T E L KO M N I KA  T e lec om m u n icat ion ,   Com p u t i n g,   E lec t r on ics   an d   Cont r ol   Vol.   18 ,   No.   1 F e br ua r y   2020 ,   pp.   272 ~ 281   I S S N:  1693 - 6930,   a c c r e dit e F ir s G r a de   by  Ke me nr is tekdikti ,   De c r e e   No:   21/E /KP T /2018   DO I 10. 12928/ T E L KO M NI KA . v18i1. 13255     272       Jou r n al  h omepage ht tp: // jour nal. uad . ac . id/ index . php/T E L K OM N I K A   C om p li m e n t a r y sp li t   r in g r e s on at or  s e n so r  w ith   h ig h  s e n si t iv ity  b ase d  o n  m a t e r ia c h a r ac t e r iz at io n       Am e r   Abb ood   Al - b e h ad il i 1 T e od or   P e t r e s c u 2 I u li And r e e M oc an u 3   1 , 2, 3 E l ec t ro n i E n g i n eer i n g ,   T el e co mm u n i cat i o n s   an d   I n f o rmat i o n   T ech n o l o g i e s   Facu l t y ,     U n i v er s i t y   Po l i t eh n i ca  o Bu ch are s t ,   Ro ma n i a   1 E l ec t ri ca l   E n g i n eeri n g ,   Co l l e g o E n g i n eeri n g ,   Mu s t a n s i ri y a h   U n i v er s i t y   Ba g h d ad ,   Iraq       Ar t icle   I n f o     AB S T RA CT   A r ti c le  h is tor y :   R e c e ived  M a 30 2019   R e vis e J ul   2 ,   20 19   Ac c e pted  J ul  18 ,   20 19       A   n ew   mo d el   o mi cr o w a v p l a n ar  s e n s o es t a b l i s h ed   o n   t h co m p l eme n t ar y   s p l i t   r i n g   res o n a t o (CSRR)  as   w e l l   as   a n   ai h o l i n   s u b s t ra t o t h s t r u ct u re   i s   i n t r o d u ced   f o p rec i s mea s u reme n t   o mat er i al s   p er mi t t i v i t y .   T h h o l i s   fi l l ed   i n t o   s u b s t ra t o t h p l a n ar  mi cro s t r i p   l i n e.   T h CSRR  s t ru ct u re  w i t h   h o l i s   s e l ect e d   fo t h s e n s i t i v i t y   an al y s i s ,   t h res u l t   i s   es t a b l i s h ed   t o   h o l d   o v er  q u i t s e n s i t i v co m p ared   w i t h   CSRR  s t r u ct u re  w i t h o u t   h o l e   an d   t h u s   ev i d en ce  t o   b mo re  s u i t a b l fo t h s e n s o d es i g n .   T h s en s o i n   t h fo rm  o CSRRs   o p era t i n g   a t   1 . 7 4 3 . 4   G H b an d   i s   e x p l ai n e d .   A t   res o n a n ce,   i t   i s   fo u n d   t h a t   t h el ec t ri fi e l d   p ro d u ce d   s t ra i g h t   t h p l an o CSRR  b ei n g   h i g h l y   s e n s i t i v fo t h ch arac t eri z at i o n   o s amp l res i d en t   w i t h   t h s e n s o r.   T h m i n i mu t ran s mi s s i o n   fr eq u en c y   o s en s o s h i ft s   f ro 3 . 4   t o   1 . 7 4   G H z   as   t h s amp l p erm i t t i v i t y   v ari e s   fro 1   t o   1 0 .   A   n u meri cal   p a r a d i g m   is  i n t ro d u ce d   h e r e i n   fo t h co m p u t at i o n   o f   t h s y s t em  res o l u t i o n   a s   a   a s s i g n m e n t   o res o n an ce  freq u en c y   an d   s am p l e   p ermi t t i v i t y   u s i n g   el ect r o mag n et i s i mu l at o r.   It   i s   fo u n d   t h at   t h p r o p o s e d   s en s o p ro v i d es   3 5 %   i n creme n t   i n   s en s i t i v i t y   mo re  t h a n   c o n v en t i o n a l   s e n s o fo s ame  p ermi t t i v i t y   o t h s p e c i m e n .   K e y w o r d s :   C ompl e menta r y   s pli r ing   r e s ona tor s   ( C S R R s )   M a ter ial  c ha r a c ter iza ti on   M e tama ter ials   Non - invas ive  mea s ur e ment     P lane r   s e ns or   Th i s   i s   a n   o p en   a c ces s   a r t i c l u n d e r   t h CC  B Y - SA   l i ce n s e .     C or r e s pon din A u th or :   Ame r   Abbood  Al - be ha dil i,   E lec tr onic  E nginee r ing,   T e lec omm unica ti ons   a nd  I nf or mation  T e c hnologi e s   F a c ult y ,   Unive r s it P oli tehnic a   of   B uc ha r e s t ,   B uc ur e ș ti   060042,   R omania .   E mail:   a mer _os man@ uomus tans ir iyah. e du. iq       1.   I NT RODU C T I ON   P e r mi tt ivi ty   is   a   f unda menta mate r ial  c ha r a c ter is t ic  f o r   lar ge   a ppli c a ti on   s uc a s   qua li ty   c ontr ol   in   the  f ood  indus tr y,   bio - s e ns ing,   pr ope r ti e s   of   s ubs tr a te  a nd  s on.   Ac c ur a te  c omput a ti on  of   the  pe r mi t ti vit is   the  mos im por tant  tas f or   mi c r owa ve   e ngi ne e r ing  in  ge ne r a l.   T his   is   be c a us e   the  mate r ial  r e s pons e   to  e lec tr ica s ignals   r e li e s   on  the  pe r mi tt ivi ty   of   mate r ials .   S e ve r a tec hniques   ha ve   be e pr opos e a nd  e mpl oye f or   the  pe r m it ti vit y   c ha r a c ter iza ti on  o f   mate r ial   u nde r   tes ( M UT ) .   T he s e   tec hniques   c a be   c a tegor ize a s   f r e e - s pa c e   methods ,   ne a r - f ield  s e ns or s ,   tr a ns mi s s io n - li ne   methods   a nd  r e s ona nt  c a vit [ 1] .     T he   f r e e   s pa c e   method  c omm only  e mpl oys   the  e xtr e mely  dir e c ti ve   lens   a nd  hor a ntenna s   laid  on   both  s ides   of   the  M UT .   T he   ve c tor   ne two r a n a ly z e r   ( VN A)   is   c onne c ted  to   the   a ntenna s   to  mea s ur e     the  s c a tt e r ing  pa r a mete r s   a nd   pha s e   c ons tant  to   de s c r ibe  the   s pe c im e n   [2 5 ] .   T his   tec hn ique  ha s     the  a dva ntage   of   be ing  c ontac tl e s s   a nd  not  wa s tef ul,   but  i ne e ds   to  e mpl oy  of   c os tl a ntenna s   a nd  lens e s ,   a we ll   a s   the  r e quir e ment   of   a   big  s pe c im e n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E C ontr o l         C omplime ntar y   s pli r ing  r e s onat o r   s e ns o r   w it high  s e ns it ivity…   ( A me r   A bbood  A l - be hadil i )   273   Anothe r   tec hnique   f or   mea s ur e ment   of   mate r ials   pe r mi tt ivi ty   is   the   tr a ns mi s s ion - li ne   tec hnique   I thi s   tec hnique ,   the   M UT   is   us e a s   a   loading   mate r ial  f o r   t r a ns mi s s ion  li ne s .   S uc h   a s ,   a   s li c e   of   mate r ial   ca be   incor por a ted  to  a   wa ve guide  [ 6,   7] ,   o r   t he   de pos ing  c oa xial  li ne   mate r ials   c a be   s ubs ti tut e by    the  M UT   [ 8] .   T he   s c a tt e r ing  pa r a mete r s   f r om  the  M UT - f il led  r e gion  pr ovide  the  da ta  ne c e s s a r ies   f or   e xtr a c ti on  of   mate r ial  pr ope r t ies .   T his   tec hnique   is   c ompar a ti ve ly  low  e xpe ns e   than  the  f r e e - s pa c e   te c hnique How e ve r ,   the  s e ns it ivi ty  of   the  s c a tt e r ing  pa r a mete r s     pr oc e s s   is   not  quit e   e f f icie nt   f or   low  los s   s pe c im e ns   a nd  the  s pe c im e n   e labor a ti on  is   a ls highl of tentim e s   a   c ha ll e nging  mi s s ion   [ 9] .   