Materiale dielectrice multifunctionale obtinute prin sinterizare asistata de camp electric (descarcare in plasma) pentru dispozitive pasive de microunde


Project Director: Dr. Liviu NEDELCU

Cod proiect: PN-III-P2-2.1-PED-2019-3351

Director de proiect: Liviu NEDELCU

Tip proiect: National

Program: PED

Finantat de: Executive Unit for Financing Higher Education, Research, Development and Innovation (UEFISCDI)

Contractor: National Institute of Materials Physics

Status: finalizat

Data de incepere: 23 October, 2020

Data de finalizare: 21 October, 2022

Rezumat

Obiectivul principal al proiectului este de a exploata versatilitatea tehnicii de sinterizare asistata de camp electric (descarcare in plasma) pentru a obtine solutii solide pe baza de Zr1-xSnxTiO4 (ZST) avand diverse forme geometrice, ale caror proprietati multifunctionale pot pune bazele dezvoltarii unei noi generatii de dispozitive de microunde performante. Chiar daca are multe avantaje, un dezavantaj al metodei SPS este ca poate produce un numar semnificativ de vacante de oxigen in materialele oxidice, acest fenomen conducand la cresterea pierderilor dielectrice. Pentru a diminua vacantele de oxigen, esantioanele sinterizate vor fi supuse unor tratamente termice in atmosfera de aer sau oxigen. In afara de caracterizarile structurale si morfologice obisnuite, vor fi investigate contributiile extrinseci la pierderile dielectrice prin spectroscopie de microunde si spectroscopie de terahertzi in domeniul temporal. In urma analizei ciclului „sinteza - microstructura - proprietati”, se va dezvolta tehnologia adecvata pentru fabricarea materialelor ceramice de tip ZST densificari apropiate de cea teoretica si pierderi dielectrice reduse in domeniul microundelor. Rezultatele preconizate permit obtinerea de materiale cu proprietati multifunctionale, cu un potential avansat in ceea ce priveste eficienta si rentabilitatea dispozitivelor pasive de microunde.

 

Dr. Liviu Nedelcu
Dr. Petre Badica
Dr. Marian Gabriel Banciu
Dr. Monica Enculescu
Dr. Iuliana Pasuk
Dr. Lucian Trupina
Dr. Viorica Stancu
Dr. Cristina Bartha
Dr. Cristina Besleaga
Dr. Mihail Burdusel
Dr. Mihai Grigoroscuta
Eng. Cezar Dragos Geambasu
Teh. Dalma Gaspar

Etapa I (2020) - Obtinerea pulberilor de titanat de zirconiu si staniu.

Rezumatul etapei

Prima etapa a avut ca scop obtinearea prin reactie in faza solida a pulberilor Zr0.8Sn0.2TiO4 (ZST) fara faze secundare. In acest sens s-au facut investigatii prin calorimetrie diferentiala dinamica, termo-gravimetrie si difractie de raze X (XRD) si s-au determinat parametrii optimi de calcinare pe esantioane de test. Toate procesele de dozare, omogenizare, uscare, calcinare si XRD au fost repetate pana s-a obtinut o cantitate totala de 250 g de pulbere ZST fara faze secundare.

Livrabile etapa I 

  • Pulberi ZST fara faze secundare

 

 

Etapa II (2021) - Obtinerea si caracterizarea ceramicilor multifunctionale de tip ZST. Simularea influentei parametrilor dielectrici si a formei asupra caracteristicilor electromagnetice ale antenelor compacte.

Rezumatul etapei

Activitatile de cercetare s-au focalizat atat pe fabricarea si caracterizarea compactelor sinterizate cat si pe simularea influentei parametrilor dielectrici si a formei asupra caracteristicilor electromagnetice ale antenelor de tip resonator dielectric. Provocarea principala a acestei etape a fost fabricarea prin Spark Plasma Sintering (SPS) a materialelor ZST, nedopate, cu densificari mai mari de 99%. Pasul de referinta al activitatilor de cercetare a fost “Obtinerea si caracterizarea ceramicilor ZST cu forma cilindrica”. Pentru a diminua vacantele de oxigen inerente tehnici SPS, esantioanele sinterizate au fost tratate termic in atmosfera de aer sau oxigen. In afara de caracterizarile structurale si morfologice uzuale, spectroscopia de terahertzi in domeniul temporal a fost utilizata pentru evidentierea si reducerea pierderile dielectrice extrinseci. In urma analizei ciclului „sinteza - microstructura - proprietati”, s-au identificat parametrii tehnologici adecvati pentru fabricarea materialelor ceramice de tip ZST cu pierderi dielectrice reduse in domeniul microundelor, densificate la limita densitatii teoretice. Aceste rezultate au constituit punctul de plecare pentru urmatorul pas, anume “Obtinerea ceramicilor ZST cu forma poliedrala”. Prisme ZST regulate cu baze hexagonale si triunghiulare au fost fabricate prin SPS prin repetarea parametrilor tehnologici pentru esantioanele ZST cilindrice. Din punct de vedere structural, morfologic si dielectric, in limita erorilor experimentale, nu s-au evidentiat diferente semnificative intre esantioanele ZST cilindrice si cele poliedrale. Simularile electromagnetice efectuate au identificat mai multe geometrii de antene compacte cu resonator dielectric ZST pentru aplicatii 5G ce pot acoperii intreaga banda N79 (4400 – 5000 MHz).

