Sviluppo e progettazione di un sensore a microonde basato sull'analisi della variazione di fase.

This thesis presents the design, implementation, and analysis of a microwave sensor based on phase variation for displacement measurement. The sensor leverages the principles of interferometry and split-ring resonators (SRRs) to achieve high sensitivity and accuracy in non-contact displacement sensing. The study explores various configurations, including complementary Michelson and Mach-Zehnder interferometric setups, to convert phase changes into measurable amplitude variations, simplifying the detection process. This research starts with an in-depth review of existing microwave sensors and their applications in humidity detection, material characterization, crack detection, and displacement measurement. It then establishes the theoretical basis for microstrip lines, directional couplers, and SRRs before designing and simulating a branch-line hybrid coupler (BLHC) optimized for phase analysis. The results confirm a linear phase response with a sensitivity of 12°/mm, demonstrating the sensor’s precision in displacement sensing. To validate performance, full-wave simulations using ADS, CST, and HFSS were conducted, showing a displacement sensitivity of up to 3.6 dB/mm. Experimental validation is conducted using fabricated prototypes, with measurements aligning closely with simulation results. The proposed sensor exhibits advantages such as compact size and robustness. Potential applications include structural health monitoring, biomedical sensing, and industrial automation. Future work may focus on miniaturization, multi-parameter sensing, and integration with wireless systems for real-time monitoring.

Questa tesi presenta la progettazione, l'implementazione e l'analisi di un sensore a microonde basato sulla variazione di fase per la misurazione degli spostamenti. Il sensore sfrutta i principi dell'interferometria e dei risonatori a anello aperto (Split-Ring Resonators, SRR) per ottenere un'elevata sensibilità e accuratezza nel rilevamento di spostamenti senza contatto. Lo studio esplora varie configurazioni, inclusi setup interferometrici complementari di tipo Michelson e Mach-Zehnder, per convertire le variazioni di fase in variazioni di ampiezza misurabili, semplificando così il processo di rilevamento. Questa ricerca inizia con una revisione approfondita dei sensori a microonde esistenti e delle loro applicazioni nel rilevamento di umidità, caratterizzazione dei materiali, rilevamento di crepe e misurazione degli spostamenti. Si procede quindi a stabilire le basi teoriche delle linee microstrip, degli accoppiatori direzionali e degli SRR, prima di progettare e simulare un accoppiatore ibrido a branch-line (Branch-Line Hybrid Coupler, BLHC) ottimizzato per l'analisi di fase. I risultati confermano una risposta di fase lineare con una sensibilità di 12°/mm, dimostrando la precisione del sensore nel rilevamento di spostamenti. Per convalidare le prestazioni, sono state condotte simulazioni elettromagnetiche a onda intera (full-wave) utilizzando ADS, CST e HFSS, che hanno mostrato una sensibilità allo spostamento fino a 3.6 dB/mm. La convalida sperimentale è stata condotta utilizzando prototipi realizzati, con misurazioni che si allineano strettamente ai risultati delle simulazioni. Il sensore proposto presenta vantaggi quali dimensioni compatte e robustezza. Le potenziali applicazioni includono il monitoraggio dell'integrità strutturale, sensori biomedicali e automazione industriale. I futuri sviluppi potranno concentrarsi sulla miniaturizzazione, sul rilevamento multi-parametro e sull'integrazione con sistemi wireless per il monitoraggio in tempo reale.