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Reportan en Nature nuevo sensor para medir materiales con microondas

“Microstrip sensor and methodology for the determination of complex anisotropic permittivity using perturbation techniques” es el título del artículo de investigación del M. C. Héctor Morales Lovera, estudiante del doctorado en Electrónica, y el Dr. José Luis Olvera Cervantes, investigador de la Coordinación de Electrónica del INAOE, que se publicó hace unos días en la prestigiada revista Nature.

Héctor Morales Lovera. Foto: cortesía.

Héctor Morales estudió la licenciatura en el Instituto Tecnológico Superior de Comalcalco, y la maestría en Electrónica en el INAOE bajo la asesoría del Dr. José Luis Olvera. Actualmente realiza su tesis de doctorado con este investigador. Interrogado sobre por qué se dedicó a la Electrónica, comenta: “Desde pequeño fui de esos niños curiosos a los que les encantaba experimentar con sus juguetes, desarmarlos, fue esa curiosidad la que me hizo encantarme de la Electrónica”.

Acerca del proyecto de investigación reportado en Nature, el M. C. Héctor Morales explica que se espera que la tecnología 5G mejore la velocidad de transferencia de datos y propicie un ambiente donde todos y todo esté conectado (Internet de las Cosas, IoT), tanto los usuarios como los objetos de uso cotidiano, permitiendo su gestión e identificación por otros dispositivos, al igual que lo hace el ser humano.

Para ello se requiere que los circuitos y canales de comunicación se diseñen con mayores exigencias en cuanto la velocidad de operación, ancho de banda, consumo energético. Sin embargo, con “el aumento en la velocidad de operación de los sistemas de telecomunicaciones, los efectos provocados por las características de los materiales con los que están fabricados comienzan a ser cada vez más evidentes. Por tal motivo, se requiere una mejora en los modelos y métodos de caracterización de los materiales en el rango de las microondas”.

“En este trabajo se presenta un sensor y metodología para la medición de la constante dieléctrica uniaxial de materiales dieléctricos anisótropos utilizando microondas. Es decir, se mide la constante dieléctrica en dirección vertical y en dirección horizontal en un material. Cuando el material presenta diferentes constantes dieléctricas en las direcciones evaluadas se le considera anisótropo. En el caso contrario (la respuesta es igual en cualquier dirección) el material se conoce como isótropo.  La información obtenida con este método permitirá a los ingenieros de RF y microondas aumentar la confiabilidad de sus diseños, desde que se obtiene más información de un material en comparación de métodos convencionales. El sensor está basado en resonadores de microcinta, lo que permite realizar pruebas no destructivas y no invasivas de muestras sometidas a prueba (SUT). El método es de bajo costo y rápido, pues con un solo sensor es posible caracterizar muchas muestras. Además, debido a que la metodología se basa en mediciones (no requiere análisis numérico), facilita para los diseñadores la medición de la permitividad de los dieléctricos de los que están hechos los circuitos que funcionan en el rango de las microondas; tarjetas madre de los PC, celulares, antenas, canales de comunicación y todos los elementos que conforman a las redes 5G para el IoT”, explica.

La microcinta, agrega, es una tecnología que consta de una especie de sándwich: la capa superior es un trazo donde va una señal en una capa conductiva, debajo de esa capa conductiva hay un sustrato dieléctrico y la capa inferior es otro plano conductivo que se utiliza como referencia o plano de tierra. Es importante destacar, que las características eléctricas de las líneas de transmisión, incluida la microcinta, dependen en gran medida del sustrato dieléctrico en donde está implementado. Ya que este determina la longitud eléctrica, fase y dispersión de las líneas de transmisión. 

“Este trabajo reporta un sensor basado en resonadores acoplados, que acepta una muestra sometida a prueba (SUT), la que es colocada a través de una ranura que es integrada en el sustrato. La ranura delimita tanto el tamaño como la posición de la SUT,  y eso hace que la propuesta sea compatible con técnicas de perturbación de la resonancia. Las técnicas de perturbación se utilizan ampliamente en el área, pero con otras tecnologías que funcionan a frecuencias superiores a 10 GHz, esto implica mayor incertidumbre de medición y mayores costos. Este trabajo se facilita al usuario mucho del análisis que  requiere la caracterización anisotrópica,  ya que lo que convencionalmente se hace es muy tardado, debido a que se requiere un exhaustivo análisis electromagnético del sensor y la SUT. Este trabajo viene a simplificar todo eso, pues elimina el cálculo exhaustivo mediante mediciones de materiales estándar”.

Héctor Morales Lovera indica que el sensor no está limitado a medir sólidos,  ya que puede medir líquidos, polvos, gases, pero se enfocó al análisis anisótropo de materiales.

“Analizar anisotropía es muy importante a nivel industrial, en el área de la Electrónica de alta frecuencia, por ejemplo, la confiabilidad de los diseños que llevan a cabo los ingenieros en microondas depende de la cantidad de información que se tiene del sustrato dieléctrico, los cuales, en su mayoría son anisótropos. Sin embargo, los diseñadores usualmente optan por considerar a los sustratos como isótropos (a sabiendas de su anisotropía) debido a la complejidad del análisis que se necesita para conocer el comportamiento del material en diferentes direcciones”.

Para concluir, refiere que este artículo forma parte de su proyecto de tesis doctoral, que es sobre la caracterización de sustratos dieléctricos impresos en 3D para aplicaciones en el rango de las microondas. “La caracterización es también con un enfoque  anisótropo. Además, en la tesis estoy trabajando con aplicaciones de estos sustratos impresos en 3D, es decir que estoy desarrollando el diseño de diferentes circuitos de microondas. En este caso, el sensor fue uno de esos circuitos que diseñé.”