Diseño, implementación y análisis de sensores dieléctricos sobre tecnología microstrip, basado en resonador tipo SIR (Stepped Impedance Resonator)

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(1)ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN. PROYECTO FIN DE GRADO TÍTULO: DISEÑO, IMPLEMENTACIÓN Y ANÁLISIS DE SENSORES DIELÉCTRICOS SOBRE TECNOLOGÍA MICROSTRIP, BASADO EN RESONADOR TIPO SIR (STEPPED IMPEDANCE RESONATOR).. AUTOR: SERGIO ATIENZA BEDMAR. TITULACIÓN: GRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN. TUTOR: MARTA GIL BARBA. DEPARTAMENTO: DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA AUDIOVISUAL Y COMUNICACIONES VºBº. Miembros del Tribunal Calificador:. PRESIDENTE: SARA LANA SERRANO (DITE). TUTOR: MARTA GIL BARBA (IAC). SECRETARIO: CARLOS CORTES ALCALÁ (IAC). Fecha de lectura: 24 DE JULIO DE 2019. Calificación: El Secretario,.

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(4) 1) INTRODUCCIÓN.. RESUMEN.

(5) Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación, Campus Sur UPM 17 de junio de 2019.

(6) 1) INTRODUCCIÓN.. ABSTRACT.


(8) 1) INTRODUCCIÓN.. ÍNDICE RESUMEN ................................................................................................................................................... 2 ABSTRACT ................................................................................................................................................... 4 ÍNDICE ........................................................................................................................................................ 6 LISTA DE ACRÓNIMOS ................................................................................................................................ 7 LISTA DE SÍMBOLOS .................................................................................................................................... 8 1. INTRODUCCIÓN................................................................................................................................ 10 1.1 METAMATERIALES. ........................................................................................................................ 10 1.2 MEDIOS EFECTIVOS Y MEDIOS ZURDOS. ............................................................................................... 11 1.3 MARCO TEMPORAL Y TECNOLÓGICO DEL ESTUDIO DE LOS METAMATERIALES. ............................................... 16 1.4 LÍNEAS DE TRANSMISIÓN ZURDAS. ..................................................................................................... 19 1.5 RESONADORES ............................................................................................................................. 22 1.6 APLICACIONES DE LOS METAMATERIALES. ............................................................................................ 27 1.6.1 Superlentes basadas en metamateriales. .............................................................................. 27 1.6.2 Cloacking.............................................................................................................................. 29 1.6.3 Antenas basadas en metamateriales. ................................................................................... 31 1.6.4 Sensores basados en metamateriales.................................................................................... 31 1.6.4.1. 2. Sensores de variaciones dieléctricas. .......................................................................................... 32. DISEÑO Y ANÁLISIS........................................................................................................................... 35 2.1 DISEÑO ASISTIDO POR COMPUTADORAS. ............................................................................................. 35 2.1.1 High Frecuency Structure Simulator. ..................................................................................... 36 2.2 MÉTODO DE DISEÑO. ..................................................................................................................... 37 2.2.1 Modelaje. ............................................................................................................................. 38 2.3 SIMULACIONES Y RESULTADOS. ......................................................................................................... 48 2.3.1 Pérdidas de inserción en modo cruzado................................................................................. 49 2.3.2 Barrido en frecuencia............................................................................................................ 50 2.3.3 Resultados obtenidos............................................................................................................ 50 2.3.3.1. 3. Estudio del efecto del substrato sobre la sensibilidad del dispositivo. .......................................... 51. FABRICACIÓN, CARACTERIZACIÓN Y VALIDACIÓN EXPERIMENTAL DEL PROTOTIPO......................... 58 3.1 PROCESO DE FABRICACIÓN. .............................................................................................................. 58 3.2 VALIDACIÓN EXPERIMENTAL. ............................................................................................................ 62 3.2.1 Líquidos bajo estudio. ........................................................................................................... 63 3.2.2 Disoluciones porcentuales de Etanol en Agua Desionizada. ................................................... 67 3.2.3 Caracterización de sólidos y detección de defectos. ............................................................... 70. 4. CONCLUSIONES. ............................................................................................................................... 74. 5. BIBLIOGRAFÍA. ................................................................................................................................. 77. PRESUPUESTO ............................................................................................................................................. I ANEXO 1: ESTUDIO SIR .............................................................................................................................. III.

