Ceramic-polymer composites as the flexible antennas for sub-terahertz applications

Barbara Bogdańska

Abstract

Introduction Currently used mobile phone antennas operate on microwave frequencies. There are still ongoing research studies exploring the use of new antennas in the sub-THz frequency range, i.e. working on the border between the microwaves (300 MHz - 300 GHz) and the terahertz waves (300 GHz - 3 THz) [1]. The upward trend in the use of biphasic ceramic-polymer composites, in which the active phase is electroceramics and a polymer as a matrix, is noticed in electronics [2]. Ferroelectrics with perovskite structure are very promising materials for such applications working at ‘forgotten gap’ (50-500GHz). In recent years, research studies have focused mainly on barium-strontium titanate (BST), doped with oxides of various metals [3,4]. The aim of this study was to obtain a functional element of antenna operating on the sub-terahertz frequency. Geometry of the element was designed by experts from the Institute of Radioelectronics at the Department of Electronics and Information Technology at Warsaw University of Technology. The base was supposed to be made of the electrically insulating material with stably placed copper electrodes and the ferroelectric filling in the spaces between the electrodes. Results and discussion A method for obtaining repeatable dielectric bases with stably placed copper electrodes and the process of canal filling by ferroelectric composite slurry was developed. The item with the required parameters was received. According to the design the base was made of the electrically insulating material with the copper electrodes and the composite filled in the spaces between the electrodes. After the base material research it was found that for stable operating conditions the enough mechanical strength is in the range from 20 to 60 MPa. Decreasing the bases’ loss tangent is a very important issue. This value is directly proportional to the base’s thickness, so it had to be reduced from 1 cm to 2 mm. Further research should result in finding the material with lower value of loss tangent. The ferroelectric composite’s influence on a rate of copper electrodes’ corrosion was studied and it was indicated that the mechanical abrasion with different grain size sand paper is the simplest and effective way to eliminate already existing places affected by corrosion. In order to further protect electronic components against corrosion the commercially available anti-corrosion agents can be used. Contact angles for a variety of composite slurries and various components on bases made by epoxy resin, polyamide and copper were measured. Adhesion forces between the composite material and the bases are strong and result in a good adhesion to both the base and copper elements. Increasing the temperature of the composite slurry, better adhesion is noticed. This observation helped in choosing the most optimal temperature for filling the canals with the composite material: 90 to 110°C for the composite slurry based on ethylene and vinyl acetate copolymers. The methodology of preparing composite slurries, which facilitates adherence of the composite materials and structural elements and also avoids discontinuities after drying, was developed. During soldering electrodes a significant amount of heat was emitted and caused the contraction of the composite material. It was necessary to change the order of soldering and filling canals: first step was soldering, the second one – filling canals. The most optimal for the casting of the ferroelectric layer is the slurry of high viscosity circle 1000 mPas and quickly evaporating solvent in the initial stages of drying. A rapid evaporation causes the initially big shrinkage, which can be supplemented with the remaining slurry, thereby avoiding the formation of voids and discontinuities. Conclusions Above studies gave the following conclusions:  A method of receiving the repetitive functional element with designed geometry was developed,  Developed slurries’ compositions are promising to the future applications. Thin films made by these materials have a low loss tangent and tunability up to 25%  The functional element, thanks to the possibility of applying higher voltages than in the case of testing ceramic thin films, will allow carrying out the research at frequencies from 50 to 500GHz.
Diploma typeMaster of Science
Author Barbara Bogdańska
Barbara Bogdańska,,
-
Title in PolishKompozyty ceramiczno-polimerowe jako elastyczne anteny do zastosowań sub-terahercowych
Supervisor Mikołaj Szafran KTCh
Mikołaj Szafran,,
- Chair of Chemical Technology
Certifying unitFaculty of Chemistry (FC)
Affiliation unitChair of Chemical Technology (CChT)
Study subject / specializationTechnologia Chemiczna
Languagepl polski
StatusFinished
Defense Date17-12-2013
