Adaptation de l'indice de réfraction de l'impédance

Dec 14, 2023

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 15818 (2022) Citer cet article

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Le contrôle indépendant des propriétés magnétiques et électriques des composites de ferrite en deux et trois parties est démontré par la variation de la taille des particules et de la fraction volumique des inclusions de ferrite. Cela permet de créer des composites à impédance adaptée à large bande avec des valeurs d'indice de réfraction élevées sur mesure. Un composite en deux parties comprenant de la ferrite NiZn dans un hôte diélectrique PTFE avec des valeurs approximativement égales de permittivité réelle relative et de perméabilité jusqu'à 100 MHz est fabriqué. L'indice de réfraction des composites NiZn-PTFE, mesuré à 20 MHz, est de 6,1 pour une fraction volumique de NiZn de 50 % vol. et 6,9 pour une fraction volumique de NiZn de 70 % vol. De même, nous avons caractérisé un composite en trois parties avec un indice de réfraction d'environ 16 à 60 MHz. Le composite en trois parties comprend des ferrites NiZn et MnZn dans une matrice hôte diélectrique en PTFE avec un rapport volumique en pourcentage de 65 % : 15 % : 20 %, respectivement.

Les ferrites souples disponibles dans le commerce ont été largement utilisées dans les systèmes de télécommunications et d'antennes en raison de leur part de perméabilité réelle simultanément élevée et de leur faible perte magnétique dans la gamme de fréquences MHz1. La partie réelle élevée de la perméabilité augmente non seulement l'indice de réfraction des matériaux composites, facilitant ainsi la miniaturisation, mais augmente également l'impédance caractéristique vers le cas d'impédance adaptée de Z \(=1.\). Il est bien connu que la dépendance en fréquence de la perméabilité diminue à des fréquences plus élevées (GHz) en raison de la relaxation des parois du domaine et de la relaxation gyromagnétique : un phénomène décrit par la loi de Snoek2. Depuis la parution de l'article original de Snoek en 1948, de nombreuses études ont étendu ce concept pour l'appliquer aux films magnétiques minces et aux matériaux composites3,4,5. La loi originale ne tient pas compte de la taille ou de la forme des particules magnétiques si la ferrite est réduite en poudre et mélangée à un matériau hôte. La taille et la forme des particules ainsi que la fraction de remplissage du composite résultant offrent des libertés supplémentaires pour régler la dépendance en fréquence de la réponse magnétique. Par exemple, l’anisotropie de forme des inclusions magnétiques peut être augmentée en utilisant des flocons magnétiques, augmentant ainsi la fréquence à laquelle une forte réponse magnétique peut être observée6,7. Les matériaux à géométrie cristalline planaire, tels que les hexafarrites de type M, présentent une anisotropie magnétocristalline accrue, étendant ainsi la plage de fréquences des performances magnétiques8. Bien entendu, ces mêmes degrés de liberté influencent également la réponse diélectrique (permittivité) du composite. Dans cette étude, nous démontrons que la permittivité relative (\(\varepsilon = \varepsilon^{\prime} - i\varepsilon^{\prime\prime}\)) et la perméabilité (\(\mu = \mu^{\prime } - i\mu^{\prime\prime}\)) du composite sont influencés par la taille des particules des inclusions de ferrite. Si les propriétés des particules magnétiques dans les composites sont soigneusement contrôlées, des matériaux à indice de réfraction élevé (\(n=\sqrt{\varepsilon \mu }\)) dont l'impédance est adaptée (\(Z=\sqrt{\mu /\varepsilon }\)) pour libérer de l'espace peut être fabriqué. Ces matériaux à indice de réfraction élevé et à adaptation d'impédance à l'espace libre sont importants pour la miniaturisation des antennes.

Les ferrites NiZn et MnZn sont magnétiquement « douces » en raison de leur faible coercivité magnétique, ce qui signifie qu'elles ne conservent pas leur magnétisme après avoir été soumises à une polarisation magnétique. La formule chimique générale des ferrites spinelles est MFe2O4, où « M » est un métal divalent. La structure cristalline du spinelle, avec un arrangement cubique serré d’ions métalliques entourés d’ions oxygène, conduit à une anisotropie magnétocristalline élevée en raison de l’ordre des spins électroniques9. Les études de l'effet de la taille des particules de ferrite et du pourcentage de charge volumique des composites sur la perméabilité complexe résultante d'un composite à base diélectrique ne sont pas nouvelles. Par exemple, Dosoudil et al.10 ont fabriqué trois ensembles d’échantillons composites, en utilisant des céramiques en poudre de ferrite MnZn et NiZn disponibles dans le commerce dans une matrice de chlorure de polyvinyle (PVC). Dans leur article, ils explorent l'effet de la taille des particules sur la perméabilité, en fixant la charge volumique (65 % vol.) de la poudre de ferrite et le rapport MnZn:NiZn (80 % : 20 %). Une dépendance typique de la loi de Snoek a été observée, caractérisée par un pic de résonance dans la composante imaginaire de la perméabilité, qui se déplace vers des fréquences plus élevées avec l'augmentation de la taille des particules. La partie réelle de la perméabilité relative (\(\mu^{\prime }\)) à 20 MHz est passée d'environ 16 (pour les particules de taille < 40 µm) à environ 20 (pour les particules de taille 80 à 250 µm). L'augmentation de la perméabilité avec l'augmentation de la taille des particules est associée à l'augmentation du nombre de domaines magnétiques au sein des particules de ferrite, et sera discutée plus tard.