Pencirian bahan adalah salah satu komponen penting dalam applikasi sensor di mana pemalar dielektrik bahan akan menjadi metrik yang penting. Terdapat empat kaedah yang terkenal untuk mengukur pemalar dielektrik seperti kaedah penghantaran/ pantulan laluan, kaedah siasatan sepaksi terbuka-dihujung, kaedah ruang bebas dan kaedah salunan. Satu kaedah frekuensi resonans dipilih kerana ketepatan yang tinggi iaitu kurang dari 20%. Jalur frekuensi operasi reka bentuk adalah di Ku-band yang bermula dari 12 hingga 18 GHz. Kaedah frekuensi resonans menggunakan perpecahan cincin penyalun, yang merupakan geometri asas bagi reka bentuk sub-panjang gelombang penyalun meta bahan magnet. Pelbagai jenis perpecahan cincin penyalun telah diperkenalkan baru-baru ini, tiada seorang pun telah menggunakan aplikasi ini kecuali perpecahan cincin penyalun konvensional dan perpecahan cincin penyalun pelengkap. Jadi, satu jenis perpecahan cincin penyalun dipanggil luas tepi-dua permukaan (BC-SRR) berhubung perpecahan cincin penyalun akan diterokai dalam applikasi ini disebabkan oleh prestasi yang lebih baik dan padat berbanding dengan perpecahan cincin penyalun yang lain. Di samping itu, frekuensi salun bahan boleh dikurangkan dengan menggunakan luas tepi-dua permukaan berhubung perpecahan cincin penyalun berbanding perpecahan cincin penyalun. Q-faktor dan frekuensi salun adalah berkadar terus dengan sifat bahan dielektrik. Dengan menggunakan ‘Computer Simulation Technology Microwave Studio’, frekuensi salun BC-SRR dengan bahan di bawah ujian (MUT) dan dengan ketiadaan bahan di bawah ujian, MUT di mana substratum FR4 dan Duroid 5870 digunakan sebagai MUT akan dianalisis. Selepas itu, reka bentuk itu akan difabrikasi menggunakan substratum Rogers 4003C dimana frekuensi salun dan ‘S-parameters’ akan diukur menggunakan ‘Vector Network Analyzer’ (VNA). Hasil kehilangan pulangan, S11diperlukan untuk mempunyai nilai kurang daripada -10 dB untuk memastikan kurang tenaga yang dipantulkan semula ke terminal satu manakala kehilangan pertambahan, S21 menghampiri 0 dB bagi memastikan kesemua tenaga dihantar ke terminal dua. Analisis matematik dilakukan untuk menentukan pemalar dielektrik bagi MUT menggunakan keputusan frekuensi salun simulasi dan ukuran dan ‘S-parameter’ yang akan menunjukkan frekuensi salun respons simulasi dan ukuran. BC-SRR reka bentuk dengan pelbagai jenis MUTs seperti kertas, Duroid 5870, Tanah Berpasir, Polisterin, Getah, FR4 dan Grafit telah simulasi. Walau bagaimanapun, FR4 dan Grafit menghasilkan peratusan peubahan pemalar dielektrik yang lebih daripada dua puluh peratus berbanding dengan MUTs yang lain. Kedua-dua FR4 dan Grafit mempunyai pemalar dielektrik yang lebih tinggi daripada pemalar dielektrik substrat iaitu 3.38. Ini menunjukkan bahawa formulasi matematik hanya boleh digunakan untuk MUTs tidak diketahui dengan pemalar dielektrik rendah daripada pemalar dielektrik substrat. Untuk mengesahkan rumusan matematik ini, ujian eksperimen terhadap dua Muts yang berbeza telah dijalankan iaitu MUT Duroid 5870 dan FR4. Adalah diperhatikan bahawa purata perubahan peratusan pemalar dielektrik untuk MUT Duroid 5870 adalah 9.44 % manakala perubahan peratusan pemalar dielektrik untuk MUT FR4 adalah 62.581 %. Peratusan perubahan pemalar dielektrik FR4 adalah lebih daripada dua puluh peratus daripada nilai pemalar dielektrik tulen adalah 4.3 yang lebih daripada nilai pemalar dielektrik untuk substratum Rogers 4003C iaitu 3.38 manakala Duroid 5870 mempunyai peratusan peratusan lebih rendah pemalar dielektrik iaitu 2.33.
_______________________________________________________________________________________________________
Material characterization is one of the essential components in the sensor application in which the dielectric constant of material will be the metric of interest. There are four well-known methods for measuring the dielectric constant which is transmission/reflection line method, open-ended coaxial probe method, free space method and resonant method. A resonant frequency method is chosen due to its high accuracy which is less than 20%. The operating frequency band of the design is in the Ku-band which ranges from 12 to 18 GHz. The resonant frequency method utilizes a split ring resonator, which is a basic geometry for design sub-wavelength magnetic metamaterial resonators. Different types of split ring resonator have been introduced lately; none has been applied to this application except for a conventional split ring resonator and complementary split ring resonator. Therefore one type of split ring resonator called broadside-coupled split ring resonator will be explored in this application due to its better performance and compactness compare to other split ring resonators. In addition, resonant frequency of material can be reduced by using broadside-coupled split ring resonator. The Q-factor and resonant frequency are directly proportional to the dielectric material properties. By using Computer Simulation Technology Microwave Studio, the resonant frequency of broadside-coupled split ring resonator with material under test (MUT) and without MUT where substrate FR4 and Duroid 5870 are used as MUT are analysed. Subsequently, the design is fabricated using Roger 4003C substrate and its resonant frequency and S-parameters are measured using the Vector Network Analyzer. The return loss, S11 result is required to have less than -10 dB value to ensure there is less input power being reflected back to the port one while insertion loss, S21 approaches 0 dB in order for all input power being transmitted to the port two. Mathematical analysis is done to determine the dielectric constant of MUT using simulated and measured of resonant frequency and S-parameter results which will indicate in deviation between standard and calculated dielectric constant of MUT. Broadside-coupled split ring resonator design with different types of MUTs such as Paper, Duroid 5870, Sandy Soil, Polysterene, Rubber, FR4 and Graphite have been simulated. However, FR4 and Graphite yield greater percentage deviation of dielectric constant between calculated and standard value which is more than twenty percent compare to other types of MUTs. Both FR4 and Graphite has higher dielectric constant that the dielectric constant of substrate which is 3.38. This indicated that the mathematical formulation is applicable to be used for only unknown MUTs with lower dielectric constant than dielectric constant of substrate. In order to verify this mathematical formulation, experimental testing for two different of MUTs have been carried out which is MUT Duroid 5870 and FR4. It is observed that the average percentage deviation of dielectric constant for MUT Duroid 5870 is 9.44 % while the percentage deviation of dielectric constant for MUT FR4 is 62.581 %. The percentage deviation dielectric constant of FR4 is more than twenty percent due to it standard dielectric constant value is 4.3 which is more than dielectric constant value for substrate Rogers 4003C which is 3.38 while Duroid 5870 has lower percentage deviation of dielectric constant which is 2.33.
Dielectric constant measurement using broadside-coupled split ring resonator / Nur Amalina Rosly