(9) Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación, Campus Sur UPM 17 de junio de 2019. Lista de Acrónimos.

(10) 1) INTRODUCCIÓN.. Lista de Símbolos λ ε 𝐸⃗ ⃗ 𝐷 ⃗ 𝐻 ⃗ 𝐵 𝑘⃗ 𝜔 𝑆 𝑛 𝜃1 𝜃2 𝛽 𝑍 𝑌 𝐿 𝐶 𝑓0 𝑌𝑆𝐼𝑅 Φ K 𝑍0 𝐺. 𝑎 𝑏 𝑐 𝑑 𝑒 𝑙 𝜀𝑟 : 𝛿. 109.

(11) Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación, Campus Sur UPM 17 de junio de 2019. 𝑆11 𝑆21 𝑑𝐵 𝑤 𝑍𝐶 𝐷𝐶 𝑆21. 𝑆21_𝑅𝑒𝑓 𝑆43_𝐿𝑈𝑇 𝑌𝑅𝐸𝐹 𝑌𝐿𝑈𝑇 º𝐶 𝜀′𝑟 𝜀′′𝑟.

(12) 1) INTRODUCCIÓN.. 1 INTRODUCCIÓN. 1.1 Metamateriales.. λ. ε). µ).

(13) Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación, Campus Sur UPM 17 de junio de 2019. 1.2 Medios efectivos y medios zurdos.. λ la longitud de onda asociada a la frecuencia de trabajo.. µ y la ε. ε.

(14) 1) INTRODUCCIÓN.. {. 𝜇>0 𝜀>0. (1.1). ε. {. 𝜇<0 𝜀>0. (1.2). {. 𝜇>0 𝜀<0. (1.3). {. 𝜇<0 𝜀<0. (1.4). ε. ⃗ 𝜕𝐵 𝜕𝑡 ⃗ 𝜕𝐷. ∇ 𝑥 𝐸⃗ = − ⃗ = ∇𝑥𝐻. 𝜕𝑡. (1.5) (1.6).

(15) Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación, Campus Sur UPM 17 de junio de 2019. 𝐸⃗. ⃗ = 𝜇∗ 𝐻 ⃗ 𝐵. (1.7). ⃗ = 𝜀 ∗ 𝐸⃗ 𝐷. (1.8). ⃗ 𝐷. ⃗ 𝐻. ⃗ 𝐵. 𝑘⃗. 𝜔. ⃗ 𝑘⃗ 𝑥 𝐸⃗ = 𝜔 ∗ 𝜇 ∗ 𝐻. (1.9). ⃗ = − 𝜔 ∗ 𝜀 ∗ 𝐸⃗ 𝑘⃗ 𝑥 𝐻. (1.10). (𝑘⃗ ) ⃗ 𝐸⃗ , 𝐻 (𝑆. (1.11). ⃗ 𝑆 = 𝐸⃗ 𝑥 𝐻. ε (𝑘⃗ ). (𝑆 ).

(16) 1) INTRODUCCIÓN..

(17) Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación, Campus Sur UPM 17 de junio de 2019. (𝑛). 𝑛2 = 𝜀 ∗ 𝜇. (1.12). 𝜀 = 𝜇 = −1 = cos(𝜋) + 𝑗 𝑠𝑒𝑛(𝜋)= 𝑒 𝑗𝜋. (1.13). ε. 𝑗𝜋. 𝑗𝜋. 𝑛 = √𝜀 ∗ 𝜇 = √𝜀 ∗ √ 𝜇 = 𝑒 2 ∗ 𝑒 2 = 𝑒 𝑗𝜋 = −1. (1.14). 𝑛1 ∗ 𝑠𝑒𝑛(𝜃1 ) = 𝑛2 𝑠𝑒𝑛(𝜃2 ). (1.15).

(18) 1) INTRODUCCIÓN.. 𝜃2 = 𝑛2 ∗ sin−1(𝑠𝑒𝑛(𝜃1 ) ∗. 𝑛1 ) 𝑛2. 1.3 Marco temporal y tecnológico del estudio de los Metamateriales.. (1.16).