T he   s tr uc tu r e s   of   s tr ip li ne   a nd  mi c r os tr ip - li ne   a r e   a ls us e f o r   thi s   tec hnique  [ 1 0 12] .   T he   quit e   a c c ur a te  tec hnique  is   the   r e s ona nt  c a vit y     method  [ 13,   14 ] .   I thi s   method,   a   c a vit r e s ona tor   is   loade with  the  M UT ,   a nd  the  s hif t   in  the  r e s ona nc e   f r e que nc a nd  the  va r iation  in   the  qua li ty  f a c tor   a r e   c omput e d.   C i r c ular   r e s ona tor s   a nd  mi c r os tr ip - li ne   r e s ona tor s   a ls ha ve   be e e mpl oye f or   thi s   p ur pos e   [ 15,   16] ,   other   than  a   t r a dit ional  box  r e s ona tor   T his   tec hnique  a ls ne e ds   a c c ur a te  s a mpl e   e labor a t ion.   I the  las f e ye a r s ,   the  r e s ona nt  plane r   s e ns o r s   ba s e on  c ompl e menta r s pli r ing  r e s ona tor   ( C S R R )   c oupled  to  plane r   mi c r os tr ip   li ne   ha ve   be e inves ti ga ted  to  de ter mi ne   the  pe r mi t ti vit of     the  M UT   [ 17 23] .   T he   layout  of   the  r e s ona nt  plane r   s e ns or   ha s   obvious ly  numer ous   f e a tur e s   s uc a s   por tabili ty,   the   low   e xpe ns e ,   be ing   non - invas ive  a nd   e a s e   in   s pe c im e n   e labor a ti on.   How e ve r ,   a ll   thes e   s tr uc tur e s   of   r e s ona nt  p lane r   s e ns or   a r e   ba s e on   one   s pe c if ied  s oli d   s ubs tr a te,   in   whic the  va lu e   of   the   e f f e c ti ve   pe r mi t ti vit y   of   thi s   s ubs tr a te  ha s   a n   i mpor tant  r ole  in   c omput ing   r e s ona nc e   f r e que nc of   the   s tr uc tur e .   T hr ough   the   inves ti ga ti on  of   p r e vious   c ha r a c ter iza ti on  tec hniques ,   de ter mi na ti on   a c c ur a c of   the  r e a pe r mi tt iv it o f   M UT   de pe nds   on  f r e que nc s hif va lue   of   the  s e ns or   r e s ona nt  f r e que nc due   to   loading  s a mpl e ,   a nd  thi s   f r e que nc s hif va lue  whic is   pr ovided  by  plana r   s e ns or s   ba s e on  C S R R   I s   c onf ined  a nd   r e s tr icte a c c or ding  to  the  de s ign  c r it e r ia  o f   the  plane r   s e ns or s   s uc a s   the  r e lative  pe r mi tt ivi ty  o f   s e ns or s   s ubs tr a te  in  a ddit ion  to   the  phys ica dim e ns ions   of   C S R R .   T he r e f or e ,   the  p r e c is ion  of   c a lcula ti on  is   li mi ted  by   thi s   va lue.   F or   thi s   r e a s on,   a   mi c r os tr ip   plane r   s e ns or   with  s pe c if ied  s ubs tr a te  f il led   by  a ir   hole  is   pr opos e he r e .   He nc e   a   s tr u c tu r e   with   low  e f f e c ti ve   pe r mi tt i vit of   s ubs tr a te  is   a c hieve d,   whe r e   it   is   f ounde l a ter   a f ter   c a r e f ul  ve r if ica ti on  that  thi s   tec hnique  im pr ov e s   the  pr e c is e   of   mate r ials   c ha r a c ter iza ti on  e mpl oying     the  plane r   s e ns or s   ba s e C S R R .   T he   ge ometr y   of   a ir   hole  i s   s e lec ted  only  a f ter   pr oc e e ding  the  e labor a ted  s e ns it ivi ty  tes t   whe r e   it   is   de tec ted  that  the   C AR R   unit   c e ll   ha ve   s ubs tr a te   with  a ir   hole   pr ov ides   pr e f e r a ble  s e ns ibi li ty   in   c ompar is on  with  the  C S R R   unit   c e ll   without   hole   pos s e s s ing  th e   identica unit   a r e a .   T his   r e tur n   is   a ls pr ove d   wit the  a id   of   e lec tr omagne ti c   a na lyt ica ter ms .   T he   s ugge s ted  tec hnique  is   e s tablis he on  the   layout   a nd   de ve lop ment  of   a   mi c r os tr ip  e s tablis he c ir c ular   C S R R   r e s ona nt  s e ns or ,   whic de picts   the  c ha r a c ter is ti c s   a ppr oa c t a   s top  ba nd  f il ter .   F o r   wor kout   method ,   the  M UT   is   put  o the  gr ound  plane   of   the  mi c r os tr ip  li ne   in   whic i c ove r s     the  tot a C S R R   a r e a .   T he   pr opos e plana r   s e n s or   is   modele a nd  s im ulate e mpl oying  the  n umer ica l   e lec tr omagne ti c   s olver ,   the  High   F r e que nc S tr u c tur e   S im ulato r   ( HFS S ) .   T he   p r e c is ion  of   the   de ve loped  tec hnique  is   inves ti ga ted  us ing  the  da ta   obtaine f r om  c onve nti ona l   s tr uc tur e   pos s e s s ing   identica l   u nit   a r e a .     T he   s ugge s ted  s e ns or   is   s im ulate on   a   F R 4   s ubs tr a te  a nd  is   poin to   be   a c ti ve   in   the  r a nge   of     f r e que nc 1. 74   to  3 . GH z .       2.   T HE ORY   F or   tr a dit ional  mi c r owa ve   r e s ona tor   e s tablis h e method,   the  ove r a ll   e xpr e s s ions   na r r a ti ve     the  va r iation   in   r e s ona nt  f r e que n c f or   pe r mea bil i ty  a nd   pe r mi tt ivi ty  o f   the  s pe c im e n   unde r   tes a r e   given  a s   s hown  in  ( 1)   [ 24] :     =  (  1 . 0 +  1 . 0 )   ( 0 | 0 | 2 + 0 | 0 | 2 )    ( 1)     w he r e ,   vc  is   the  c a vit volu mes ,   f r   r e pr e s e nt  the  c ha nge   in   r e s ona nt  f r e que nc y,   ∆ε   a nd   ∆μ   a r e     the  c ha nge   in  c ompl e x   pe r mi tt ivi ty  a nd   c ompl e pe r mea bil it y,   r e s pe c ti ve ly,   a dd  to   that   ε 0   is   the  f r e e   s pa c e   pe r mi tt ivi ty,   whi le  μ 0   pe r f or pe r mea bil it of   the  f r e e   s pa c e .   T he   c ha r a c ter s   E 0 H 0   r e pr e s e nt  the  e lec tr ic  a nd  the  magne ti c   f ields   o f   the  hol low  c a vit y   mea nw hil e   E 1 H 1   pe r f or m   the   e lec tr ic   a nd  the   magne ti c   f ields ,   r e s pe c ti ve ly  down   loade d   s it ua ti on.   I n   the   c a s e   of   diele c tr ic  mate r ials ,   the   va r iation   in   c ompl e x   pe r mea bil it (∆ μ)   a ppr oa c to  b e   z e r o .   we ll   a s ,   the  s tor e e ne r gy,   E   a nd  H   f ields   in  the  r e s ona nt  s tr uc tur e   s hould  be   s im il a r   a the   r e s ona nt  f r e que nc y .   Unde r   t he   two  pr e vious   s it ua ti ons ,   ter m   ( 1)   is   modi f ied    a s   s hown  in  ( 2) :     =   1 . 0  2  0 | 0 | 2    ( 2)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                   I S S N :   1693 - 6930   T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E C ontr o l Vol.   18 ,   No .   1 F e br ua r 2020 272   -   281   274   w he r e ,   v c .   is   the  volum e   of   the  s a mpl e .   T he   pr e vi ous   e xpr e s s ion s   ( 1)   a nd  ( 2)   a r e   e s s e nti a ll be ing  e mpl oye in  s it ua ti on  of   the  wa ve guide  c a vit ies ,   in  whic the  e lec tr omagne ti c   f ield  e xpr e s s ions   with  a nd   without   mate r ial  dis or de r ,   c a be   r e a dil de r ived .   Bu t   it   i s   c ompl ica ted  to  us e   thi s   noti on   f or   the  C S R R   s t r uc tur e s   whic a r e   e lec tr ica ll s mall  r e s ona tor s .   