Document

Design and performance assessment of microwave antennas for soil moisture sensing.

Source
Master's thesis
Other titles
تصميم وتقييم أداء هوائيات الموجات الدقيقة لاستشعار رطوبة التربة
Country
Oman
City
Muscat
Publisher
Sultan Qaboos University
Gregorian
2024
Language
English
Thesis Type
Master's thesis
English abstract
This research presents a novel soil moisture measurement technique utilizing a 1.4 GHz microstrip antenna, addressing the critical need for efficient water management in the context of global food production. The method investigates the impact of varying soil moisture levels on the antenna's resonant frequency and reflection coefficient (S11) using near field properties from a low-profile antenna. By capitalizing on the antenna's sensitivity to the surrounding medium's dielectric constant, introducing an indirect and non-invasive approach to estimate qualitatively the percentage shift of near field sensor. Both simulations on loam soil and empirical tests on sandy loam soil consistently reveal a downshift in resonant frequency with increasing moisture levels. For instance, in 10 mm deep loam soil, the resonant frequency decreases from 1.32 GHz to 1.195 GHz as moisture content rises from 5% to 20%, with similar trends observed at greater depths. The reflection coefficient S11 also increases in wetter soils, indicating a high impedance mismatch. Empirical data from 10 mm deep sandy loam soil corroborates these findings, with a resonant frequency decrease from 1.408 GHz at 5% moisture to 1.345 GHz at 20% moisture. These results highlight the potential of resonant frequency shift as a reliable indicator of soil moisture, offering a valuable tool for precision agriculture and sustainable water management across multiple sectors.
Arabic abstract
تقدم هذه البحث تقنية جديدة لقياس رطوبة التربة باستخدام هوائي شريطي دقيق بتردد 1.4 جيجاهرتز، معالجة الحاجة الملحة لادارة المياه بكفاءة في سياق الانتاج الغذائي العالمي. تستكشف الطريقة تأثير مستويات رطوبة التربة المتغيرة على تردد الرنين للهوائي ومعامل الانعكاس (11S (باستخدام خصائص المجال القريب من هوائي منخفض الارتفاع. من خلال الاستفادة من حساسية الهوائي لثابت العزل الكهربائي للوسط المحيط، تُقدم الطريقة نهجا غير مباشر وغير تدخلي لتقدير نسبة التحول في حساس المجال القريب بشكل نوعي. تكشف كل من المحاكاة على التربة الطينية والاختبارات التجريبية على التربة الرملية الطينية بشكل متسق عن انخفاض في تردد الرنين مع زيادة مستويات الرطوبة. على سبيل المثال، في التربة الطينية بعمق 10 مم، ينخفض تردد الرنين من 1.32 جيجاهرتز إلى 1.195 جيجاهرتز مع ارتفاع محتوى الرطوبة من %5 إلى ،%20 مع مالحظة اتجاهات مماثلة على أعماق أكبر. كما يزداد معامل الانعكاس 11S في التربة الاكثر رطوبة، مشيرا إلى عدم تطابق كبير في المعاوقة. تدعم البيانات التجريبية من التربة الرملية الطينية بعمق 10 مم هذه النتائج، مع انخفاض في تردد الرنين من 1.408 جيجاهرتز عند %5 رطوبة إلى 1.345 جيجاهرتز عند %20 رطوبة. أداة قيمة للزراعة الدقيقة وإدارة تسلط هذه النتائج الضوء على إمكانية تحول تردد الرنين كمؤشر موثوق لرطوبة التربة، مقدمةً المياه المستدامة في قطاعات متعددة.
Category
Theses and Dissertations