(21) Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación, Campus Sur UPM 17 de junio de 2019. 1.4. Líneas de transmisión zurdas.. 𝜀 𝜇 𝛽.

(22) 1) INTRODUCCIÓN.. 𝑍 ′ = 𝑗𝑤𝜇. ;. 𝑌 ′ = 𝑗𝑤𝜀. 𝛽 = √𝑍 ′ 𝑌 ′ = 𝑗𝑤 ∗ √𝜀𝜇. 𝜇. 𝜀. (1.17) (1.18).


(24) 1) INTRODUCCIÓN.. 1.5 Resonadores 𝑓0. 𝑓0 =. 1 2 ∗ 𝜋 ∗ √𝐿 ∗ 𝐶. (1.19).




(28) 1) INTRODUCCIÓN.. 𝑌𝑆𝐼𝑅 = −𝑗 ∗. tan Φ1 + 𝐾 tan Φ2 𝑍2 tan Φ1 ∗ tan Φ2 − 𝑍1 𝐾=. 𝑍1 𝑍2. (1.20) (1.21). Φ 𝑍𝑖. 𝐾 = tan Φ1 ∗ tan Φ2. (1.22) Φ.

(29) Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación, Campus Sur UPM 17 de junio de 2019. 𝑌𝑆𝐼𝑅 = −𝑗 ∗. Φ1 + 𝐾Φ2 𝑍2 Φ1 Φ2 − 𝑍1. (1.23). wC 𝐿𝐶𝑤 2 − 1. (1.24). 𝑌𝐿𝐶 = −𝑗 ∗. 1.6 Aplicaciones de los metamateriales.. 1.6.1 Superlentes basadas en metamateriales..


(31) Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación, Campus Sur UPM 17 de junio de 2019. 1.6.2 Cloacking..


(33) Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación, Campus Sur UPM 17 de junio de 2019. 1.6.3 Antenas basadas en metamateriales.. 1.6.4 Sensores basados en metamateriales..

(34) 1) INTRODUCCIÓN.. . .  . 1.6.4.1. Sensores de variaciones dieléctricas..



(37) Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación, Campus Sur UPM 17 de junio de 2019. 2. Diseño y análisis.. 2.1 Diseño asistido por computadoras..

(38) 2) Diseño y análisis.. 2.1.1 High Frecuency Structure Simulator.. . . .

(39) Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación, Campus Sur UPM 17 de junio de 2019. 2.2 Método de diseño..  𝑓0 .  𝑍0.

(40) 2) Diseño y análisis.. 2.2.1 Modelaje.. . 𝑎.  . 𝑏 𝑐. . 𝑑. . 𝑒. . 𝑙.

(41) Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación, Campus Sur UPM 17 de junio de 2019. 𝑒. 𝑙.

(42) 2) Diseño y análisis.. 𝒕𝒂𝒏(𝜹). (𝜺𝒓. 𝑆11 𝑆21.

(43) Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación, Campus Sur UPM 17 de junio de 2019. 𝑺𝟏𝟏. 𝑎, 𝑏, 𝑐, 𝑑 𝒍. 𝒆.

(44) 2) Diseño y análisis.. 𝑆21. 𝑎 = 𝑏, 𝑐 = 𝑑. 𝑑.

(45) Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación, Campus Sur UPM 17 de junio de 2019. .. . 𝑎.  . 𝑏.  . 𝑐 𝑑 𝑆21.

(46) 2) Diseño y análisis.. . 𝑎. . 𝑏. . 𝑐. . 𝑑. . 𝑆21.

(47) Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación, Campus Sur UPM 17 de junio de 2019. 𝑺𝟏𝟏. 𝑺𝟐𝟏. 𝑎, 𝑏, 𝑐 𝑑. 𝑙. 𝑤.

(48) 2) Diseño y análisis..