lot   of   s t udy  gr oups   pos s e s s   s ugge s ted  va r ious   ge ometr ies   of   C S R R   in  the  las f e ye a r s   [ 10 ,   19 ] .   How e ve r ,   in  mate r i a de s c r ipt ion,   the   s e ns ibi li ty  of   the  mi c r os tr ip  s e n s or   is   of   main  int e r e s t,   whic is   then  r e late with   the  magne ti c   a nd  the   e lec tr ic  f ield  int e ns it e xis a c r os s   t he   plana r   ge ometr y.   F or   thi s   pur pos e ,   in  thi s   wor k ,   two   C S R R   unit   c e ll s ,   with   a nd  wi thout   hole   a r e   c ompar e f or   the   s e ns ibi li t tes t   e mpl oying   the  HFS S .       3.   DE S I GN  AN AN AL YSI S   OF   T HE   S T RU CT UR E   T he   pr opos e s tr uc tur e   is   one   type   of   the  qua s i - s ta ti c   c ons is of   s ubs tr a te  with   hole  a nd  s pli t   r ings   in   two  por ts   in   whic a n   inducta nc e   s ti mul a ted   by   c i r c ulating  c ur r e nt   in  the  r ings   a nd   t he   e f f e c ti ve   c a p a c it a nc e   incr e a s e a c r os s   the  s pa c e   thr ough   the  r ings ,   h e nc e   e lec tr ica ll s mall  r e s ona tor   is   a c hieve d.   T de tail    the  pe r f o r manc e   o f   the  p r opos e s tr uc tur e ,   a   c om pa r is on  mus be   made   with   tr a dit ional  s tr uc tu r e   a nd  ve r i f y   the  r e s ult s   of   e a c h   s tr uc tur e .   T he   c on f igur a ti on  o f   two  s ubs tr a tes   of   C S R R   unit   c e ll s   without   a nd  with  hole  a r e   de picte in  F igur e s   1   ( a )   a nd   ( b) ,   r e s pe c ti ve ly.   T he   layout  a nd   de s ign  pa r a mete r s   of   C S R R   u nit   c e ll   with   hole  in   s ubs tr a te  a r e   de picte in     F igur e   2   ( a )   a nd  F igur e   1   ( b ) ,   r e s pe c ti ve ly.   T h e   e quivale nt  c ir c uit   of   C S R R   unit   c e ll   is   r e pr e s e nted  in    F igur e   2   ( c ) ,   whe r e   L   a nd  C   a r e   the   mi c r os tr ip   li ne   pe r - unit - c e ll   inducta nc e   a nd  c a pa c it a nc e ,   a nd   e lec tr ica c oupli ng  on  the  gr ound   r e pr e s e nted  by  a ll   tot a c a pa c it a nc e   a nd  inducta nc e   of   C S R R   whic a r e   C c   a nd  L c .   F igur e   2   ( c ) ,   de picts   the  pe r - unit - c e ll   c a pa c it a nc e ,   C   is   va r iable   c a pa c it a nc e ,   be c a us e   it   will   be   e xtr a c ted  f r om   the  c ha nge   in   mate r ial   s ubs tr a te  due   to   the   hole   e xis tenc e .   T he   r e s ona nt   f r e que nc y   of   the   e quivale nt   c ir c uit   is   given  a s   s hown  in  ( 3 )   [ 25 ,   26 ] :     = 1 2 ( + )   ( 3 )     whe r f r   r e pr e s e nts   mi nim um   tr a ns mi s s ion  f r e que nc of   the   s tr uc tur e .   T o   c lar i f a ll   de tails ,     the  pr opos e s tr uc tur e   in   F igur e   2   ( a )   ha s   be e de s igned  a s   f oll ows the  thi c kne s s   of   F R s ubs tr a te  is   1. mm   with   a   c r os s - s e c ti ona dim e ns ion  12 × 12  mm ,   is   us e to  s a mpl e   the  s ugge s ted  C S R R   unit   c e ll .   T he   C S R R   de s ign  pa r a mete r s   pos s e s s e in  the  s im ulation  a r e   d s   =   0. 76  mm ,   r e x t   =   5. 32  mm   ( F igur e   2   ( b ) ) .   At  e a c r ing,   the  width  of   the  s li t   ( g)   is   0 . 61  mm   a nd  thi c kne s s   of   mi c r os tr ip   li ne   a nd   gr ound   plane   ( t )   is   0 . 035  mm .           F igur e   1.   L a yout  s tr uc tur e   o f   s ubs tr a te  of   C S R R   un it   c e ll :   ( a )   without   hole  ( tr a dit ional   layout) ,   ( b )   w it hole           F igur e   2 .   ( a )   L a yout  s tr uc tur e   o f   C S R R   unit   c e ll   wi th  hole  in   s ubs tr a te ,   ( b )   T opology  o f   C S R R ,     ( c )   E qu ivale nt  c ir c uit   of   the  s tr uc tur e       T he   s ha pe   a nd   dim e ns ions   of   the   hole   a r e   c a r r ied   out   a c c or ding   to   the   maximum   pos s ibl e   s hif ti ng   c a a c hieve in  mi nim um   tr a ns mi s s ion  f r e que nc y   ( S 21   r e s ona nc e   f r e que nc y)   c ompa r e with   that  ob taine in  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E C ontr o l         C omplime ntar y   s pli r ing  r e s onat o r   s e ns o r   w it high  s e ns it ivity…   ( A me r   A bbood  A l - be hadil i )   275   tr a dit ional   s tr uc tur e   ( taking   int o   c ons ider a ti on   of   t he   c ha nge   in   ins e r ti on   los s   ( S 21 )   a nd   the   a bil it y   of   de s ign) .   S ince   the   hole   is   e tching   ga p   in   s ubs tr a te  o f   C S R R   unit   c e ll   s o   the   c ha nge s   in   va lues   of   hole   di mens ions   ( ℓ×w × h)   will   a f f e c the  p r ope r ti e s   of   the  s ubs tr a t e   s tr uc tur e ,   thus   a ll   pa r a mete r s   whic a r e   the  f un c ti on   of   s ubs tr a te  will   c ha nge .   B e ha vior   o f   c ha nge   in   pa r a mete r s   due   to   c ha nge s   in  va lues   of   hole  di mens ions   a r e   de picte F igur e s   3,   4,   a nd  6 .   T he   c a lcula ti on   of   both   pe r - unit - c e ll   L   a nd  C   de pe nds   on  both   length   a nd   he ight   of   s ubs tr a te  pe r   unit   c e ll   ( ℓ×h)   [ 27 ] ,   s the  c ha nge   in  hole  volum e   will   r e pr e s e nted  by  the  c ha nge   in  hole  a r e a   ( ℓ×h)   mu l ti ply  by  pr opos e width  dim e ns ion   ( w)   ( s e e   F igur e   2   ( a ) )   a s   a   c ons tant  va lue  ( in  whic h   c ove r   e xter na r a dius   of   C S R R ) .   T he   r e s ult s   in  F igur e   de pict   the  in c r e a s e   in  the  a r e a   of   a ir   hole  lea ding   to  r e du c ti on  of     the  pe r - unit - c e ll   c a pa c it a nc e   whic wa s   f il led   of   F R medium.   I n   the  s a me   ti me   the   pe r - unit - c e ll   c a pa c it a nc e   of   a ir   medium   is   incr e a s e d.   T his   ha ppe ns   due   to  the  r a is ing  o f   the   a ir   hole  volu me  (   is   va r ying  f r om  to   12mm ,   h   is   va r ying  f r om  0   to  1 . 2mm   while  is   f ixed  a 11mm ) ,   a nd  he nc e   the  pe r - unit - c e ll   c a pa c i tanc e   of   a ir   hole  will   be   the   domi na nt  medium   ( C t =C 1 +C 2 ≈C 2   with   ε r = 1) .   F igur e   de mons tr a tes   that  a the   maximum   di mens ions   of   the  hole  volum e   ( ( ℓ×h= 14. 4) × w) ,     the  va lue  of   the  pe r - unit - c e ll   inducta nc e   r e late with  a ir   hole  is   les s   than  the  inducta nc e   va lue  w he us ing  F R s ubs tr a te  ( without   hole) .   