Livrabile etapa II 

  • Rezonatori dielectrici ZST cilindrici
  • Rezonatori dielectrici ZST poliedrali
  • Caracteristici electromagnetice modelate ale antenelor compacte pe baza de rezonatori dielectrici ZST cu forme variate

 

 

Etapa III (2022) - Realizarea modelului experimental pentru antena compacta 5G cu elemente rezonante din materiale multifunctionale tip ZST.

Rezumatul etapei

Activitatile s-au focalizat atat pe fabricarea si caracterizarea prismelor regulate (baza tringhi si patrat) cat si pe realizarea modelului experimental pentru antena compacta 5G cu elemente rezonante din materiale multifunctionale tip ZST. In acest sens, pulberi fara faze secundare au fost compactate prin SPS in matrite de grafit modificate in forma de prisme regulate cu muchii rotunjite si baza triunghi sau patrat.  Activitatile de simulare electromagnetica au avut ca scop extendirea benzii de functionare concomitent cu reducerea dimensiunilor antenelor. Astfel, prin indentificarea geometriilor adecvate s-a reusit cuplarea eficienta a modurilor adiacente de la frecvente joase, asigurandu-se astfel o reduce a volumului antenelor. Au fost proiectate si fabricate antene compacte cu rezanatori dielectrici ZST cu forme variate si, in urma masurarilor electromagnetice, s-a selectat ca demonstrator antena triunghiulara cu colturi rotunjite ce acopera in mod eficient intreaga banda de frecvența 5G N79 (4400 – 5000 MHz). Tehnologia de fabricare a ceramicilor ZST in matrite de grafit modificate poate fi aplicata industrial pentru a produce rezonatori dielectrici cu alte forme poliedrale in vederea dezvoltarii unei noi generații de dispozitive pasive de microunde.

Livrabile etapa III 

  • Rezonatori dielectrici ZST poliedrali
  • Caracteristici electromagnetice modelate ale antenelor compacte
  • Model exprimental de antena compacta pentru frecvente 5G intermediare

 

Journale ISI

1. L. Nedelcu, M. G. Banciu, C. D. Geambasu, M. Burdusel, M. A. Grigoroscuta, M. Enculescu, P. Badica, Microwave and terahertz properties of spark-plasma-sintered Zr0.8Sn0.2TiO4 ceramics, Materials, vol. 15, 1258, 2022.

2. O. G. Avadanei, M.G. Banciu , L. Nedelcu, M. Avadanei, Asymmetric microstrip line feed multimode cylindrical dielectric resonator antenna, Journal of Optoelectronics and Advanced Materials, vol. 24 (2022), pp. 347-354.

 

Conferinte internationale

1. L. Nedelcu, C. D. Geambasu, M. G. Banciu, M. Burdusel, M. A. Grigoroscuta, P. Badica, Extrinsic and intrinsic losses in Zr0.8Sn0.2TiO4 ceramics investigated by microwave and terahertz  spectroscopy, E-MRS SPRING MEETING 2021, virtual conference, May 31- June 3, 2021.

2. M. G Banciu, C. D. Geambasu, L. Nedelcu, Modes investigation of prismatic dielectric elements for microwave antennas, 44th International Semiconductor Conference (CAS 2021), virtual event, 6-8 October, 2021.

3. L. Nedelcu, M. G. Banciu, C. D. Geambasu, M. Burdusel, M. A. Grigoroscuta, M. Enculescu, P. Badica, Intrinsic losses in microwave dielectrics investigated by THz-TDS: A comparison between conventional and spark plasma sintered Zr0.8Sn0.2TiO4 ceramics, Proceedings of the 47th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz), 28 August 2022 - 02 September 2022, Delft, Netherlands, pp. 1-2. DOI: https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz50927.2022.9895934.

 

Cerere de brevet la OSIM

1. L. Nedelcu, M. G. Banciu, C. D. Geambasu, M. Burdusel, M. A. Grigoroscuta, P. Badica; Antena pentru banda de frecventa 5G N79 cu rezonator dielectric triunghiular fabricat prin sinterizare asistata de camp electric; cerere de brevet nr. A/00663/2022

          Traim intr-o lume interconectata care evolueaza continuu de la Internetul lucrurilor (IoT) la Internetul tuturor lucrurilor (IoE), antenele fiind factorul cheie care au contribuit la progresul retelelor de comunicatii fara fir. In acest context, cererea tot mai mare de conexiuni pe purtatoare de microunde a evidentiat problema spectrului electromagnetic limitat. Prin urmare, utilizarea eficienta a benzilor de frecventa este o necesitate aparută odata cu dezvoltarea infrastructurii de telecomunicatii si aceasta poate fi realizata prin folosirea de dispozitive inovatoare cu performante imbunatatite.

          In cadrul proiectului “Materiale dielectrice multifuncționale obtinute prin sinterizare asistata de camp electric (descarcare in plasma) pentru dispozitive pasive de microunde” au fost fabricati rezonatori dielectrici Zr0.8Sn0.2TiO4 (ZST) cu forme variate, densificari apropiate de cea teoretica si pierderi reduse. Antene compacte cu profil redus si caracteristici electromagnetice imbunatatite pentru sistemele de comunicatii 5G in banda de frecvente N79 (4400 -5000 MHz) au fost realizate din rezonatori poliedrali cu muchii rotunjite.

 

Dr. Liviu Nedelcu

Cercetator stiintific gradul II

Laboratorul de Heterostructuri Complexe si Materiale Multifunctionale

Telefon: +40-(0)21-2418 123

nedelcu@infim.ro


PROJECTS/ PROIECTE NATIONALE


Back to top

Copyright © 2022 National Institute of Materials Physics. All Rights Reserved