(49) Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación, Campus Sur UPM 17 de junio de 2019. 𝑎, 𝑏, 𝑐. 𝑑. Substrato. 𝒂. 𝒃. 𝒄. 𝒅. 𝒆. 𝒍. 𝒘. Frecuencia de Trabajo. dB. FR4-epoxy. 15.0. 3. 14. 2.0. 2.614. 75.361. 110. 0.9989G Hz. -29.02. AD1000. 14.5. 3. 8. 1.4. 1.214. 57.852. 100. 1.0044G Hz. -39.46. RO4003C. 15.0. 3. 14.5. 1.4. 3.443. 90.493. 110. 1.0084G Hz. -32.56. Duroid5880. 15.0. 4. 19. 1.4. 9.712. 109.65. 130. 0.9954G Hz. -31.65. 𝑒 𝑙.

(50) 2) Diseño y análisis.. 𝑺𝟐𝟏. 2.3 Simulaciones y resultados.. 𝑺𝟑𝟒.

(51) Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación, Campus Sur UPM 17 de junio de 2019. 2.3.1 Pérdidas de inserción en modo cruzado.. 𝑍𝐶 𝑍0. 𝑍𝐶 = 𝑍0 = 50 Ω. 𝑆21. 𝑙. 𝑆43. 𝐷𝐶 𝑆21 =. 1 ∗ (𝑆21_𝑅𝑒𝑓 − 𝑆43_𝐿𝑈𝑇 ) 2. 𝑆21_𝑅𝑒𝑓. (2.1). 𝑆43_𝐿𝑈𝑇. 1 𝑌𝑅𝐸𝐹 1+ 𝑍 2 0 1 = 𝑌𝐿𝑈𝑇 1 + 2 𝑍0. 𝑆21_𝑅𝐸𝐹 =. (2.2). 𝑆43_𝐿𝑈𝑇. (2.3).

(52) 2) Diseño y análisis.. 2.3.2 Barrido en frecuencia.. 2.3.3 Resultados obtenidos.. 𝜀.

(53) Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación, Campus Sur UPM 17 de junio de 2019. 𝜀 δ. ε. ε. 𝒕𝒂𝒏(𝜹) (𝜺′𝒓. 2.3.3.1. (𝜺′′𝒓. Estudio del efecto del substrato sobre la sensibilidad del dispositivo..

(54) 2) Diseño y análisis.. (𝜺𝒓. 𝒕𝒂𝒏(𝜹).


(56) 2) Diseño y análisis.. 𝑆21.

(57) Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación, Campus Sur UPM 17 de junio de 2019. ∆𝑓 ε. ∆𝜀′. ∆𝜀′.

(58) 2) Diseño y análisis.. ∆𝜀′ ∆𝜺′. ∆𝜺′. ∆𝑓 (G HZ). AD1000. Duroid5880. FR4-epoxy. R04003C. 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0 -0,02 50. 55. 60. 65. 70. 75. 80. ∆𝜀'. ∆𝜀’.. ∆𝒇. AD1000. Duroid5880. FR4-epoxy. R04003C. |S21_MAX| CROSS-MODE (DECIBELIOS). 0 -5 -10 -15 -20 -25 50. 55. 60. 65. 70. 75. ∆𝜀'. ∆𝜀’. |𝑺𝟐𝟏 |.  ∆f. 80.

(59) Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación, Campus Sur UPM 17 de junio de 2019.  𝑆=. ∆𝑓 ∆𝜀. (2.4).

(60) 3) Fabricación, caracterización y validación experimental del prototipo.. 3 Fabricación, caracterización y validación experimental del prototipo.. 3.1 Proceso de fabricación.. 𝑆21.


(62) 3) Fabricación, caracterización y validación experimental del prototipo..


(64) 3) Fabricación, caracterización y validación experimental del prototipo.. 3.2 Validación experimental..

(65) Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación, Campus Sur UPM 17 de junio de 2019. 3.2.1 Líquidos bajo estudio.. 𝑆21.

(66) 3) Fabricación, caracterización y validación experimental del prototipo.. 𝑆21.

(67) Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación, Campus Sur UPM 17 de junio de 2019. 𝜀′ |𝑆21 | 𝜀′.

(68) 3) Fabricación, caracterización y validación experimental del prototipo.. 𝑆21. ∆𝜺′. ∆𝜺′.