T he   r e a s on  is   due   to   inducta nc e   e xpr e s s ion  whic is   a   pr opor ti ona f u nc ti on  of   t he   s ubs tr a te  he ight   ( h ) ,   a s   is   known   F R s ubs tr a te  he ight   ( 1. 6   mm )   is   g r e a ter   than  the   maximu he ight   dim e ns ion  of   hole  ( 1. 2   mm ) .           F igur e   3 .   C ha nge s   of   both   pe r - unit - c e ll   c a pa c it a nc e s ,   C s   f or   F R 4   a nd    a ir   hole  e tche due   to  va r ying   in   the  hole  a r e a           F igur e   4 .   C ha nge s   of   both   pe r - unit - c e ll   inducta nc e ,   L s   f or   F R a nd     a ir   hole  e tche due   to  va r ying   in   the  hole  a r e a       T he   mos im por tant   c ha nge   that  mus be   pr om i ne nted   is   the  c ha nge   of   r e s ona nt  f r e que nc of     the  s tr uc tur e   ( c ompar e with   r e s ona nt  f r e que nc of   the  s tr uc tu r e   without   hole) ,   whic h   is   e xpl a ined  in     F igur e   5 .   I t   c a be   s e e that   the   r e s ona nt  f r e qu e nc s hif ts   to   higher   f r e que nc ies   whe the   volu me  hole  incr e a s e s   ( domi na nt  a ir   hole  medium  a maximum   incr e ment) ,   a ls it   c a be   note  the  maximum   dif f e r e nc e   in  ins e r ti on  los s   is   les s   than  0. dB   c ompa r e with  r e f e r e nc e   r e s ona nc e   f r e que nc ( a the   s tr uc tur e   witho ut  hole) .   T he   main  pur pos e   of   thi s   inves ti ga ti on  is   to  ob tai a   highl s e ns it ive  unit   c e ll   f or   pe r mi tt ivi ty   c ha r a c ter iza ti on.   T he r e f o r e ,   the  s e lec of   the  hole   dim e ns ions   will   be   ba s e on  whic a r e   mos a f f e c ted  by   c ha nge s   in  the  s ur r ounding  medium  of   the  s tr uc tu r e .   T a c hieve   thi s   ve r if ica ti on,   the  r e s ona nc e   f r e q u e nc is   a s s umed  the  r e f e r e nc e   f r e que nc whe n   the  s tr uc tu r e   is   s ur r ounde d   by  va c uum ,   whe ne ve r   ε r   of   the  m e dium   is   c ha nge d,   the  f r e que nc s hif ts   with   r e s pe c to  the   r e f e r e nc e   f r e que nc y.   T h is   pr oc e dur e   is   r e pe a ted  f or   e a c h   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                   I S S N :   1693 - 6930   T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E C ontr o l Vol.   18 ,   No .   1 F e br ua r 2020 272   -   281   276   c ha nge   in  dim e ns ions   of   the  hole.   No te  that ,   the  c ha nge   in  the  s ur r ounding  medium   is   a c hieve by  c ha nging  the  pe r mi tt ivi ty   of   the  r a diate d   box  ( va c uum   pe r mi tt ivi ty  will   be   the  r e f e r e nc e   pe r mi tt ivi ty)   of   the  s tr u c tur e .   F r om   the  r e s ult s   pr e s e nted  in   F igu r e   6 ,   the   hole   with   maximum   dim e ns ions   i s   mor e     s e nti e nt  to   va r iation  in  pe r mi tt ivi ty  than   the  hole  with   les s   dim e ns ions ,   a s   we ll   a s   a maximum   hole  di mens ions     the  pe r f or manc e   of   ins e r ti on  los s   wa s   not  be ing   a f f e c ted  much  a s   s hown   in  F igur e   5 .   T he r e f o r e ,   the  hole  di mens ions   a r e   s e lec ted  a s   =   12   m m,   w   =   11   mm   a nd  h   =   1. 2   mm   f or   the   unit   c e ll   ha ve   c r os s - s e c ti ona l   dim e ns ion  12× 12   mm ,   to  be   a na lyze mor e ove r   f o r   the  a im   of   pe r mi tt ivi ty  de s c r ipt ion .           F igur e   5 .   P e r m it ti vit y   pha s e   r e s pons e   a nd  magnitude  of   t r a ns mi s s ion  z e r f r e que nc ( S 21 )   of   C S R R   unit   c e ll           F igur e   6 .   R e s ona nc e   of   S 21   f r e que nc y   with  va r y ing  of   pe r mi tt ivi ty  a t   dif f e r e nt  dim e ns ions   of   the  hole       4.   COM P AR I S ON  AN AN AL YSI S   S E NSI T I VI T OF   CSRR   UN I T   CE L L   WI T A ND   WI T HO UT   HO L E   F or   a   a djus ter   c ompar is on  be twe e the   s ugge s ted   s tr uc tur e   a nd  tr a dit ional   C S R R   unit   c e ll ,   the  un it   c e ll   a r e a s   in   a ddit ion  to   the  layout  pa r a mete r s   in   F i gur e   2   ( b )   a r e   take a s   identica thr oughout   thi s   dis c us s ion.   I nit ially  bo th  s tr uc tu r e s   a r e   modele a nd   the  s im ul a ti on  is   c ompl e ted   to   a c hieve   the  s c a tt e r ing   pa r a m e ter   ( S 21 in  the  ba nd  of   s pe c if ied  f r e que nc y.   T he   pe r - unit - c e ll   inducta nc e   a nd  c a pa c it a nc e   ( L C )   whic r e late to     the  type  o f   pe r mi tt ivi ty   of   the   s tr uc tur e   ( a t   a ir   hol e )   a r e   obtaine f r om   F igur e s   3   a nd   4,   while   L C   a nd  C C   o f   both  s tr uc tur e s   a r e   c a lcula ted  by   [ 26 ] .   T he   c omput e lum pe pa r a mete r s   a r e   de picte d   in  T a ble  1.   I is   im por tant  to  note   f r om   T a ble  1   that  the  va lue   of   L r e late with  the  p r opos e s tr uc tur e   is   much   s maller   than  in  tr a dit ional  C S R R   unit   c e ll ,   a th e   s a me  ti me  it   c a be   obs e r ve L C   is   the  mos a f f e c ted  pa r a mete r   due   to   pr e s e nc e   of   the  hole   a s   c ompar e with   other   pa r a mete r s .   T his   e s s e nti a ll de notes   that   a s   ex pr e s s ion  ( 3) ,   the  r e s ona nt  f r e que nc of   the  pr o pos e s tr uc tur e   will   be   va s tl higher   than  the  t r a dit ional   s tr uc tur e .   T his   c a a ls be   e xplaine by  the  a c tua li ty  that  the  r e s ona nt  f r e que nc of   s uc r e s ona tor s   in  f a c t   incr e a s e   with  de c r e a s ing  va lue  of   pe r mi t ti v it of   s tr uc tur e .   A f ter   c a lcula ti ng  e quivale nt   c ir c uit   pa r a mete r s ,   r e s ult s   of   s e ns it ivi ty  a na lys is   whic r e pr e s e nted  by  va r ying   the  medium   s ur r ounding   both   s tr uc tur e s   a r e   c a r r ied  out  in  F igu r e   7.   F r om   F igur e   it   c a be   c onc luded  that  the  s ugge s ted  s tr u c tur e   is   quit e   s e ns it ive   to  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E C ontr o l         C omplime ntar y   s pli r ing  r e s onat o r   s e ns o r   w it high  s e ns it ivity…   ( A me r   A bbood  A l - be hadil i )   277   va r iation  in  pe r mi tt ivi ty   c ompar e with   tr a dit io na s tr uc tur e .   How e ve r ,   f o r   f ur ther   e va luation,   the  two   s tr uc tur e s   will   be   us e to   e s tablis two  models   a s   plane r   s e ns or s   to  be   a na lyze mor e ove r   f o r   the   a im   o f   pe r mi tt ivi ty  de s c r i pti on .       T a ble  1.   