Diseño de un reflectómetro escalar para caracterización de materiales mediante sensores resonantes miniaturizados en tecnología SIW

Abstract

El presente TFG aborda el diseño, fabricación y validación experimental del subsistema de RF de un reflectómetro en la banda de 3 - 4 GHz para un sistema de caracterización de materiales dieléctricos basado en un sensor resonante miniaturizado en tecnología de guía de onda integrada en substrato (SIW). El circuito diseñado deberá ser capaz de separar y evaluar la potencia entregada al sensor, así como la potencia reflejada por éste a las diferentes frecuencias de excitación. De este modo, mediante la realización de un barrido en la banda de frecuencias de medida, es posible determinar la frecuencia de resonancia y a partir de ella la permitividad dieléctrica del material.

Para la realización del reflectómetro se emplearán acopladores direccionales, divisores y detectores de potencia preferentemente en tecnología SMD. El objetivo es implementar un módulo compacto en tecnología de circuito impreso (PCB) que será evaluado en laboratorio mediante la utilización de un generador de señal de RF y un sensor resonante implementado en tecnología de materiales cerámicos co-sinterizados a baja temperatura. La validación experimental del circuito diseñado se llevará a cabo mediante la caracterización de soluciones líquidas de diferente permitividad depositadas sobre el sensor. Los resultados se compararán con simulaciones EM del sensor que serán proporcionadas al alumno.

El alumno deberá realizar tanto el análisis circuital empleando modelos de los diferentes componentes empleados, como el diseño físico y simulación EM del subsistema desarrollado. Éste será fabricado y caracterizado experimentalmente, para lo que se proporcionará acceso al equipamiento de laboratorio necesario.

La realización del trabajo implicará diferentes fases:

1) Documentación y análisis del estado del arte 2) Concepción del subsistema de RF y selección de componentes 3) Análisis mediante simulación circuital de diferentes estructuras: divisor/acoplador, acoplador simple y acoplador doble. 4) Diseño físico en tecnología PCB del subsistema de RF 5) Análisis y optimización mediante simulación EM del subsistema diseñado 6) Fabricación y validación experimental 7) Discusión de los resultados

The present TFG deals with the design, manufacture and experimental validation of the RF subsystem of a reflectometer in the 3 - 4 GHz band for a system of characterization of dielectric materials based on a miniaturized resonant sensor in waveguide technology integrated in substrate (SIW). The designed circuit must be capable of separating and evaluating the power delivered to the sensor, as well as the power reflected by it at the different excitation frequencies. In this way, by performing a sweep in the measurement frequency band, it is possible to determine the resonance frequency and from it the dielectric permittivity of the material. For the performance of the reflectometer, directional couplers, dividers and power detectors will be used preferably in SMD technology. The objective is to implement a compact module in printed circuit technology (PCB) that will be evaluated in the laboratory using an RF signal generator and a resonant sensor implemented in co-sintered ceramic technology at low temperature. The experimental validation of the designed circuit will be carried out through the characterization of liquid solutions of different permitivity deposited on the sensor. The results will be compared with EM simulations of the sensor.