МАССИВ МИКРОВОЛНОВЫХ РЕЗОНАТОРОВ ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ВОДЫ И ПРИНЦИПЫ ЕГО ТЕРМОКОМПЕНСАЦИИ НА ОСНОВЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ
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. Planar microwave resonators and their arrays are one of the most promising solutions for creating compact and inexpensive water quality monitoring systems. However, the use of single sensors is associated with ambiguous data interpretation and the high temperature dependence of water's permittivity, which introduces errors of up to 5–12% for every 10–15°C temperature change. The aim of this study is to analyze modern approaches to the formation of multi-frequency microwave sensor arrays and develop an original temperature compensation method based on linearly chirped fiber Bragg gratings (LCFBGs). This study examined and optimized three types of resonant structures: a symmetric ring resonator, an array of complementary square-slot resonators on a dielectric substrate, and a compact differential comparator using Fano resonance. Simulations showed that the optimized ring resonator provides a resonance depth of -23.5 dB at 2.449 GHz, while an array of five complementary resonators produces a broadband response in the 1.4–9.4 GHz range. This enables the acquisition of a multidimensional "dielectric fingerprint" of water, increasing selectivity for various impurities and compensating for the mutual influence of elements. The comparator structure based on the Fano resonance additionally ensures high sensitivity and built-in self-calibration, allowing for the selection of various impurities for each resonator. To eliminate temperature drift, an optical temperature compensation scheme is proposed using three FBG-based frequency-dependent resonators: a reference (stable temperature), a temperature-sensitive resonator, and one sensitive to the refractive index of the liquid. Experimental evaluation demonstrated a temperature dependence of the resonant frequency shift at levels of -1 MHz/°C and -2 MHz/°C, enabling dynamic data correction with a relative resolution of 1×10⁻⁴. The combination of a comparator microwave resonator and precision optical temperature compensation creates a reliable, highly accurate, and compact platform for continuous monitoring of water composition and quality under real-world operating conditions.