L umped  pa r a mete r s   e xtr a c ted  f o r   both   s tr uc tur e s   L u m p e d   P a r a m e te r s   T r a d i tio n a l   C S R R  u n i C e l l   P r o p o se d   S tr u ct u r e   L   ( n H )   3   2 .7 6   C   ( p F )   0 .6 7   0 .4   C C   ( p F )   1 .2 8   2   L C   ( n H )   2 .2 5 5   0 .9 7           F igur e   7 .   B e ha vior s   of   P r opos e s tr uc tur e   a nd  C S R R   unit   c e ll   f o r   pe r mi tt ivi ty  c ha nge s   in   the   s ur r ou nding  medium.   T he   r e lative  f r   s hif t   is   c omput e   a c c or din to   the   r e f e r e nc e   f r   in   c a s e   of   the  medium   is   va c uu m       5.   DE S I GN  CONSI DE RA T I ON   B e f or e   s tar ti ng  the  model  o f   the  s e ns or   it   is   ne c e s s a r to  r e f e r   to  s ome  of   the  ba s ics   that  may  ha ve   a e f f e c on  the  pe r f or manc e   of   the  s e ns or ,   he nc e   the   s e ns it ivi ty  will   r e duc e .   T he   di r e c ti on  of   the  ope n   e nds   of   the  hole   that   e tche int o   the  s ubs tr a te   plays   a n   im por tant  r ole   in   the   de s ign  of   the   s tr uc tur e .   As   indi c a ted  in   F igur e   2   ( a ) ,   the  o r ienta ti on  of   the  ope n   e nds   is   pa r a ll e to  the   input   a nd  ou tput   por ts   ( i . e . ,   pe r pe nd icula r   to     the  e xc it a ti on  of   magne ti c   f ield) .   T hus ,   in  or de r   to  a void  a f f e c ti ng  the  pe r f or manc e   of   ins e r ti on  los s ,   a s   s hown   in  F igur e   whic h   de picts   two  be ha vior s   of   S 21   o f   the  s tr uc tu r e ,   one   f o r   the  ho le  pos it ioned  in   pa r a ll e a nd    the  other   in  pe r pe ndicula r   with  plane   o f   magne t ic  f ield  e xc it a ti on.   F r om   the  a bove   il lus tr a ti on   it   c a be   c onc luded  that  the   ope n   e nds   of   the   hole  s hould   be   pa r a ll e l   to   the  input   a nd   output   por ts   ( a long   the   m icr os tr ip  li ne )   a nd  thi s   r e quir e s   dr il li ng  the   s ubs tr a te  a long  the  e nti r e   tr a ns mi s s ion  li ne   be twe e two  po r ts   a nd  thi s   is   ve r dif f icult  to  a c hieve in  a ddit ion  to  im pa c of   s e ns or   p e r f or manc e .   I or de r   to   a void  thi s   dil e mm a   a   ne w   s tr uc tur e   with  be nding  mi c r os tr ip  li ne   will   be   p r o pos e a nd  a ll   de tailes   of   de s ign  a nd  s e ns it ivi ty  a n a lys is   a r e   de picte in  the  ne xt   f e s e c ti ons .           F igur e   8 .   B e ha vior   o f   S 2 1   f or   the  s tr uc tur e   in  F igur e   2   with   r e s pe c of   two   or ienta ti on   s tatus   of   the   hole       6.   DE CI D I NG  OF   T HE   S E NSO M ODE L   Due   to  the  c ha nge   in  the  pe r mi tt ivi ty  of   the  mate r ial  unde r   tes ( M UT ) ,   the  c a pa c it a nc e   of   C S R R   will   c ha nge   he nc e   a   s hif ti ng   in  r e s ona nc e   f r e que nc is   obtaine d   ( the   inducta n c e   of   the  C S R R   is   c ount e to  be   c ons tant  in  c ondit ion  of   diele c tr ic  mate r ials ) .   I c ur r e nt   pa pe r ,   two  p r opos e s tr uc tur e s   ( one   with  hole  a s   s hown  in  F igu r e   9   a nd   the   other   without   hole)   pos s e s s ing  s im il a r   unit   c e ll   a r e a ,   a r e   inves ti ga ted  f o r   the   s e ns it ivi ty  tes t,   a nd  de tailed   ve r if ica ti on   is   pr e s e nted  in  f oll owing   s e c ti ons .   T he   p r opos e s e ns or   in  F igur e   9   ha s   ( 24× 30   mm )   e xter na c r os s   s e c ti on  a r e a ,   w it f olded   mi c r os tr ip   li ne   in   or de r   to   make   the   hole  in     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                   I S S N :   1693 - 6930   T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E C ontr o l Vol.   18 ,   No .   1 F e br ua r 2020 272   -   281   278   the  s ubs tr a te  a s   low  a s   pos s ibl e   while  ke e ping  the  or ienta ti on  of   ope e nds   pe r pe ndicula r   to   the  e xc it a ti on  of   magne ti c   f ield.   All  r e maining  de s ign  pa r a mete r s   w il be   the   s a me  that  in  F igur e   2 .           F igur e   9 .   L a yout  of   pr opos e plane r   s e ns or ( a )   top   view   with    diapha nous   s ubs tr a te ,     ( b)   s ight   v iew   of   the  s tr uc tur e   with  M UT   putt e a t op  gr ound  plane       7.   S E NSO AN AL YSI S   I or de r   to  h ighl ight   the   pe r f o r manc e   of   the  pr opo s e s e ns or   in  F igur e   9 ,   a identica s e ns or   without   hole  ha s   be e modele a nd   both   s e ns or s   a r e   a na lyze a nd  inves ti ga ted.   T he   t r a ns mi s s ion  c oe f f icie nt  is   c omput e us ing  f ull   wa ve   s im ulation  ( H F S S )   f or   r e f e r e nc e   c a s e   ( s e ns or s   without   load  of   M UT ) .     T he   magnitudes   of   the   S 21 - pa r a mete r   a r e   de picte in   F igu r e   10 .   M ini m um   tr a ns mi s s ion  c oe f f icie nt   of   s e ns or   without   hole  a 2 . 35  GH z   ( f r ) ,   while  it   e xpe r ienc e s   a   mi nim um  va lue  a t   3. 42   GH z   ( f h )   f or   s e ns or   with   hole.   I a ddit ion,   it   c a be   obs e r ve the   de s ign  e f f e c on   t he   pe r f o r manc e   of   S 21   be ha vior   a s   il lus tr a ted  in   s e c ti on  3.   T he   c omput e mi nim um   tr a ns mi s s ion  f r e que nc ies   in  F igur e   10   will   be   us e a s   the  r e f e r e nc e   f r e que nc ies   to   de ter mi ne   the  s hif ti ng  in   f r e que nc due   to  int e r f e r e nc e   of   the  pe r mi tt ivi ty  of   M UT .   F igur e   11   de pict s   that    f h     ( r e s ona nc e   f r e que nc of   pr opos e s e ns or )   s hif ts   47. 2%   a nd  f r   ( r e s ona nc e   f r e que nc of   tr a dit ional   s e ns or )   s hif ts   33. 96%   whe n   the  pe r mi tt ivi ty   of   the   s pe c im e n   va r ies   f r om   to  10 .           F igur e   10 .   T r a ns mi s s ion  c oe f f icie nt  magnitude  a s   a   f unc ti on  o f   f r e que nc y   T his   r e s pons e   is   obtaine f or   unloade M UT           F igur e   11 .   Va lues   of     f h     a nd  f r   with   r e s pe c to  pe r m it ti vit c ha nge .   As   va r ying  pe r mi tt ivi ty   f r om   to  1 0,     f h   r e c or lar ge   s hif c ompar e d   with  f r     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E C ontr o l         C omplime ntar y   s pli r ing  r e s onat o r   s e ns o r   w it high  s e ns it ivity…   ( A me r   A bbood  A l - be hadil i )   279   F ur ther   s e ns it ivi ty  a na lys is   is   r e pr e s e nt e by  qu a nti f ying  the  r e s olut ion  ( a s   the  s a me  pr oc e dur e   f oll owe in   [ 21] )   of   both  s e ns or s   to   va li da te  the  p r opos e s e ns or   f or   de ter mi ning   pe r mi tt ivi ty.     