Микровълнови абсорбиращи структури

Институт по електроника - БАН

Лаборатория “Жиромагнитна електроника”

Микровълнови абсорбери

• Извършената научно-изследователска работа е свързана и с изпълнението на договор МУФ 1301“ Влияние на ФМР на наноструктурирани оксидни пълнители върху свойствата на СВЧ абсорбери”, финансиран от НСНИ-МОН.

• Композитните микровълнови (СВЧ) абсорбери са самостоятелен клас микровълнови материали, които намират приложение за екологична защита от СВЧ излъчвания, екраниране на функционални компоненти в електрониката и за специални приложения. Обект на изследванията са композитни материали съдържащи наноструктурирани ферооксидни пълнители. За разлика от микронните частици, наноструктурираните частици са монодоменни и имат суперпарамагнитни свойства (в зависимост от температурата и прилагането на външно магнитно поле). Това определя особености в магнитните им свойства (обменни магнитни взаимодействия, взаимодействия частица-частица и др.), които не са добре изследвани и са от голям теоретичен интерес.

Приложение на абсорбиращите материали

Микровълнови абсорбери – обемни структури

• I. Обемни структури• Обектът на този експеримент е изследване на микровълновите абсорбиращи

свойства на магнетитен прах диспергиран в полимерна матрица. Образците, които са измервани са приготвени от магнетитни прахове със среден размер на зърната 25 nm и 300 nm, съответно монодоменна и полидоменна структура. Бяха изготвени тороидни образци с външен диаметър 7 mm, вътрешен диаметър 3 mm и различна дебелина на образците – 2, 3, 4 и 5 mm.

• I.A Експериментални данни, базирани на Fe3O4 – 300 nm.• Връзката между абсорбционните свойства на образеца, неговата дебелина и

честотния диапазон на излъчване на вълната е получена при следната опитна конфигурация. Използван е скаларен анализатор на вериги Hewlett Packard 8756 A. Генерираният микровълнов сигнал (в честотният диапазон 1-13 GHz) е насочен перпендикулярно на повърхността на образеца, зад който е поставен идеален проводник – “късо съединение”. Опитната постановка е показана на фиг.1.

Схема на опитната постановка

Рефлектор

Външен проводник Образец

Вътрешен проводник

Минимума на загубите от отражение (RL) е свързана с абсорбирането или минималното отражение на микровълновата енергия при определена дебелина на образеца (в нашия случай - 4 mm ). Появата на пикове и дебелината на образеца са свързани с формулата:d = nλ/4, където d e дебелината на образеца, λ е на дължината на вълната, а n = 1, 3, 5, 7, 9, …

Схематично представяне на процесите на абсорбция

Първично отразена вълна

Падащавълна

Вторично отразена

вълна

Абсорбиращ материал

Рефлектор(“късо съединение”)

Абсорбиранавълна

Абсорбиращи свойства на обемните структури

На фиг.2 е показна връзката между загубите от отражение и различните дебелини на образеца – 2, 3, 4, и 5 mm. Резултатите са получени при преминаване на перпендикулярно падаща електромагнитна вълна през нанокомпозитния абсорбер, зад който е поставен идеален проводник (късо съединение).

На базата на експерименталните данни бе създаден феноменологичен модел, който описва загубите от отражение в честотният обхват 1-13 GHz като функция от дебелината на образеца (25 mm)

Фиг.2.

2 mm

3 mm4 mm

5 mm

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

RL

, dB

Frequency, GHz

Моделиране на процесите

• където:• d – дебелина на образеца (25 mm) [mm]• fr = nc/4d резонансна честота [GHz]• f честота в обхвата 1-13 GHz [GHz]• RL загубите от отражение [dB]

• I.B Експериментални данни, базирани на Fe3O4 – 25 nm.• Бяха изготвени тороидни образци, като пълнител бе използван Fe3O4 – 25 nm,

спазвайки описаните по-горе условия за обемно напълване и дебелина на образеца. Резултатите от микровълновите измервания са представени на фиг.3.

dB

ff

ffff

edd

dR

d

L ,

max

maxln310,141maxln306,18961,73ln

119,214380,144523,2

1

ln611,01

ln506,1405,2

1

2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

2 mm 3 mm 4 mm 5 mm

RL, d

B

Frequency, GHz

•Фиг.3.

2 mm

3 mm4 mm

5 mm

Обобщение на резултатите

• 1. Спазвайки еднакви условия при изготвянето на образците (еднакво тегловно напълване и еднаква дебелина на образците- за Fe3O4 с размер 25 и 300 nm) бяха наблюдавани следните различия при микровълновите измервания. Образците, съдържащи полидоменен магнетит показаха по-добре изразени абсорбиращи свойства, в сравнение с образците, съдържащи монодоменен магнетит. Това най-вероятно е свързано с т.нар. “skin” ефект за монодоменната струтура – съотношението повърхност-обем е много по-голямо от това за полидоменната структура от една страна и наличието на магнитна “неподреденост” на повърхността на монодоменната струтура от друга страна. Тези ефекти водят до намаляване на ефективния магнитен размер на монодоменната частица, водещо до по-слаби абсорбиращи свойства.

• 2. При монодоменните прахове, диспергирани в полимерна матрица, се наблюдава разширение на резонансния пик, което е свързано с по-бързата магнитна релаксация на тези частици, в сравнение с полидоменните.

