore di rete vettoriale (VNA) per caratterizzare in modo completo i materiali. Il sensore HMSIW finale viene fabbricato utilizzando tecniche standard di produzione di PCB su una macchina CNC di foratura/fresatura. Le simulazioni dimostrano la notevole capacità di questo sensore di rilevare e caratterizzare con precisione le proprietà dielettriche di vari materiali. Il suo design integrato e planare offre vantaggi in termini di costi di produzione rispetto ai sensori a guida d'onda convenzionali. Le potenziali applicazioni spaziano dalla diagnosi medica, rilevando le proprietà dielettriche dei tessuti, al controllo di qualità industriale dei materiali dielettrici, fino al monitoraggio ambientale. Le dimensioni compatte, l'elevata sensibilità e la natura non invasiva di questo sensore dielettrico HMSIW aprono nuove possibilità in molteplici campi che richiedono capacità avanzate di caratterizzazione dei materiali.