Design and implementation of microwave and terahertz material characterization mehtods

My PhD research work is focused on characterization of dielectric materials for microwave and terahertz imaging systems. Novel source antenna designs are proposed and a couple of time domain data inversion techniques are implemented in order to study dielectric material characterization of solid objects. Initially, stacked patch microstrip and custom shaped horn antennas are designed to improve the antenna bandwidth and spot focusing characteristics at microwave and terahertz frequencies. A waveguide-horn-waveguide structure scheme is used to model a horn antenna in order to avoid lens correction at horn apertures, which is usually needed to enhance the spot focusing. The presented horn antennas are designed and simulated with an accurate proprietary Body-of-Revolution Finite-Element code. Interaction of electromagnetic waves with materials is studied, where the variation in magnitude and phase of the transmitted and reflected wave has been observed with and without presence of dielectric material for calibration purpose. Different data inversion techniques are developed and tested e.g, Fourier inversion and Bayesian inversion. Time and computation efficiency of the post processing techniques has also been enhanced significantly, by using proprietary code in MATLAB. The analysis and estimation of dielectric properties is mostly based on measured data and simulated results obtained using commercial software (Ansys HFSS and CAD FEKO) for the purpose of comparison. The dielectric measurement are carried out at PoliMI and UPC Barcelona to validate the results in multiple environments and test benches. Different Vector Network Analyzer (VNA) calibration techniques e.g, TRL, waveguide etc. are realized to minimise the measurement errors. Furthermore, the material thickness is also included in the inverion algorithm to reduce possible errors between ground (reference) and material’s scattering parameters. The materials tested have dielectric constant in the range of 2 to 12 thickness ranging from 0.5mm to 10mm. Both single and multi-layered materials at different frequency bands i-e; 26-40GHz, 75-110GHz and 915-925GHz are measured during the experiments. We have successfully verified the accuracy of dielectric estimation as compared to the available data, while the computational power and time is significantly reduced when compared to commercial softwares like Ansys HFSS and CAD FEKO. The bayesian inversion method provides a measure of reliability on material properties since, the probability density is calculated and corresponding eigenvectors are plotted to find the confidence on observed parameters over model parameters. The novel horn antenna designs and improved time domain data inversion techniques made in this research, are very useful contribution in the development of latest dielectric measurement and imaging systems. The possible applications of this research are biomedical imaging for detection and diagnoses of cancer, non-destructive testing of structural defects in objects and communication systems with ultra-high data rates.

Il mio lavoro di ricerca di dottorato è 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 è 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 è 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 è stata notevolmente migliorata, utilizzando il codice proprietario in MATLAB. L'analisi e la stima delle proprietà 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 più 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 è 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 più 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 affidabilità sulle proprietà dei materiali poiché, la densità di probabilità 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 velocità di trasmissione dati ultraelevate.