(69) Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación, Campus Sur UPM 17 de junio de 2019 0. 1,4 1,35. -10 -15. 1,3. -20 1,25. -25 -30. 1,2. Frecuencia (GHz). |S21_min| (dB). -5. dB Frec. -35 -40. 1,15 50. 55. 60. 65. 70. 75. 80. ∆𝜀' respecto al Agua Desionizada |𝑺𝟐𝟏 |. 𝜀′. tan(𝛿). 3.2.2 Disoluciones porcentuales de Etanol en Agua Desionizada..

(70) 3) Fabricación, caracterización y validación experimental del prototipo.. 𝑺𝟐𝟏.

(71) Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación, Campus Sur UPM 17 de junio de 2019 0,08. 0. 0,07. ∆f (GHz). -4. 0,05 0,04. -6. 0,03. -8. 0,02. ∆|S21_min| (dB). -2. 0,06. -10. 0,01 0 0%. 10%. 20%. 30%. 40%. 50%. 60%. 70%. 80%. 90%. -12 100%. % de Etanol en Agua Desionizada Diferencia en Frecuencia. Diferencia en dB 𝑺𝟐𝟏. 𝑆0−100%_𝑑𝐵 = 10dB/95%vol = 0,105dB/%vol. (3.1).

(72) 3) Fabricación, caracterización y validación experimental del prototipo.. 𝑆0−100%_𝑓𝑟𝑒𝑐 = 68,25𝑀𝐻𝑧/95%𝑣𝑜𝑙 = 718,42𝑘𝐻𝑧/%𝑣𝑜𝑙. (3.2). 𝑆0−60%_𝑓𝑟𝑒𝑐 = 24,38𝑀𝐻𝑧/55%𝑣𝑜𝑙 = 443,27𝑘𝐻𝑧/%𝑣𝑜𝑙. (3.3). 𝑆60−100%_𝑓𝑟𝑒𝑐 = 43,87𝑀𝐻𝑧/40%𝑣𝑜𝑙 = 1,0967𝑀𝐻𝑧/%𝑣𝑜𝑙. (3.4). 3.2.3 Caracterización de sólidos y detección de defectos.. ε 𝜹.

(73) Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación, Campus Sur UPM 17 de junio de 2019. ∆𝜀.

(74) 3) Fabricación, caracterización y validación experimental del prototipo.. 𝜀′. 𝜀′. 𝑆21.

(75) Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación, Campus Sur UPM 17 de junio de 2019 3,5. 3. 0,2. 2,5 0,15. y = -0,0165x + 0,2348. 2 1,5. 0,1. 1 0,05. 0,5. y = -0,2463x + 2,9728 0. 0 0. 2. 4. 6. 8. 10. ∆𝜀' respecto a Agua Desionizada Desv_Frec Lineal (Desv_Frec). Desv_dB Lineal (Desv_dB). 𝜀′ 𝛿. ∆magnitud de |S21_min| (dB). ∆frecuencia (GHz). 0,25.

(76) 4) Conclusiones.. 4 Conclusiones..

(77) Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación, Campus Sur UPM 17 de junio de 2019. 𝑆21. 𝑆21. 𝑆0−100%_𝑑𝐵 = 10dB/95%vol = 0,105dB/%vol. 𝑆0−100%_𝑓𝑟𝑒𝑐 = 68,25𝑀𝐻𝑧/95%𝑣𝑜𝑙 = 718,42𝑘𝐻𝑧/%𝑣𝑜𝑙. 𝑆0−60%_𝑓𝑟𝑒𝑐 = 24,38𝑀𝐻𝑧/55%𝑣𝑜𝑙 = 443,27𝑘𝐻𝑧/%𝑣𝑜𝑙. 𝑆60−100%_𝑓𝑟𝑒𝑐 = 43,87𝑀𝐻𝑧/40%𝑣𝑜𝑙 = 1,0967𝑀𝐻𝑧/%𝑣𝑜𝑙.

(78) 4) Conclusiones.. ε.

(79) Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación, Campus Sur UPM 17 de junio de 2019. 5 Bibliografía.. Ɛ.

(80) 5) Bibliografía..


(82) 5) Bibliografía..


(84) 5) Bibliografía.. ε.

(85) Presupuesto. μ.

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(87) Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación, Campus Sur UPM 17 de junio de 2019. Anexo 1: Estudio SIR.

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