Тънкослойни абсорбиращи структури

• II. Тънкослойни структури.• Втората серия от експерименти се състоеше от изследване на

тънкослойни структури, базирани на полимерна матрица, в която бяха диспергирани феритни и въглеродни наноразмерни прахове. Върху диелектрична основа бяха изготвени следните тънкослойни структури: а) въглерод в акрилна смола, в) въглерод и магнетит в акрилна смола, с) въглерод и магнетит в полиуретан, и d) магнетит в акрилна смола. Изпозваният въглерод е с размер на зърната 4-6 nm, а магнетита е с размер на зърната 300 nm.

• Два вида микровълнови измервания бяха проведени. При първият беше измерена микровълновата абсорбция при 9.4 GHz. При вторият метод бяха измерени допълните загуби с помощта на микролентова линия в честотният диапазон 1-20 GHz.

• За провеждане на измерването при фиксирана честота - 9,4 GHz бе използвана следната опитна постановка. Беше използвана рефлектометърна схема и две насочени една срещу друга антени - предавателна и приемна. Един метален лист “късо съединение” беше поставен на определена дистанция от антените, за да се избегнат проблемите, свързани с положението на образците в близката зона. Образците бяха впоследствие позиционирани на мястото на “късото съединение”.

• Коефициента на отражение беше изчислен от измерените загуби от отражение Lsc[dB] и Lr[dB] за “късото съединение” и образците, съответно. Разликата между преминалия и отразения сигнал се явява абсорбирания от образеца сигнал.

Микровълнова абсорбция при 9,4 GHz

a)

5 10 15 20 250

20

40

60

80

100

Refl.

Absor.Trans.

Tra

ns.,

Abs

or.,R

efl.,

%

Distance from Antenna, mm

5 10 15 20 250

20

40

60

80

100

Refl.

Absor.

Trans.

Tra

ns.,

Abs

or.,R

efl.,

%

Distance from Antenna, mm

5 10 15 20 250

20

40

60

80

100

Refl.

Absor.

Trans.

Tra

ns.,

Abs

or.,R

efl.,

%

Distance from Antenna, mm

5 10 15 20 250

20

40

60

80

100

Refl.Absor.

Trans.

Tra

ns.,

Abs

or.,R

efl.,

%

Distance from Antenna, mm

b)

c) d)

Определяне на абсорбцията чрез микролентова линия

• За определяне на допълнителните загуби, е използвана опитна постановка, която е схематично представена на фиг.4:

• буферен слой

• диелектрична основа• абсорбиращ слой

• микролентова линия

• допълнителните загуби са добавени към затихването на свободната микролиния съгласно израза:

total = + , dB/cm

• Всеки абсорбиращ образец, представляващ двукомпонентна структура: диелектричена основа - поглъщащ слой, е поставен директно на микролентовата линия, като абсорбиращия слой е обърнат надолу. Дебелината на диелектричена основа е 0.09 mm, а на поглъщащия слой е 0.07 mm. Върху образците бе упражнено налягане от поядъка на 3.3 N/cm2 през 50 mm буферен слой.

Микровълнова абсорбция при 1-20 GHz

• Резултатът от измерването за допълнителните загуби в честотният обхват 1-20 GHz е показан на фиг.5

Изводи

1. Получените резултати са многообещаващи за развитието на нанокомпозитните абсорбиращи структури. За обемните структури получените резултати показват зависимост на абсорбиращите свойства от дебелината на образеца, а също така и от размера на магнетита, което дава възможност за моделиране на процесите и оптимизиране на характеристиките на абсорбера.

2. При тънкослойните структури за получаването на идеален абсорбер е необходимо магнитната проницаемост на образеца да е равна по стойност на диелектричната му проницаемост (това бе причина за добавяне на въглерода). Това изискване е свързано с факта, че такава среда ще има импеданс, равен на импеданса на свободното простронство. Получените тънкослойни абсорбиращи структури показаха по-добри характеристики в сравнение с Eccosorb paint 269 (Emerson & Cuming ) в обхвата 1-15 GHz.

Представяне на резултатите от научно-изследователската дейност

1. Proceeding '04 Int'l Spring Seminar on Electronics Technology (ISSE)13-16 May, Sofia, Bulgaria

2. 17th International Conference on Electromagnetic Fields and Materials –EMFM, May l7th - 18tn, 2004 Warsaw, Poland

3. XI international summer school"Nicolás Cabrera"- Frontiers in Science and Technology: “Magnetic Nanostructures”, 13-17 September 2004, Madrid, Spain.

Научни публикации:1. “Polymer microwave absorber with nanosized ferrite and carbon fillers”,

I. Nedkov, S. Kolev, S. Stavrev, P. Dankov, S. AlexsandrovProceeding '04 Int'l Spring Seminar on Electronics Technology (ISSE)13-16 May, Sofia, Bulgaria,

577-5792. “Measurement of dielectric and magnetic properties of thin nanoparticle absorbing

films”,Dankov P., Kolev S., Alexsandrov S., Proceeding of the 17th International Conference on Electromagnetic Fields and Materials –

EMFM-2004, 89-93, (2004).3. “ “Microwave absorption properties of nanosized magnetite in polymer matrix”

S. Kolev , A.Yanev, I. Nedkov постерна презентация на XI international summer school"Nicolás Cabrera"- Frontiers in Science and Technology: “Magnetic Nanostructures”, 13-17 September 2004, Madrid, Spain

http://www.ie-bas.dir.bg/

Lab. “Microwave magnetics”