F r om  F igur e   11   the  s hif t   in   r e s ona nc e   f r e que nc ies     f h     a nd  f r     is   a   da ta  whic h   is   a s s oc iate with  pe r mi t ti vit of   the  M UT   ( ε M U T ) .   T he   r e s olut ion  r e li e s   on  de r ivat ive  of   ε M U T   with  r e s pe c to    f h   a nd f r   .   T he   e xpr e s s ion  f or     the  r e li a nc e   of   ε M U T   on   f h   a nd   f r   c a be   a c hieve by   us ing  c ur ve   f it t ing  tool   f or   the  da ta  pr e s e nted  in  F i gur e   11.     T he   polynom ials   obtaine a r e   given  by   ( 4)   a nd  ( 5)   a s   f oll ows :      = 1 . 717 ( ) 3 + 16 . 67 ( ) 2 55 . 88 ( ) + 65 . 74   ( 4)      = 9 . 09 ( ) 3 + 64 . 11 ( ) 2 156 . 2 ( ) + 132 . 1   ( 5)     a nd  the  de r ivative  o f   ε M U T   with   r e s pe c to    f h   a nd  f r     a r e   c omput e a s :     = 5 . 15 ( ) 2 + 33 . 34 ( ) 55 . 88   ( 6)     = 27 . 27 ( ) 2 + 128 . 22 ( ) 156 . 2   ( 7)     va lue  f o r   the   e f f e c ti ve   r a nge   o f   the   s e ns or   uti li z e d   f or   mea s ur e ment  s hould  be   a s s umed.     T his   hypothes is   de mons tr a tes   the   a c c ur a c of   the  s e ns or   that   is   us e f or   mea s ur ing  the   tr a n s mi s s ion   c oe f f icie nts .   S uppos e   that  the   pr e c is ion  of   the  s ys tem  or   s e ns or   that   is   be ing  uti l ize to  ga uge     f h     a nd  f r     is     40 - M Hz .   B us ing  thi s   hypothe s is   a nd  ( 6)   a nd  ( 7) ,   the  va r iation  in   the  pe r mi tt iv it Δ ε  that  c o r r e s ponds   to  a     40 - M Hz   s hif in    f h   a nd  f r   a r e   c omput e d .   40 - M Hz   is   a   moder a te  c hoice   f or   a c c ur a c y.   F igur e   1 de picts     the  r e s olut ion  o f   the   two  s e ns or s   a s   a   f unc ti on  o f   M UT   pe r mi tt ivi ty .   As   the  pe r mi tt ivi ty   of   M UT   in c r e a s e s ,   the  r e s olut ion  is   r e duc e d.   W he ε M U T   =   1,   a   40 - M Hz   s hif in    f h     c ompens a tes   to  Δ ε   =   0 . 005.   At  ε M U T   =   10,     a   40 - M Hz   s hif in    f h     c ompens a tes   to  Δ ε   =   0. 0325 .           F igur e   12 .   P e r m it ti vit y   de c is ion  a s   a   f unc ti on  o f   M UT   pe r mi tt ivi ty.   I t   c a be   c omput e by   de ter mi nin   the  de s ir e pe r mi tt ivi ty   c ha nge   to  r e s ult   a   40 - M Hz   s hif in   f h   a nd .   T he   r e s olut ion  is   r e duc e   whe M UT   pe r mi tt ivi ty  is   incr e a s e d       8.   DE P OS I T I ON  OF   S AM P L E   P E RM I T T I V I T Y   I is   obvious   to  know   the  e f f e c of   M UT   loadi ng  s e ns or   is   obs e r ve in  idi om  o f   the   r e s ona nt  f r e que nc of   the  s ugge s s e ns or   a s   dis c us s e pr e vious ly.   R e f e r   to  the   ( 1) ,   the  inve r s e   s qua r e   of   r e s ona nt   f r e que nc ies ,   take a wa f r om  the  s im ulate da ta  of   S 21   of   ( 3) ,   the  inver s e   s qua r e   of   r e s ona nt  f r e que nc ies ,   take a wa y   f r om  the   s im ulate tr a ns mi s s ion  c oe f f icie nt  da ta  ( F igur e   11) ,   a r e   plot ted  with  the   c or r e s ponding   s pe c im e n   pe r mi tt ivi ty  a s   de picte d   in  F igu r e   13.   I t   c a be   s e e the  f luctua ti on  of   ( f h ) - 2   a nd  ( f r ) - 2   w it ε M U T   is   li ne a r .   As   ind ica ted  in   s e c ti on  4,   the   r e gion  o f   the  s e ns or   whic loade by  M UT   ha s   c a pa c it a nc e   pr opor ti ona l   to  the  pe r mi tt ivi ty   of   M UT   a nd   he nc e ,   the  inver s e   s qua r e   of   the   r e s ona nt  f r e que nc is   di r e c tl pr opo r ti ona to   the  M UT   pe r mi tt iv it ( a s   s pott e in  ( 3 ) ) ,   i . e .   ε MU α  ( f h ) - 2     a nd  ( f r ) - 2 T he r e f or e ,   in   or de r   to   int e gr a t e   a ll   the   a bove   s ubs tanc e ,   the  pe r mi tt ivi ty   of   M UT   mathe m a ti c a ll r e pr e s e nted  a s   f oll ow:      = 118 . 9 ( 2 ) 3 + 87 . 14 ( 2 ) 2 + 17 . 9 2 1 . 176   ( 8)     e xpr e s s ion  ( 8)   is   obtaine d   uti li z ing   the   tool   o f   c ur ve   f it ti ng,   whic h   p r e pa r e s   a   nume r ica pa r a digm   of   the   s ugge s ted  s e n s or   to  de ter mi ne   the   r e a pe r mi tt ivi ty   of   s pe c im e n   in  ter ms   of   the  r e c or de d   r e s ona nt  f r e q ue nc y.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                   I S S N :   1693 - 6930   T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E C ontr o l Vol.   18 ,   No .   1 F e br ua r 2020 272   -   281   280       F igur e   13 .   R e lations hip  be twe e M UT   pe r mi t ti vit y   a nd  tr a ns mi s s ion  c oe f f icie nt  o f   pr opos e a nd   tr a di ti ona s e ns or s   is   us e f or   the  s tanda r diza ti on  of   the  s e ns or       9.   COM P AR I S ON  RE S UL T S   OF   CSRR  P L AN E S E NSO RS  WI T AN WI T HO UT   HO L E   Af ter   s tanda r diza ti on,   a   numbe r   of   mate r ials   a r e   de s c r ibed  us ing  the  s ugge s ted   s e n s or s .     R e s ona nt  f r e que nc ies   of   S 21   da ta   f or   a ll   c ondit ion s   a r e   r e c or de d   us ing  HFS S .   T he   s im ulate r e s ult s   a r e   a ls o   c ompar e with  the  c r it e r ion   da ta  obtaina ble  in   the  r e f e r e nc e   [ 21]   whic a r e   given  in   c olum ns   of   T a ble  2.   F r om   T a ble   2   it   c a n   be   de duc e d   that   the   pr opos e s e ns or   with   hole   in   s ubs tr a te  p r e s e nts   f r e que nc y   s hif va lues   gr e a ter   than   in   c onve nti ona s e ns or s .   He nc e   the  p r opos e s e ns or   pr ovides   35%   incr e ment  in   s e ns it ivi ty  mor e   than  c onve nti ona plane r   s e ns or s   ha ve   the  s a me  r e lative  pe r mi tt ivi ty  o f   the  s ubs tr a te     ( without   hole ) .   And   a bout  26 %   incr e ment  in  s e ns it ivi ty  mo r e   than   c onve nti ona l   plane r   s e ns or s   ha ve   low  los s   R oge r s   s ubs tr a te  ( without   hole)   [ 21] .       T a ble  2 .   S im ulate r e s ult s   of   v a r iat ion  r e s ona nt  f r e que nc ies   u s ing   p pr opos e d   C S R R     a nd  c onv e nti ona C S R R   ba s e d   plane r   s e ns or   tec hniques   T e c hni que   M a te r ia ls     R e f e r e nc e   va lu e s   of     th e  s a mpl e   [ 21]   f   ( A ir - M U T )   [ G H z ]   P r opos e d s e ns or   ba s e d C S R R     w it hout  hol e   [ G H z ]   f   ( A ir - M U T )   [ G H z ]   P r opos e d s e ns or   ba s e d C S R R     w it h hole .   [ G H z ]   f   ( A ir - M U T )   [ G H z ]   A ir ( ε r   =   1,   ta   =   0)   f r   =   1.15 G H z   0   f r   =   2.35 G H z   0   f r   =   3.42 G H z   0   T e f lo n( ε r   =   2.1,   ta   =   0.001)   f r   =   1.095  G H z   0.055   f r   =   2.173 G H z   0.177   f r   =   2.844 G H z   0.576   R O 3003( ε r   =   3,   ta   =   0.0013)   f r   =   1.05 G H z   0.1   f r   =   1.897 G H z   0.453   f r   =   2.612 G H z   0.808   F R 4( ε r   =   4.4,   ta   =   0.02)   f r   =   0.95 G H z   0.2   f   r   =   1.695 G H z   0.655   f r   =   2.33 G H z   1.09   M a x. f r e que nc y s hi f w he ε r     c ha nge  f r om 1 t o 10   37.5%   ---   34%   ---   47.2%   ---   S tr uc tu r e  c r os s  s e c ti on   ( c m x c m)   10x5   ---   2.4x3   ---   2.4x3   ---       10.   CONC L USI ON   ne model  of   mi c r owa ve   plana r   s e ns or   e s tabl is he on  the  c ompl e menta r s pli r ing  r e s ona tor   ( C S R R )   a s   we ll   a s   a a ir   hole  in  s ubs tr a te  of   t he   s tr uc tur e   is   int r oduc e f o r   a   pr e c is e   mea s ur e ment  of   mate r ials   pe r mi tt ivi ty.   T he   C S R R   is   e tche in  th e   gr ound  plane ,   while  the  hole  is   f il led  int s ub s tr a te  of     the  plana r   mi c r os tr ip   li ne .   T wo   C S R R s   s tr uc tur e s   with  a nd  without   ho le  a r e   s e lec ted  f or   the  s e ns it ivi ty  a na lys is ,   whe r e   the  f inal  is   e s tablis to  hold  ove r   quit e   s e ns it ivi ty  a nd  thus   e videnc e   to  be   mor e   s ui table   f or   the  s e ns or   layout .   T he   mi nim um  t r a ns mi s s ion  f r e que nc ies   f or   e a c s tr uc tur e   a r e   obs e r ve r e li e on    the  pe r mi tt iv it y   of   the  s pe c im e n .   A   s e ns or   in   th e   f or m   o f   C S R R s   ope r a ti ng  a t   a   1 . 74 3. 4   GH z   ba nd   is   e xplaine d.   At  r e s ona nc e ,   it   is   f ound   t ha the   e lec tr ic  f ield   pr oduc e s tr a ight   the  plane   of   C S R R   be ing  highl y   s e ns it ive  f or   the   c ha r a c ter iza ti on   of   s a mpl e   r e s ident  with   the  s e ns or .   T he   mi nim u t r a ns mi s s ion  f r e q ue nc of   s e ns or   s hif ts   f r o 3 . 4   to   1. 74   GH z   a s   the   s a mpl e   pe r mi tt iv it y   va r ies   f r om   1   to   10.   A   numer ica l   model  is   int r oduc e he r e   f o r   the   c omput a ti on  of   the  s ys tem  r e s olut ion  a s   a   f unc ti on  o f   r e s ona nc e   f r e que nc a nd  s a mpl e   pe r mi tt ivi ty   us ing  e lec tr omagne ti c   s im ulator .   I is   f ound  that   the  pr opos e s e ns or   p r ovides   35%   incr e ment  in  s e ns it ivi ty  mor e   than  c onve nti ona s e ns or   f o r   the   s a me  pe r mi tt ivi ty   of   the  s pe c im e n .       RE F E RE NC E S   [1   Rammah   A . ,   Z ak ari a   Z . ,   Ru s l a n   E . ,   Is A A. ,   Co m p a rat i v s t u d y   o ma t eri a l s   c h aract er i za t i o n   u s i n g   mi cr o w av e   res o n at o rs ,   A u s t r a l i a n   Jo u r n a l   o f   B a s i a n d   A p p l i e d   S c i en ces ,   v o l .   9 ,   n o .   1 ,   p p .   76 - 8 5 ,   2 0 1 5 .   [2   D .   K .   G h o d g a o n k ar,   V .   V .   V ara d an   a n d   V .   K .   V arad an ,   " Free - s p ace  mea s u reme n t   o c o mp l ex   p ermi t t i v i t y   an d   co mp l ex   p ermea b i l i t y   o mag n e t i mat er i al s   at   mi cro w a v freq u e n ci e s , "   IE E E   Tr a n s a ct i o n s   o n   In s t r u m e n t a t i o n   a n d   M ea s u r em e n t ,   v o l .   3 9 ,   n o .   2 ,   p p .   3 8 7 - 3 9 4 ,   A p 1 9 9 0 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E C ontr o l         C omplime ntar y   s pli r ing  r e s onat o r   s e ns o r   w it high  s e ns it ivity…   ( A me r   A bbood  A l - be hadil i )   281   [3   P.   K .   K ad ab a,   " Si m u l t an e o u s   Meas u r emen t   o Co m p l e x   Permi t t i v i t y   an d   Permeab i l i t y   i n   t h M i l l i me t er  Reg i o n   b y   a   Freq u e n cy - D o ma i n   T ec h n i q u e, "   IE E E   Tr a n s a c t i o n s   o n   I n s t r u m e n t a t i o n   a n d   M e a s u r e m en t ,   v o l .   3 3 ,   n o .   4 ,     p p .   3 3 6 - 3 4 0 ,   D ec  1 9 8 4 .   [4   A .   K h o s ro w b e y g i ,   H .   D .   G ri ffi t h s   an d   A .   L .   Cu l l en ,   " A   n ew   free - w av d i el ec t ri a n d   mag n et i p ro p e rt i e s   meas u reme n t   s y s t em  at   mi l l i met re  w a v el e n g t h s , " 1 9 9 4   IE E E   M TT - S   In t e r n a t i o n a l   M i c r o w a ve  S ym p o s i u m   D i g es t   (Ca t .   No . 9 4 CH 3 3 8 9 - 4) San   D i eg o ,   CA ,   U SA ,   v o l .   3 p p .   1 4 6 1 - 1 4 6 4 1 9 9 4 .   [5   M.   A .   B .   A ri s   an d   D .   K .   G h o d g a o n k ar,   " N o n d es t ru ct i v an d   n o n co n t ac t   d i e l ect r i meas u reme n t   met h o d   fo r     h i g h - l o s s   l i q u i d s   u s i n g   free  s p a ce  mi cro w av meas u re men t   s y s t em  i n   8 - 1 2 . 5   G H freq u en c y   ra n g e, "   2 0 0 4   R F   a n d   M i c r o w a ve  Co n f er e n ce  (IE E E   Ca t .   No . 0 4 E X 9 2 4 ) Sel a n g o r,   Mal a y s i a,   p p .   1 6 9 - 1 7 6 2 0 0 4 .   [6   E ren t o k   A . ,   Z i o l k o w s k i   R W . ,   N i e l s e n   J A . ,   G reeg o R B . ,   Parazzo l i   C G . ,   T an i el i an   M H . ,   Cu mmer  S A . ,   Po p a   B I . ,   H an d   T . ,   V i er  D C . Sch u l t S. ,   L o w   freq u en cy   l u m p ed   el eme n t - b as e d   n eg a t i v i n d ex   met ama t eri al ,”   A p p l i ed   P h ys i cs   Le t t e r s ,   v o l .   91 ,   n o .   18 ,   p p .   1 8 4 1 0 4 ,   29   O ct   2 0 0 7 .     [7   M.   J .   A k h t ar,   L .   E .   Feh er  an d   M.   T h u mm ,   " A   w av eg u i d e - b as e d   t w o - s t e p   ap p r o ac h   fo meas u ri n g   c o mp l e x   p ermi t t i v i t y   t e n s o o u n i ax i al   c o mp o s i t e   mat er i al s , "   IE E E   Tr a n s a c t i o n s   o n   M i cr o wa ve  T h eo r a n d   Tech n i q u es v o l .   5 4 ,   n o .   5 ,   p p .   2 0 1 1 - 2 0 2 2 ,   May   2 0 0 6 .     [8   C.   A .   J o n e s ,   J .   H .   G ro s v e n o a n d   C.   M.   W ei l ,   " RF  mat eri a l   ch arac t eri za t i o n   u s i n g   l arg e - d i ame t er  (7 6 . 8   m m)  co ax i al   ai r l i n e ,"   13 th   In t er n a t i o n a l   Co n f e r en ce  o n   M i cr o w a ve s ,   R a d a r   a n d   W i r e l es s   Co m m u n i c a t i o n s .     M IKO -   2 0 0 0 .   Co n f er e n ce  P r o ceed i n g s   (I E E E   Ca t .   No . 0 0 E X 4 2 8 ) W r o cl a w ,   Po l a n d v o l .   2 ,   p p .   4 1 7 - 4 2 0 ,   2 0 0 0 .   [9   P.   M.   