Design and implementation of microwave and terahertz material characterization mehtods

Il mio lavoro di ricerca di dottorato e incentrato sulla caratterizzazione di materiali dielettrici per sistemi di imaging a microonde e terahertz. Sono stati proposti nuovi progetti di antenne di sorgenti e sono state implementate una coppia di tecniche di inversione dei dati nel dominio del tempo per studiare la caratterizzazione del materiale dielettrico di oggetti solidi. Inizialmente, la microstriscia di patch impilata e le antenne a corno sagomate sono progettate per migliorare la larghezza di banda dell'antenna e le caratteristiche di messa a fuoco spot alle frequenze di microonde e terahertz. Per modellare un'antenna a tromba viene utilizzato uno schema di struttura della guida d'onda a tromba d'onda per evitare la correzione della lente alle aperture delle trombe, che di solito e necessaria per migliorare la messa a fuoco spot. Le antenne a corno presentate sono progettate e simulate con un codice a elementi finiti esclusivo Body-of-Revolution. Viene studiata l'interazione delle onde elettromagnetiche con i materiali, dove e stata osservata la variazione di ampiezza e fase dell'onda trasmessa e riflessa con e senza presenza di materiale dielettrico per scopi di calibrazione. Diverse tecniche di inversione dei dati sono sviluppate e testate, ad esempio, inversione di Fourier e inversione bayesiana. Anche l'efficienza del tempo e del calcolo delle tecniche di post-elaborazione e stata notevolmente migliorata, utilizzando il codice proprietario in MATLAB. L'analisi e la stima delle proprieta dielettriche si basano principalmente su dati misurati e risultati simulati ottenuti utilizzando software commerciali (Ansys HFSS e CAD FEKO) ai fini del confronto. Le misurazioni dielettriche vengono eseguite presso PoliMI e UPC di Barcellona per convalidare i risultati in piu ambienti e banchi di prova. Tecniche di calibrazione di Vector Vector Network Analyzer (VNA) diverse, ad esempio TRL, guida d'onda ecc. Sono realizzate per minimizzare gli errori di misurazione. Inoltre, lo spessore del materiale e incluso anche nell'algoritmo di inverion per ridurre possibili errori tra i parametri di dispersione del terreno (riferimento) e del materiale. I materiali testati hanno una costante dielettrica compresa tra 2 e 12 spessori compresi tra 0,5 mm e 10 mm. Materiali a uno o piu strati su diverse bande di frequenza i-e; 26-40 GHz, 75-110 GHz e 915-925 GHz vengono misurati durante gli esperimenti. Abbiamo verificato con successo l'accuratezza della stima dielettrica rispetto ai dati disponibili, mentre la potenza e il tempo di calcolo sono significativamente ridotti rispetto ai software commerciali come Ansys HFSS e CAD FEKO. Il metodo di inversione bayesiana fornisce una misura di affidabilita sulle proprieta dei materiali poiche, la densita di probabilita viene calcolata e gli autovettori corrispondenti sono tracciati per trovare la confidenza sui parametri osservati rispetto ai parametri del modello. I nuovi progetti di antenne per corno e le migliori tecniche di inversione dei dati nel dominio del tempo realizzati in questa ricerca, sono un contributo molto utile nello sviluppo di sistemi di misurazione e di imaging di ultima generazione. Le possibili applicazioni di questa ricerca sono l'imaging biomedico per il rilevamento e la diagnosi di cancro, il test non distruttivo di difetti strutturali negli oggetti e sistemi di comunicazione con velocita di trasmissione dati ultraelevate.