Issue date (year)2013
Keywords in Polish-
Keywords in English-
Abstract in PolishWstęp Obecnie stosowane anteny telefonii komórkowej pracują w zakresie częstotliwości mikrofalowych. Trwają jednak badania nad zastosowaniem nowych anten w zakresie częstotliwości sub-terahercowych, tzn. pracujących na granicy między mikrofalami (300 MHz - 300 GHz), a falami terahercowymi (300 GHz - 3 THz) [1]. Zauważa się powolnie wzrastającą tendencję coraz szerszego wykorzystania w elektrotechnice dwufazowych kompozytów ceramiczno - polimerowych, w których aktywną fazą będącą wypełnieniem jest elektroceramika, a osnowę stanowi polimer [2]. Obiecującymi materiałami do zastosowań w zakresie „zapomnianych” i stale niedocenianych częstotliwości 50 – 500GHz (forgotten gap) są ferroelektryki o strukturze perowskitu. W ostatnich latach badania skupiają się głównie na tytanianie barowo-strontowym (BST), domieszkowanym tlenkami różnych metali [3,4]. Celem niniejszej pracy było otrzymanie elementu funkcjonalnego anteny pracującej w zakresie częstotliwości sub-terahercowych o geometrii zaprojektowanej przez specjalistów z Instytutu Radioelektroniki Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechniki Warszawskiej. Zgodnie z założeniami podłoże miało być z materiału o właściwościach izolujących elektrycznie z trwale umieszczonymi w nim elektrodami miedzianymi oraz wypełnieniem ferroelektrycznym w przestrzeniach między elektrodami. Wyniki i dyskusja Opracowano metodę otrzymywania powtarzalnych podłoży dielektrycznych z trwale umieszczonymi elementami miedzianymi oraz sposób wypełniania kanałów kompozytową masą o właściwościach ferroelektrycznych. Otrzymano element o wymaganych parametrach geometrycznych i wymiarach 40x40 mm. Zgodnie z założeniami podłoże wykonano z materiału o właściwościach izolujących elektrycznie z elektrodami miedzianymi oraz wypełnieniem kompozytową masą ferroelektryczną w przestrzeniach między elektrodami. Wykonano badania nad materiałami do podłoży i stwierdzono, że przy stabilnych warunkach pracy niekonieczna jest duża wytrzymałość mechaniczna - do 20 ‚ 60 MPa, natomiast bardzo istotne jest zmniejszenie wartości tangensa kąta stratności podłoża. Wartość ta jest wprost proporcjonalna do grubości podłoża, dlatego należało zmniejszyć ją z 1cm do 2mm. Należy prowadzić dalsze badania prowadzące do znalezienia materiału, który charakteryzowałby się mniejszą wartością tangensa kąta stratności nawet kosztem parametrów wytrzymałościowych. Zbadano wpływ składu mas kompozytowych na szybkość korozji elementów miedzianych. Z badań wynikało, że zastosowanie oczyszczania mechanicznego za pomocą papieru ściernego o różnym uziarnieniu jest najprostszym i skutecznym sposobem wyeliminowania zastanych na elementach miedzianych zmian korozyjnych. Zmierzono wartość kąta zwilżania różnych mas kompozytowych oraz poszczególnych ich składowych na podłożach z żywicy epoksydowej, poliamidu i miedzi. Siły adhezji pomiędzy masami a podłożami były duże, co skutkowało dobrym przyleganiem mas zarówno do podłoża jak i elementów miedzianych. Podwyższając temperaturę masa kompozytowa zwilżała podłoże coraz lepiej. Obserwacja ta pozwoliła na dobranie optymalnej do procesu wypełniania kanałów temperatury masy kompozytowej na bazie kopolimerów etylenu i octanu winylu (90 ‚ 110°C) oraz opracowanie metodyki przygotowania mas kompozytowych, która ułatwiła przyleganie mas kompozytowych do elementów konstrukcyjnych i uniknięcie powstawania nieciągłości po wyschnięciu. Znaczna ilość ciepła powstająca podczas lutowania elektrod powodowała kurczenie się materiału. Konieczne było zamienienie kolejności operacji lutowania i wypełniania kanałów, tj. przeprowadzenie przylutowania przewodów przed procesem wypełniania kanałów masą kompozytową. Najbardziej optymalną do odlewania warstw ferroelektrycznych jest masa o dużej lepkości rzędu 1000 mPas i szybko odparowującym rozpuszczalniku w początkowej fazie suszenia. Szybkie odparowanie powoduje początkowo duży skurcz materiału kompozytowego, który można uzupełnić pozostałą masą i w ten sposób uniknąć powstawania nieciągłości i pustych przestrzeni. Wnioski Z przeprowadzonych badań wysnuto następujące wnioski:  Opracowano metodę wykonywania powtarzalnych podłoży elementu funkcjonalnego o zaprojektowanej geometrii,  Opracowane składy mas kompozytowych o właściwościach ferroelektrycznych mają potencjał aplikacyjny, ponieważ wykonane z nich cienkie folie ceramiczne charakteryzują się niską wartością tangensa kąta stratności oraz przestrajalnością na poziomie do 25%,  Układ o zaprojektowanej geometrii pozwoli na przeprowadzenie badań mikrofalowych w zakresie 50 – 500GHz dzięki możliwości przyłożenia wyższych napięć niż w przypadku badań cienkich folii ceramicznych.
File
praca mgr BBogdańska.pdf (file archived - login or check accessibility on faculty) praca mgr BBogdańska.pdf 2.72 MB


Back