Введение к работе
Актуальность проблемы.
В настоящее время активно используется весь СВЧ диапазон электромагнитного излучения. Особый интерес вызывает участок от 100 МГц до 4 ГГц, в котором расположены рабочие частоты мобильных телефонов, персональных компьютеров, другой микроволновой аппаратуры бытового и специального назначения. Продвижение в сторону высоких частот позволяет существенно уменьшить геометрические размеры, вес радиоэлементов, добиться уплотнения их расположения, уменьшить энергопотребление и расширить функциональные возможности аппаратуры.
С более глубоким освоением новых диапазонов частот возникает проблема создания для них эффективно действующих радиоматериалов, поскольку материалы, хорошо зарекомендовавшие себя на низких частотах, перестают работать в области высоких частот. Новые радиоматериалы требуются для: разработки элементной базы различных устройств; обеспечения электромагнитной совместимости отдельных узлов аппаратуры и согласования всего приемно-передающего тракта; снижения энергозатрат.
В настоящее время наиболее перспективными являются полимерные композиционные материалы с наноразмерными наполнителями. Среди наполнителей особое место занимают углеродные наноструктуры (графены, фуллере- ны, луковичные структуры, одностенные и многостенные нанотрубки). Продолжаются разработки магнитных композиционных материалов, активной фазой которых являются нанокристаллические оксидные ферримагнетики с гексагональной структурой.
Наличие численных значений комплексных магнитной и диэлектрической проницаемостей материалов в заданной полосе частот позволяет произвести расчет электромагнитного отклика при заданной геометрии и объеме композита или рассчитать оптимальную толщину покрытий по заданным значениям электромагнитных параметров. При этом необходимая информация по- прежнему добывается экспериментальным путем.
Несмотря на активное развитие измерительных средств, диапазон 0,12 ГГц все еще остается «неудобным» для измерений, так как находится на стыке принципиально различающихся методов с распределенными и сосредоточенными параметрами. Применение здесь хорошо зарекомендовавшего себя нерегулярного микрополоскового резонатора (НМПР) наталкивается на определенные трудности при исследовании материалов с большими магнитными потерями. Требуется модернизация этого метода исследования для разрешения указанной проблемы.
Цель диссертационной работы. Выявление функциональной связи между частотными зависимостями комплексных магнитной и диэлектрической проницаемостей композиционных радиоматериалов на основе силикона, порошков гексаферритов с различной кристаллической и магнитной структурой, углеродных наноструктур и концентрациями активной фазы на частотах от 0,1 до 2 ГГц.
Задачи диссертационной работы. Для достижения указанной цели в работе ставятся следующие задачи:
Аналитический обзор литературных источников по современным композиционным радиоматериалам, методам исследования их электромагнитных параметров и практическому применению.
Выбор и освоение методик СВЧ-измерений.
Исследование применимости «метода моментов» для нахождения комплексной магнитной и диэлектрической проницаемостей композиционных радиоматериалов.
Экспериментальное исследование спектров комплексной магнитной и диэлектрической проницаемости композитных радиоматериалов на основе порошков гексаферритов и углеродных наноструктур.
Анализ полученных результатов.
Практическое применение результатов работы.
Методы исследования. В соответствии с поставленными задачами в диссертационной работе используется комплексный подход, сочетающий в себе численные расчеты и экспериментальные методы.
Для исследования измерительных возможностей НМПР проводилось математическое моделирование. Численно моделировались амплитудно- частотные характеристики нерегулярного микрополоскового резонатора при изменении электромагнитных параметров образца, внесенного в резонатор. Использован квазистатический метод. При обработке результатов измерений с использованием НМПР для расчета комплексной магнитной и диэлектрической проницаемости применялись традиционный метод «двух максимумов» [1*] и разработанный нами «метод моментов». При анализе результатов измерений с использованием коаксиальной волноводной линии для расчета электромагнитных характеристик тонких образцов применялись методы теории длинных линий.
Экспериментальное исследование электромагнитных параметров гекса- ферритов и композитов на основе углеродных наноструктур и магнитных материалов проводилось волноводным (коаксиальная измерительная ячейка) и резонаторным (НМПР) методами.
На защиту выносятся следующие положения.
-
-
Метод «двух максимумов» для расчета магнитной проницаемости по результатам измерения характеристик нерегулярного микрополоскового резонатора в многомодовом режиме применим для материалов со значениями тангенса угла магнитных потерь tg5M< 1,05 при значении действительной составляющей комплексной диэлектрической проницаемости є'= 1; tg5M< 1,58 при є'= 30; tg5M< 2,82 при є'= 80.
