Adattamento dell'indice di rifrazione dell'impedenza

Dec 14, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 15818 (2022) Citare questo articolo

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Il controllo indipendente delle proprietà magnetiche ed elettriche dei compositi di ferrite in due e tre parti è dimostrato attraverso la variazione della dimensione delle particelle e della frazione volumetrica delle inclusioni di ferrite. Ciò fornisce un percorso per la creazione di compositi con abbinamento di impedenza a banda larga con valori di indice di rifrazione elevati personalizzati. Viene prodotto un composito in due parti comprendente ferrite NiZn in un ospite dielettrico PTFE con valori approssimativamente uguali di permettività reale relativa e permeabilità fino a 100 MHz. L'indice di rifrazione per i compositi NiZn-PTFE, misurato a 20 MHz, è 6,1 per una frazione volumetrica di NiZn pari al 50% vol. e 6,9 ​​per la frazione volumetrica di NiZn del 70%vol. Allo stesso modo, abbiamo caratterizzato un composito in tre parti con un indice di rifrazione compreso tra circa 16 e 60 MHz. Il composito in tre parti comprende ferriti NiZn e MnZn in una matrice ospite dielettrica PTFE con un rapporto percentuale in volume rispettivamente di 65%: 15%: 20%.

Le ferriti morbide disponibili in commercio sono state ampiamente utilizzate nelle telecomunicazioni e nei sistemi di antenne a causa della loro elevata parte reale di permeabilità e contemporaneamente di una bassa perdita magnetica nella gamma di frequenze MHz1. L'elevata parte reale della permeabilità non solo aumenta l'indice di rifrazione dei materiali compositi, favorendo la miniaturizzazione, ma aumenta anche l'impedenza caratteristica verso il caso di adattamento di impedenza di Z \(=1.\). È noto che la dipendenza dalla frequenza della permeabilità diminuisce alle frequenze più alte (GHz) a causa del rilassamento della parete del dominio e del rilassamento giromagnetico: un fenomeno descritto dalla legge di Snoek2. Da quando è apparso l'articolo originale di Snoek nel 1948, sono stati condotti molti studi che hanno esteso questo concetto per applicarlo a film magnetici sottili e materiali compositi3,4,5. La legge originale non tiene conto della dimensione o della forma delle particelle magnetiche se la ferrite è polverizzata e mescolata con un materiale ospite. La dimensione e la forma delle particelle e la frazione di riempimento del composito risultante offrono ulteriori libertà per regolare la dipendenza dalla frequenza della risposta magnetica. Ad esempio, l'anisotropia della forma delle inclusioni magnetiche può essere aumentata utilizzando scaglie magnetiche, aumentando la frequenza alla quale è possibile osservare una forte risposta magnetica6,7. I materiali con una geometria cristallina planare, come gli esafarriti di tipo M, hanno una maggiore anisotropia magnetocristallina, estendendo la gamma di frequenze delle prestazioni magnetiche8. Naturalmente, questi stessi gradi di libertà influenzano anche la risposta dielettrica (permittività) del composito. In questo studio dimostriamo che la permettività relativa (\(\varepsilon = \varepsilon^{\prime} - i\varepsilon^{\prime\prime}\)) e la permeabilità (\(\mu = \mu^{\prime } - i\mu^{\prime\prime}\)) del composito sono influenzati dalla dimensione delle particelle delle inclusioni di ferrite. Se le proprietà delle particelle magnetiche nei compositi vengono attentamente controllate, i materiali ad alto indice di rifrazione (\(n=\sqrt{\varepsilon \mu }\)) con impedenza adattata (\(Z=\sqrt{\mu /\varepsilon }\)) per liberare spazio può essere prodotto. Questi materiali con elevato indice di rifrazione e adattamento dell'impedenza allo spazio libero sono importanti per la miniaturizzazione delle antenne.

Le ferriti NiZn e MnZn sono magneticamente "morbide" a causa della loro bassa coercività magnetica, il che significa che non trattengono il magnetismo dopo essere state soggette a una polarizzazione magnetica. La formula chimica generale delle ferriti spinello è MFe2O4, dove "M" è un metallo bivalente. La struttura cristallina dello spinello, con una disposizione cubica compatta di ioni metallici circondati da ioni di ossigeno, porta ad un'elevata anisotropia magnetocristallina dovuta all'ordinamento degli spin degli elettroni9. Gli studi sull’effetto della dimensione delle particelle di ferrite e del carico percentuale in volume dei compositi sulla permeabilità complessa risultante di un composito a base dielettrica non sono nuovi. Ad esempio, Dosoudil et al.10 hanno fabbricato tre serie di campioni compositi, utilizzando ceramiche in polvere di ferrite MnZn e NiZn disponibili in commercio in una matrice di cloruro di polivinile (PVC). Nel loro articolo esplorano l'effetto della dimensione delle particelle sulla permeabilità, fissando il carico volumetrico (65% vol.) della polvere di ferrite e il rapporto MnZn:NiZn (80%:20%). È stata osservata una tipica dipendenza dalla Legge di Snoek, caratterizzata da un picco di risonanza nella componente immaginaria della permeabilità, che si sposta a frequenze più alte con l'aumentare della dimensione delle particelle. La parte reale della permeabilità relativa (\(\mu^{\prime }\)) a 20 MHz è aumentata da circa 16 (per particelle di dimensioni < 40 µm) a circa 20 (per particelle di dimensioni 80–250 µm). L'aumento della permeabilità con l'aumento della dimensione delle particelle è associato all'aumento del numero di domini magnetici all'interno delle particelle di ferrite e verrà discusso in seguito.