Estudio sobre resonadores en tecnología microstrip como sensor de medida de grosor de materiales a 24GHz

Abstract

Diversas aplicaciones industriales requieren de la caracterización y medición de materiales con alta precisión. En las últimas décadas se han investigado métodos para realizar dichas mediciones de manera destructiva y no destructiva [1]. Cada vez más se emplean métodos no destructivos por razones evidentes. Los sensores implementados en líneas de transmisión planas son una de las múltiples alternativas para este fin. El objetivo de este trabajo es comprobar la viabilidad de utilizar resonadores basados en metamateriales, en concreto Split ring resonators (SRR) en tecnología microstrip para realizar mediciones de grosores sobre materiales dieléctricos ubicados encima de un metal. La medición se lleva a cabo a través de la curva del coeficiente de transmisión en un ancho de banda determinado contrastada con las respuestas esperadas para los diferentes grosores. Los requerimientos iniciales para este sensor es que sea capaz de discernir grosores de entre 50 μm y 200 μm de material dieléctrico en la banda de 24 GHz con un ancho de banda de unos 2 GHz. Se ha seleccionado como banda de funcionamiento la de 24 GHz ya que se dispone de chips transceptores inicialmente pensados para aplicaciones radar que son aplicables en estas configuraciones [2]. Para ello, se ha realizado una recopilación bibliográfica para obtener ideas y comprender mejor el funcionamiento de los resonadores SRR para después aplicarlo en este campo. Se han analizado diferentes parámetros y configuraciones con distintos tipos de anillos en el simulador y obtenido relaciones cualitativas que han permitido caracterizar y diseñar los dispositivos finales. Se han realizado una serie de propuestas de posibles configuraciones para medir los grosores de materiales de diferentes constantes dieléctricas. Las configuraciones elegidas utilizan resonadores basados en tecnología de metamateriales, concretamente Split ring resonators (SRR). Estos ejemplos han obtenido un a respuesta en frecuencia de sus parámetros de transmisión más ajustadas al ancho de banda especificado en los objetivos del proyecto. Se ha comprobado que la tecnología de SRR en línea microstrip es viable para realizar medidas de grosores de materiales sobre metales de alta precisión. La principal limitación para este caso es el ancho de banda, dado que las resonancias de los anillos no son suficientemente selectivas para realizar una amplia gama de medidas con el ancho de banda disponible, aproximadamente de 2 GHz. Esta limitación obliga al diseño de configuraciones adaptadas al material que se quiere medir. En caso de disponer de un dispositivo transceptor de mayor ancho de banda el rango de grosores medibles con este tipo de dispositivos sería mayor.

Multiple industrial applications need of high accuracy characterization and measurement of materials. In the last decades, some methods have been researched to perform such measurements in a destructive and non-destructive manner [1]. For practical reasons, non-destructive methods are being used increasingly. Planar transmission sensors are one of the multiple alternatives for this purpose. The objective of this project is to verify the viability of using resonators b ased on metamaterials, specifically Split ring resonators (SRR) in microstrip technology to perform thickness measurements on dielectric materials located above a metal. The measurement is carried out through the transmission coefficient curve in a certain bandwidth contrasted with the expected responses for the different thicknesses. The initial requirements for this sensor is that it is capable of measure thicknesses between 50 μm and 200 μm of dielectric material in the 24 GHz band with a bandwidth of about 2 GHz. It has been selected as the 24 GHz operating band as it has transceiver chips initially intended for radar applications that are applicable in these configurations [2]. For this purpose, a bibliographical compilation has been accomplished to obtain ideas and better understand the behaviour of split ring resonators to afterward apply in this field. Different parameters and set ups have been analysed with varied kind of rings in the simulator. Qualitative relationships between parameters were found, which helped to the design and characterization of the final devices. Several proposals have been made for possible configurations to measure the thicknesses of materials from different dielectric constant. The chosen configurations use resonators based on metamaterials technology, specifically Split ring resonators (SRR). These examples have obtained a frequency response of their transmission parameters more adjusted to the bandwidth specified in the project objectives. It has been checked to prove that SRR technology in microstrip line can be used to perform high resolution thickness measurements of materials placed above metal plates or without them. The main limitation for this case is the bandwidth, since the resonances of the rings are not sufficiently selective to carry out a wide range of measures with the available bandwidth, approximately 2 GHz. This limitation requires the design of configurations adapted to the material to be measured. In case of having a transceiver with higher band width, the range of measurable thicknesses with this type of devices would be greater.