-
Влияние изменения комплексной диэлектрической проницаемости є* на измеряемые «методом моментов» значения комплексной магнитной проницаемости минимально при расчете действительной части комплексной магнитной проницаемости д' по 2-му и 3-му статистическим моментам резонансных кривых и мнимой части комплексной магнитной проницаемости д'' по 1-му и 4-му моментам.
3. В композиционном радиоматериале со связующим на основе силикона, при содержании углеродных наноразмерных структур равном пяти весовым процентам, на концентрационной зависимости диэлектрической проницаемости в СВЧ диапазоне проявляется порог перколяции.
Достоверность защищаемых положений и других результатов работы.
Достоверность первого и второго научных положений достигается проведением сравнительного численного анализа в области действия двух методов обработки: метода «двух максимумов» и «метода моментов» - с точностью не мене 94,5 %, что меньше суммарной погрешности обоих методов.
Достоверность третьего положения подтверждается экспериментально полученными частотными зависимостями диэлектрической проницаемости композиционных материалов на основе углеродных наноструктур с силиконом и сравнением с теоретическим расчетом, при этом отклонение расчетных значений от экспериментальных не превышает 7%.
Достоверность результатов измерений, полученных волноводным методом с использованием коаксиальной линии, подтверждается совпадением с результатами измерений, полученными резонаторным методом на основе НМПР, в пределах доверительного интервала с доверительной вероятностью 90%. Кроме того, достоверность подтверждена измерением ранее исследованных материалов и сравнением результатов с известными экспериментальными данными [1*, 2*].
Достоверность экспериментальных данных подтверждается использованием поверенного оборудования с аттестованными методиками измерения ЦКП «Центр радиоизмерений ТГУ», аккредитованного на техническую компетентность.
Научная новизна.
-
-
-
Впервые определены границы применимости метода «двух максимумов» для измерения магнитной проницаемости известных магнитодиэлектриков.
-
Впервые определено влияние электромагнитных параметров ц', ц", є', є" материала на четыре первых момента резонансных кривых АЧХ НМПР.
-
Для композиционных материалов на основе силикона и углеродных наноструктур на концентрационной зависимости диэлектрической проницаемости в СВЧ диапазоне обнаружен порог перколяции.
-
Определены концентрационные зависимости комплексной магнитной и диэлектрической проницаемости новых композитов на основе порошков гек- саферритов и углеродных наноструктур с силиконом в качестве связующего.
-
Предложена конструкция защитного экрана на основе гексаферритов и углеродных наноструктур для снижения уровня проникающего электромагнитного излучения.
Научная ценность защищаемых положений и других результатов работы заключается в следующем.
Содержание первого и второго научных положений способствуют расширению функциональных возможностей резонаторного метода измерений на основе нерегулярных микрополосковых резонаторов для случая измерения материалов с большими магнитными потерями.
Третье научное положение дает представление о наличии в композиционном радиоматериале на основе силикона с различным содержанием углеродных наноразмерных структур и порошков гексаферритов на концентрационной зависимости диэлектрической проницаемости в СВЧ диапазоне порога перколяции. Эти данные позволяют предсказать поведение коэффициентов поглощения и отражения в рассматриваемом диапазоне частот. Практическая значимость результатов работы.
Разработан алгоритм и написана программа, позволяющая измерять на НМПР комплексную магнитную и диэлектрическую проницаемость магни- тодиэлектриков «методом моментов», в том числе материалов с большими магнитными потерями.
Полученные результаты позволяют повысить точность измерения «методом моментов» комплексной магнитной проницаемости за счет учета влияния изменения диэлектрической проницаемости материала.
В результате проведенных исследований электромагнитных параметров созданных композиционных материалов на основе углеродных структур и порошка феррита с гексагональной структурой рассчитана конструкция и построен экран, снижающий вредное воздействие сотовых телефонов, с защитой композиционных материалов режимом ноу-хау. Экран представлялся на: международной выставке научно-технических и инновационных разработок «Измерения, мир, человек-2012» (г. Барнаул) в номинации «Измерение, контроль, автоматизация и информатизация в медицине и экологии» проект был удостоен серебряной медали; на первой международной выставке «Радиофизика и электроника. РиЭ-2012» (г. Томск) разработка была удостоена диплома первой степени с вручением памятного знака.
Соискатель - победитель конкурса и Лауреат премии Томской области в сфере образования, науки, здравоохранения и культуры в 2012 г. за высокие достижения в сфере образования и науки, оказывающие эффективное влияние на развитие экономики и социальной сферы Томской области. Практическая значимость работы подтверждена присуждением автору стипендий Правительства Российской Федерации для аспирантов на 2010 - 2011 и на 2011 - 2012 гг. за комплекс научных работ по тематике диссертации.
Внедрение результатов диссертационной работы.
