МАССИВ МИКРОВОЛНОВЫХ РЕЗОНАТОРОВ ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ВОДЫ И ПРИНЦИПЫ ЕГО ТЕРМОКОМПЕНСАЦИИ НА ОСНОВЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

Аннотация

Планарные микроволновые резонаторы и их массивы являются одним из наиболее перспективных решений для создания компактных и недорогих систем мониторинга качества воды. Однако применение одиночных сенсоров сопряжено с проблемами неоднозначности интерпретации данных и высокой температурной зависимостью диэлектрической проницаемости воды, что вносит погрешность до 5–12% при изменении температуры на 10–15 °C. Целью данной работы является анализ современных подходов к формированию многочастотных массивов микроволновых датчиков и разработка оригинального метода термокомпенсации на базе линейно-чирпированных волоконных брэгговских решеток (ЛЧВБР).

В исследовании рассмотрены и оптимизированы три типа резонансных структур: симметричный кольцевой резонатор, массив комплементарных квадратно-щелевых резонаторов на диэлектрической подложке и компактный дифференциальный компаратор, использующий резонанс Фано. Моделирование показало, что оптимизированный кольцевой резонатор обеспечивает глубину резонанса −23,5 дБ на частоте 2,449 ГГц, а массив из пяти комплементарных резонаторов формирует широкополосный отклик в диапазоне 1,4–9,4 ГГц. Это позволяет получать многомерный «диэлектрический отпечаток» воды, повышая селективность к различным примесям и компенсируя взаимное влияние элементов. Компараторная структура на основе резонанса Фано дополнительно обеспечивает высокую чувствительность и встроенную самокалибровку с выбором анализа различных примесей для каждого резонатора. Для устранения температурного дрейфа предложена схема оптической термокомпенсации с использованием трех ЛЧВБР: опорной (стабильная температура), температурно-чувствительной и чувствительной к показателю преломления жидкости. Экспериментальная оценка продемонстрировала температурную зависимость сдвига резонансной частоты на уровне −1 МГц/°C и −2 МГц/°C, что позволяет динамически корректировать данные с относительным разрешением 1×10⁻⁴. Сочетание компараторного микроволнового резонатора и прецизионной оптической термокомпенсации формирует надежную, высокоточную и компактную платформу для непрерывного контроля состава и качества воды в реальных условиях эксплуатации.