31749

طراحي و شبيه سازي حس گر مبتني بر مايكروويو با هدف شناسايي ويژگي يك ماده

كارشناسي ارشد

برق- مدارهاي مجتمع الكترونيك

1400

1403/7/14

اديب ابريشمي فر

وحيد نيري

برق

استفاده از حس¬گرها براي اندازه‌گيري متغيرهاي فيزيكي اطراف ما امري مهم و ضروري است. دقت يك حس¬گر به ميزان نزديكي مقدار اندازه‌گيري‌شده به مقدار واقعي متغير مورد نظر گفته مي‌شود. اختلاف بين اين دو مقدار، به‌ويژه در شرايط حساس، مي‌تواند مشكل‌ساز باشد. بروز اين اختلاف از ابتدا يا ايجاد خطا در طول زمان امري اجتناب‌ناپذير است؛ بنابراين حس¬گر بايد در آغاز از دقت بالايي برخوردار باشد و اين ويژگي بايد در برابر خطاهاي احتمالي و گذر زمان پايدار و ثابت بماند. در اين پايان¬نامه، ساختار يك حس¬گر مسطح مبتني بر مايكروويو با دقت بالا براي شناسايي ناخالصي در مايعات ارائه شده است كه قابليت تنظيم دارد و مي‌تواند ضريب گذردهي يك ماده را اندازه‌گيري كند. قابليت تنظيم حداكثر دقت آن به كمك يك ولتاژ مستقيم، در محدوده¬اي از ضريب گذردهي مواد صورت مي¬گيرد. اين حس¬گر بر اساس يك كوپلر جهتي در باند فركانسي L عمل مي¬كند، به¬طوري¬ كه مادۀ تحت آزمايش در محل كوپلينگ بين دو خط انتقال مايكرواستريپ قرار مي¬گيرد و بر اساس اختلال ايجاد شده در عمل كوپلاژ، تواني به پورت ايزوله اين كوپلر نشت پيدا مي¬كند. توان نشت پيدا كرده، وابسته به ضريب گذردهي مادۀ تحت آزمايش دارد كه دقت آن براي مواد مختلف در بازه¬اي از ضريب گذردهي¬ها، يكسان نمي¬باشد. به كمك عنصر جبران¬سازي كه بين خطوط كوپلاژ قرار مي¬گيرد كه يك ديود وركتور متغير با ولتاژ كنترل است، مي¬توان حداكثر دقت اندازه¬گيري را مطابق ضريب گذردهي مادۀ مورد نظر تنظيم نمود. در ضريب گذردهي تنظيم شده حتي درصد كمي از ناخالصي نيز قابل شناسايي است. در بازه اندازه گيري اين حس¬گر كه از ضريب گذردهي 1 تا 7 است، مي¬توان به دقت متوسط 92/15 دست يافت كه براساس دانش نويسنده تا اين زمان بيش¬ترين دقت متوسط در حس¬گرهاي مايكروويو مسطح است. شبيه¬سازي ميداني به همراه نتايج حاصل از ساخت و اندازه¬گيري عملي جهت تاييد عملكرد اين حس¬گر صورت گرفته است.

1403/09/24

Design and simulation of a microwave-based sensor with the purpose of identifying a material characteristic

10/5/2025 12:00:00 AM

The use of sensors for measuring physical variables in our environment is both crucial and necessary. Sensor accuracy is defined by how closely the measured value aligns with the actual value of the measured variable. Any discrepancy between these values, particularly in sensitive situations, can lead to significant issues. While such differences, whether present from the outset or developing over time, are unavoidable, it is essential for a sensor to exhibit high accuracy from the beginning. Moreover, this accuracy must remain stable and resilient over time, even in the face of inevitable errors. In this thesis, a high-sensitivity planar microwave sensor design is presented, capable of measuring the dielectric constant of a material with adjustable accuracy. The maximum accuracy can be tuned using a DC voltage over a range of material dielectric constants. This sensor operates based on a directional coupler in a frequency band above 1 GHz, where the Material Under Test (MUT) is placed on the coupling area between two microstrip transmission lines. Due to the disturbance in the coupling, power leaks to the isolated port of the coupler. The leaked power depends on the dielectric constant of the material under test, and the accuracy of the measurement varies across different dielectric constant ranges. By using a compensating element placed between the coupling lines, which is a varactor diode controlled by voltage, the maximum measurement accuracy can be adjusted to match the desired dielectric constant of the material. At the calibrated permittivity, even a small percentage of impurities can be detected. Within the measurement range of sensor, spanning permittivity values from 1 to 7, an average accuracy of 15.92 is achieved. To the best of the author's knowledge, this represents the highest average accuracy reported for planar microwave sensors to date. Full-wave simulations, along with the results from fabrication and practical measurements, have been presented to verify the performance of the sensor.

حسگر , مايكروويو , كوپلر جهتي

Sensor , Microwave , Directional Coupler

Mohammadmahdi Javanmardi

Adib Abrishamifar