Результаты были использованы при выполнении следующих проектов:
1) «Разработка элементной базы устройств гигагерцового и терагерцового диапазонов на основе квазистатических и квазиоптических подходов» (Открытый конкурс № НК-394П, государственный контракт № П 2126 от 05.11.2009 г.); 2) «Многофункциональная аппаратура гигагерцового и терагерцового диапазонов на принципах квазистатических и квазиоптических подходов» (Гос. контракт № П 24766 от 19.11.2009 г.); 3) «Процессы формирования магнитных характеристик наноразмерных порошков и наноструктурных поликристаллических оксидных ферримагнетиков» (в рамках проекта № 2.1.1/7142); 4) «Разработка физических основ создания методов и средств терагерцовой диагностики фундаментальных характеристик материалов искусственного и природного происхождения» (в рамках проекта № 2.1.1/4513); 5) «Разработка опытного образца защитного экрана для снижения вредного воздействия мобильного телефона» (государственный контракт № 8691р/13125 от 14.01.2011 г. и государственный контракт № 9902р/14260 от 11.01.2012 г.); 6) «Многофункциональная аппаратура гигагерцового и терагерцового диапазонов на принципах нелинейной динамики, квазистатических и квазиоптических подходов». (Гос. контракт № 14.740.11.0335 от 17.09.2010 г.); 7) «Разработка методов и устройств радиоволновой диагностики с применением колебаний миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов» (инвентарный № 474525).
В ходе выполнения диссертационной работы оформлен режим ноу-хау «Технология получения композиционного материала для радиоэлектронных устройств на основе наноуглеродных структур и наноразмерного порошка гексаферрита» (Приказ по ТГУ №414 от 03.09.2012 г.).
Результаты работы внедрены в образовательный процесс РФФ ТГУ.
Апробация работы. Основные защищаемые положения и результаты диссертационной работы были представлены на: Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2007); ежегодных всероссийских научно-технических конференциях молодых ученых и студентов с международным участием «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2007, 2009, 2010, 2012 г.); VI и VIII Международных конференциях студентов и молодых учёных «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 2006, 2009 г.); V Всероссийской конференции молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» (Томск, 2009); «Шестой конференции студенческого научно- исследовательского инкубатора» (Томск, 2010 г.); Международных научно- практических конференциях «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск, 2006, 2008, 2010, 2012 г.); VI Международной конференции студентов и молодых учёных «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 2009); Всероссийской конференции молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» Томск 2009; Пятнадцатой и шестнадцатой Всероссийских научных конференциях студентов-физиков и молодых ученых (Кемерово-Томск, 2009 г. и Волгоград, 2010 г.); XLVIII МНСК-2010 «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2010); Шестой и восьмой Международных молодежных научно-технических конференциях «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций» (Севастополь, 2010, 2012); Всероссийских конференциях с международным участием «Физика окружающей среды» (Томск, 2011, 2012 г.); II Научно-практической конференции «Информационно-измерительная техника и технологии: материалы» (Томск, 2011 г.); Тринадцатой международной научно-технической конференции «Измерения, контроль, информатизация» (Барнаул 2012).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы представлено в 27 публикациях, включая 9 статей в отечественных журналах, входящих в перечень ВАК, 18 работ в материалах и тезисах российских и международных конференций.
Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в изготовлении и настройке перестраиваемого НМПР. Лично автором производилась подготовка композиционных смесей на основе порошков гексаферри- тов и углеродных наноструктур, изготовление образцов соответствующей формы и размеров для измерений в коаксиальной линии и в НМПР.
На современной аппаратуре реализованы два измерительных комплекса. Автором произведена модернизация измерительной установки на основе НМПР с температурным блоком для реализации измерений одновременно на трех модах. Усовершенствован текст программы, вычисляющей статистические моменты резонансных кривых НМПР, проведено моделирование влияния электромагнитных параметров на моменты резонансных кривых. Разработан алгоритм и написан текст программы, вычисляющей комплексную магнитную и диэлектрическую проницаемость материала по измеренным статистическим моментам АЧХ НМПР. Все расчётные и большинство экспериментальных результатов диссертационной работы получены лично автором.
Лично автором разработан и изготовлен защитный экран на основе исследованных композиционных радиоматериалов, снижающий уровень проходящего микроволнового электромагнитного излучения.
Совместно с научным руководителем работы поставлена научная задача, обсуждены и опубликованы основные результаты исследований.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка литературы. Работа содержит: страниц - 123, рисунков - 57, таблиц - 4, приложений - 2. Список литературы - 173 наименований.
Похожие диссертации на Электромагнитные характеристики композитных радиоматериалов на основе порошков гексаферритов и углеродных наноструктур в гигагерцовом диапазоне
-
-
-