N aray an an ,   " Mi cro s t r i p   T ra n s m i s s i o n   L i n Met h o d   fo Bro ad b an d   Permi t t i v i t y   Meas u remen t   o D i e l ect ri c   Su b s t rat es , "   IE E E   Tr a n s a ct i o n s   o n   M i cr o wa ve  T h eo r a n d   Tech n i q u e s ,   v o l .   6 2 ,   n o .   1 1 ,   p p .   2 7 8 4 - 2 7 9 0 ,   N o v   2 0 1 4 .   [1 0   W .   Barry ,   " A   Br o ad - Ba n d ,   A u t o m at e d ,   St r i p l i n T e ch n i q u fo r   t h Si m u l t an e o u s   Mea s u reme n t   o C o m p l e x   Permi t t i v i t y   an d   Permeab i l i t y , "   IE E E   Tr a n s a ct i o n s   o n   M i cr o wa ve  Th e o r a n d   Tech n i q u e s ,   v o l .   3 4 ,   n o .   1 ,   p p .   8 0 - 8 4 ,   J an   1 9 8 6 .   [1 1   H ep i n g   Y u e,   K .   L .   V i rg a n d   J .   L .   Pri n ce,   " D i e l ect r i c   co n s t an t   an d   l o s s   t an g en t   meas u reme n t   u s i n g   s t r i p l i n e   fi x t u re, "   1 9 9 8   P r o cee d i n g s .   4 8 th   E l ect r o n i c   Co m p o n en t s   a n d   Tec h n o l o g y   Co n f e r en ce   (Ca t .   N o . 9 8 CH 3 6 2 0 6 ) Seat t l e,   W A ,   U S A p p .   1 0 7 7 - 1 0 8 2 ,   1 9 9 8 .   [1 2   P.   Q u effel e c,   P.   G el i n ,   J .   G i eral t o w s k i   an d   J .   L o aec ,   " A   mi cro s t ri p   d e v i ce  f o t h b ro a d   b a n d   s i m u l t an e o u s   meas u reme n t   o co mp l e x   p e rmeab i l i t y   an d   p ermi t t i v i t y , "   IE E E   Tr a n s a ct i o n s   o n   M a g n e t i c s ,   v o l .   3 0 ,   n o .   2 ,     p p .   2 2 4 - 2 3 1 ,   Mar  1 9 9 4 .   [1 3   J .   Bak er - J arv i s   et   a l . ,   " D i el ect r i ch aract er i zat i o n   o f   l o w - l o s s   mat eri a l s   co mp ar i s o n   o t ec h n i q u es , "   IE E E   Tr a n s a c t i o n s   o n   D i e l ec t r i cs   a n d   E l ec t r i ca l   In s u l a t i o n ,   v o l .   5 ,   n o .   4 ,   p p .   5 7 1 - 5 7 7 ,   A u g   1 9 9 8 .   [1 4   B.   Mi l o v an o v i c,   S.   Iv k o v i an d   V .   T a s i c,   " A   s i m p l e   met h o d   fo p ermi t t i v i t y   meas u remen t   u s i n g   m i cro w av e   res o n an t   cav i t y , "   12 th   In t e r n a t i o n a l   Co n f e r en ce  o n   M i c r o wa v es   a n d   R a d a r .   M IK O N - 9 8 .   Co n f e r en ce  P r o ceed i n g s   (IE E E   Ca t .   No . 9 8 E X 1 9 5 ) K rak o w ,   Po l an d v o l .   3 ,   p p .   7 0 5 - 7 0 9 ,   1 9 9 8 .   [1 5   D .   Sh i mi n ,   " A   N ew   Met h o d   fo Meas u r i n g   D i e l ect r i Co n s t a n t   U s i n g   t h Res o n an t   Freq u e n cy   o Pat ch   A n t e n n a, "   in  IE E E   T r a n s a ct i o n s   o n   M i cr o wa ve  Th e o r a n d   Tech n i q u e s ,   v o l .   3 4 ,   n o .   9 ,   p p .   9 2 3 - 9 3 1 ,   Sep   1 9 8 6 .   [1 6   P.   A .   Bern ard   an d   J .   M.   G au t ray ,   " Meas u reme n t   o d i el ect r i co n s t a n t   u s i n g   mi cro s t ri p   ri n g   res o n a t o r, "   IE E E   Tr a n s a c t i o n s   o n   M i c r o w a ve  Th e o r a n d   Tech n i q u es ,   v o l .   3 9 ,   n o .   3 ,   p p .   5 9 2 - 5 9 5 ,   Mar  1 9 9 1 .   [1 7   N el s o n   SO ,   T ra b el s i   S.   In f l u e n ce  o w a t er  co n t e n t   o n   RF  an d   mi cr o w a v d i el ec t ri b eh a v i o o fo o d s .   Jo u r n a l   o f   M i c r o w a ve  P o we r   a n d   E l ect r o m a g n e t i E n e r g y ,   v o l .   43 ,   n o .   2 ,   p p .   13 - 2 3 ,   1   J a n   2 0 0 8 .   [1 8   C.   L ee  an d   C.   Y an g ,   " T h i c k n e s s   an d   Permi t t i v i t y   Meas u reme n t   i n   Mu l t i - L ay ered   D i el e ct r i St ru c t u re s   U s i n g   Co mp l emen t ary   Sp l i t - Ri n g   Re s o n at o rs , "   IE E E   S e n s o r s   J o u r n a l ,   v o l .   1 4 ,   n o .   3 ,   p p .   6 9 5 - 7 0 0 ,   Mar  2 0 1 4 .   [1 9   H ard i n a t S,   D es h o u rs   F,   A l q u i é  G ,   K o k ab i   H ,   K o s k as   F ,   Mi n i a t u r i zat i o n   o Mi cro w a v Bi o s en s o fo r     N o n - i n v a s i v Meas u remen t s   o Ma t eri a l s   an d   Bi o l o g i cal   T i s s u es ,”   3 rd   I n t e r n a t i o n a l   S em i n a r   o n   S c i en ce   a n d   Tech n o l o g (IS S T)  2 0 1 7 ,   p p .   90 - 9 3 ,   2 0 1 7 .   [2 0   C.   L ee   an d   C.   Y an g ,   " Co mp l emen t ary   Sp l i t - Ri n g   R es o n at o rs   fo Meas u r i n g   D i e l ect r i Co n s t an t s   an d   L o s s   T an g en t s , "   in   IE E E   M i c r o w a ve  a n d   W i r e l es s   Co m p o n e n t s   Let t er s ,   v o l .   2 4 ,   n o .   8 ,   p p .   5 6 3 - 5 6 5 ,   A u g   2 0 1 4 .   [2 1   M.   S.   Bo y b ay   a n d   O .   M.   Ramah i ,   " Mat er i al   C h arac t e ri zat i o n   U s i n g   C o mp l emen t ary   S p l i t - R i n g   Res o n a t o r s , "   in   IE E E   Tr a n s a ct i o n s   o n   In s t r u m en t a t i o n   a n d   M ea s u r em e n t ,   v o l .   6 1 ,   n o .   1 1 ,   p p .   3 0 3 9 - 3 0 4 6 ,   N o v   2 0 1 2 .   [2 2   A l b i s h i   A ,   Ramah i   O . ,   D et ec t i o n   o s u rface  an d   s u b s u rface  crack s   i n   me t al l i an d   n o n - met a l l i mat er i al s   u s i n g   a   co mp l emen t ary   s p l i t - r i n g   res o n a t o r ,   S e n s o r s ,   v o l .   14 ,   n o .   10 ,   p p .   1 9 3 5 4 - 1 9 3 70 2 0 1 4 .   [2 3   M.   A .   H .   A n s ar i ,   A .   K .   J h a n d   M.   J .   A k h t ar,   " D e s i g n   an d   A p p l i cat i o n   o t h CSRR - Bas ed   P l an ar  Se n s o fo r   N o n i n v a s i v Meas u remen t   o Co mp l e x   Permi t t i v i t y , "   IE E E   S en s o r s   Jo u r n a l ,   v o l .   1 5 ,   n o .   1 2 ,   p p .   7 1 8 1 - 7 1 8 9 ,     D ec  2 0 1 5 .   [2 4   Po zar  D M. ,   Mi cro w a v en g i n eer i n g ,   3 rd   J o h n   W i l e y   So n s 2 0 0 9.   [2 5   D u n ‐Si n d re u   M . ,   N aq u i   J . ,   Bo n ach J . ,   Mart í n   F. ,   Sp l i t   ri n g s   fo met amat er i al   an d   mi cro w av ci rcu i t   d e s i g n :     A   rev i ew   o recen t   d ev e l o p men t s ,   In t e r n a t i o n a l   Jo u r n a l   o f   R F   a n d   M i c r o w a ve  Co m p u t er A i d ed   E n g i n ee r i n g ,     v o l .   22 ,   n o .   4 ,   p p .   4 3 9 - 4 5 8 ,   2 0 1 2 .   [2 6   J .   Bo n ac h e,   M.   G i l ,   I.   G i l ,   J .   G arci a - G arci an d   F.   M art i n ,   " O n   t h e l ect r i cal   c h aract er i s t i c s   o co m p l eme n t ar y   met amat er i al   res o n a t o r s , "   IE E E   M i c r o w a ve  a n d   W i r e l es s   C o m p o n en t s   Let t er s ,   v o l .   1 6 ,   n o .   1 0 ,   p p .   5 4 3 - 5 4 5 ,     O ct   2 0 0 6 .   [2 7   Bah l   I J. ,   L u mp ed   el eme n t s   fo RF  an d   mi cro w av c i rc u i t s ,”   A r t ech   h o u s e p p .   24 - 2 7 ,   2 0 0 3 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.