Υλικά απορρόφησης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σε μικροκυματικές συχνότητες για τηλεπικοινωνιακές εφαρμογές

Abstract

The scope of this Thesis is the synthesis and characterization of new electromagnetic wave absorbing ferrimagnetic materials, as well as their utilization in realistic design of planar absorbers. Hence, a new series of hexagonal ferrites SrCo2?W were prepared with the substitution of Ni and La for Co and Sr, respectively, while their study emphasized on those properties related to the absorption of electromagnetic waves at microwave frequencies. Through experiment, in principle we confirmed the formation of W-type hexaferrites by reaction between intermediate phases (cubic and M-type or Z-type hexagonal ferrites). At the same time, it came up that single phase samples necessitate the modification of stoichiometry (excess of Sr or M-type hexaferrite units). Furthermore, compounds with Ni and La require further increase of annealing temperature and time. Samples with small values of substitution possess high saturation magnetization and low coercivity. These properties are attributed to the inherent tendency of both substituting elements towards change of planar anisotropy to uniaxial. For the same compounds we observed a decrease of resonance frequency from 17 GHz to 6 - 14 GHz and an increase of magnetic losses, which are also related to anisotropy transition. So, there is a favorable range of compositions, for which unimpeded precession of magnetic moments occurs on a surface of easy magnetization, possibly of conical shape. From the analysis of single-layer absorbers it was found that impedance matching in typical ferrites is mainly achieved through two mechanisms, the first ascribed to high magnetic losses (bulk ferrites) and the second observed for λ/4 thickness (composite materials). In composite materials under study, high reflection losses originate from geometrical matching, while the addition of Ni and La yields the appearance of maximal reflection losses at lower frequencies and for smaller layer thickness. For the optimization of the design of planar multi-layer absorbers Genetic Algorithm and two flexible objective functions were employed, with high probability of convergence to the optimal solution. In a realistic approach, composed materials were used to design multi-layer structures with narrowband absorption, that can be tuned throughout the range of 7.5 - 18 GHz. Finally, we designed layered structures with minimal possible sensitivity to errors in the actual thicknesses of the layers.

Αντικείμενο αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι η παρασκευή και ο χαρακτηρισμός νέων φεριμαγνητικών υλικών απορρόφησης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, καθώς και η συμμετοχή τους στη ρεαλιστική σχεδίαση επίπεδων διατάξεων μείωσης της ανακλαστικότητας. Για το σκοπό αυτό, παρασκευάστηκε και μελετήθηκε η νέα σειρά εξαγωνικών φεριτών SrCo2-W με τη μερική υποκατάσταση του Co από Ni και του Sr από La, με ιδιαίτερο προσανατολισμό σ’εκείνες τις ιδιότητες που σχετίζονται με την απορρόφηση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων μικροκυματικών συχνοτήτων. Από τη μελέτη αυτή κατ’αρχήν επιβεβαιώθηκε ο σχηματισμός των εξαφεριτών τύπου-W από την αντίδραση ενδιάμεσων φάσεων (κυβικών και εξαγωνικών φεριτών τύπου-Μ ή Ζ). Ταυτόχρονα, βρέθηκε ότι η σύνθεση μονοφασικών δοκιμίων απαιτεί την τροποποίηση της στοιχειομετρίας (περίσσεια Sr ή δομικών μονάδων εξαφερίτη Μ), ενώ η προσθήκη των ατόμων υποκατάστασης, Ni και La, επιβάλλει την αύξηση της θερμοκρασίας και του χρόνου ανόπτησης. Για μικρές τιμές των υποκαταστάσεων, οι συνθέσεις αυτές διατηρούν υψηλές τιμές μαγνήτισης κόρου και χαμηλό συνεκτικό πεδίο. Οι μεταβολές αυτές αποδίδονται στην έμφυτη τάση των δύο στοιχείων υποκατάστασης για αλλαγή της ανισοτροπίας της ένωσης SrCo2-W από επίπεδη σε αξονική. Για την ίδια περιοχή συνθέσεων, παρατηρήθηκε μείωση της συχνότητας συντονισμού από 17 GHz σε 6 - 14 GHz και αύξηση των μαγνητικών απωλειών, που επίσης σχετίζονται με την αλλαγή της διεύθυνσης ανισοτροπίας. Διαμορφώνεται λοιπόν μία ευνοϊκή μεταβατική περιοχή, όπου λαμβάνει χώρα η απρόσκοπτη κίνηση των μαγνητικών ροπών σε μία πιθανά κωνική επιφάνεια εύκολης μαγνήτισης. Από την ανάλυση των μονοστρωματικών διατάξεων προέκυψε ότι η προσαρμογή στους τυπικούς φερίτες επιτυγχάνεται μέσω δύο μηχανισμών, των υψηλών απωλειών (συμπαγή) και του γεωμετρικού τύπου-λ/4 (σύνθετα). Στα υλικά που μελετήθηκαν εμφανίζονται σημαντικές απώλειες ανάκλασης, λόγω του μηχανισμού λ/4, ενώ η προσθήκη Ni και La οδηγεί στην εμφάνιση των μέγιστων απωλειών σε χαμηλότερες συχνότητες και για μικρότερα πάχη στρώσης. Για τη σχεδίαση πολυστρωματικών διατάξεων χρησιμοποιήθηκε Γενετικός Αλγόριθμος και σχηματίστηκαν δύο συναρτήσεις κόστους, που προσφέρουν ευελιξία στη σχεδίαση και υψηλή πιθανότητα σύγκλισης. Στα πλαίσια της ρεαλιστικής προσέγγισης, χρησιμοποιήθηκαν τα υλικά που παρασκευάστηκαν και σχεδιάστηκαν διατάξεις με οξύτατο συντονισμό σε όλο το εύρος 7.5 - 18 GHz. Επιπλέον, βρέθηκαν οι διατάξεις με την ελάχιστη ευαισθησία στα σφάλματα των πραγματικών διαστάσεων των στρωμάτων.