インピーダンスの屈折率を調整する

Dec 14, 2023

Scientific Reports volume 12、記事番号: 15818 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

フェライト介在物の粒子サイズと体積分率の変化を通じて、二液型および三液型フェライト複合材料の磁気特性と電気特性を独立して制御できることが実証されています。 これにより、調整された高屈折率値を備えた広帯域インピーダンス整合複合材料を作成するための手段が提供されます。 100 MHz までの比実誘電率と透磁率がほぼ等しい値の PTFE 誘電体ホスト内に NiZn フェライトを含む 2 つの部分からなる複合材料が製造されます。 20 MHz で測定した NiZn-PTFE 複合材料の屈折率は、NiZn 体積分率が 50%vol の場合に 6.1 です。 ７０％ｖｏｌのＮｉＺｎ体積分率では６．９。 同様に、最大 60 MHz までの屈折率が約 16 である 3 つの部分からなる複合材料の特性を評価しました。 この 3 部複合材料は、PTFE 誘電体ホスト マトリックス中に NiZn フェライトと MnZn フェライトをそれぞれ 65%:15%:20% の体積比で含んでいます。

市販のソフト フェライトは、透磁率の実部が高く、MHz 周波数範囲での磁気損失が低いため、通信およびアンテナ システムで広く使用されています1。 透磁率の実部が高いと、複合材料の屈折率が増加して小型化が促進されるだけでなく、Z \(=1.\) のインピーダンス整合の場合に向けて特性インピーダンスも増加します。透磁率の周波数依存性はよく知られています。より高い（GHz）周波数では、磁壁緩和と磁気回転緩和により減少します。この現象は、Snoek の法則 2 で説明されます。 Snoek の元の論文が 1948 年に発表されて以来、この概念を磁性薄膜や複合材料に適用するために拡張する多くの研究が行われてきました 3、4、5。 元の法則では、フェライトが粉末で母材と混合される場合、磁性粒子のサイズや形状は考慮されていません。 粒子のサイズと形状、および得られる複合材料の充填率により、磁気応答の周波数依存性を調整するための追加の自由が提供されます。 たとえば、磁性フレークを使用することで磁性介在物の形状異方性を高めることができ、強い磁気応答が観察される周波数が増加します6、7。 M 型ヘキサファライトなどの平面結晶構造を持つ材料は、磁気結晶異方性を高め、磁気性能の周波数範囲を拡張します 8。もちろん、これらの同じ自由度は、複合材料の誘電率 (誘電率) 応答にも影響します。 この研究では、比誘電率 (\(\varepsilon = \varepsilon^{\prime} - i\varepsilon^{\prime\prime}\)) と透磁率 (\(\mu = \mu^{\prime) } - 複合材料の i\mu^{\prime\prime}\)) は、フェライト介在物の粒子サイズの影響を受けます。 複合材料中の磁性粒子の特性が慎重に制御されている場合、インピーダンスが整合した (\(Z=\sqrt{\mu /\varepsilon) 屈折率 (\(n=\sqrt{\varepsilon \mu }\)) の材料が得られます。 }\)) の空き領域を製造できます。 高い屈折率と自由空間へのインピーダンス整合を備えたこれらの材料は、アンテナの小型化にとって重要です。

NiZn および MnZn フェライトは保磁力が低いため磁気的に「柔らかく」、磁気バイアスを受けた後でも磁性を保持しません。 スピネル フェライトの一般的な化学式は MFe2O4 で、「M」は 2 価の金属です。 酸素イオンに囲まれた金属イオンの立方最密配置を有するスピネル結晶構造は、電子スピンの秩序化により高い磁気結晶異方性をもたらします9。 誘電体ベースの複合材料の複素透磁率に及ぼすフェライト粒子サイズと複合材料の体積負荷率の影響に関する研究は新しいものではありません。 例えば、Dosoudil et al.10 は、ポリ塩化ビニル (PVC) マトリックス中に市販の MnZn および NiZn フェライト粉末セラミックを使用して、3 セットの複合サンプルを製造しました。 彼らの論文では、フェライト粉末の体積充填量 (65% vol.) と MnZn:NiZn 比 (80%:20%) を固定して、粒径が浸透率に及ぼす影響を調査しています。 典型的なスヌークの法則の依存性が観察され、透磁率の虚数成分の共鳴ピークを特徴とし、粒子サイズが大きくなるにつれてより高い周波数にシフトします。 20 MHz での相対透磁率の実部 (\(\mu^{\prime }\)) は、約 16 (サイズ 40 μm 未満の粒子の場合) から約 20 (サイズ 80 ～ 250 μm の粒子の場合) に増加しました。 粒子サイズの増加に伴う透磁率の増加は、フェライト粒子内の磁区数の増加に関連しており、これについては後で説明します。