DE202022103232U1

DE202022103232U1 - Ein System zur Synthese von dielektrischen keramischen Nanopartikeln für Mikrostreifen-Patch-Antennen

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Publication number: DE202022103232U1
Application number: DE202022103232.7U
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Priority date: 2022-06-08
Filing date: 2022-06-08
Publication date: 2022-11-05
Anticipated expiration: 2032-06-09

Abstract

System (100) zur Synthese von dielektrischen keramischen Nanopartikeln für eine Mikrostreifen-Patch-Antenne, wobei das System (100) umfasst:
eine Vielzahl von Behältern (102) zur Durchführung der Lösungsgelsynthese der dielektrischen keramischen Nanopartikel, wobei ein erster Behälter (102a) die Synthese von Titandioxid-Nanopartikeln durchführt, wobei der zweite Behälter (102b) die Synthese der dielektrischen keramischen Nanopartikel (ZnAl₂O₄TiO₂) aus den synthetisierten Titandioxid-Nanopartikeln durchführt;
eine Trocknungskammer (104) in Verbindung mit der Vielzahl von Behältern (102) zum Trocknen der vorbereiteten dielektrischen keramischen Nanopartikel für ein definiertes Zeitintervall bei 150-200 °C;
eine Kalzinierungskammer (106) in Verbindung mit der Trockenkammer (104) zum Kalzinieren der getrockneten Nanopartikel bei 500-1000 °C für etwa eine Stunde;
eine Mahlkammer (108) in Verbindung mit der Kalzinierungskammer (106) zum Mahlen der kalzinierten Nanopartikel, um ein kalziniertes feines Pulver zu erhalten; und
eine Pellet-Pressmaschine (110) in Verbindung mit der Mahlkammer (108) zum Bilden von Pellets der dielektrischen keramischen Nanopartikel aus dem gemahlenen Pulver nach dem Pressen durch die Pressmaschine (110).

Description

BEREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gebiet der Antennen. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Gebiet der Mikrostreifen-Patch-Antenne und ein System zur Synthese von dielektrischen keramischen Nanopartikeln für die gleiche.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Dielektrische Mikrowellenkeramik wird in ultraschnellen drahtlosen Netzen und intelligenten Übertragungssystemen im Millimeterwellenbereich in großem Umfang eingesetzt. Das in der Millimeterwellentechnologie verwendete Dielektrikum/Keramik muss einen ausgezeichneten Qualitätsfaktor, eine geeignete Dielektrizitätskonstante und eine kleine Resonanzfrequenz bei einem Temperaturkoeffizienten von nahezu Null aufweisen. In den letzten Jahrzehnten wurde die drahtlose Kommunikation auf Mikrowellenbasis durch den Einsatz dielektrischer/keramischer Materialien zur Miniaturisierung von Antennen mit kostengünstiger Herstellung revolutioniert.
Die Anpassung der Dielektrizitätskonstante der Materialien führte zu deren einzigartigen elektrischen Eigenschaften, was sich als vielversprechend für die Miniaturisierung der Antenne erwies. Aufgrund der jüngsten Fortschritte in der drahtlosen Kommunikation wurden einfache, langlebige, kostengünstige, leichte und flache Patch-Antennen gefordert. Aufgrund der relativ niedrigen Impedanz von Microstrip-Patch-Antennen ist ihre Verwendung in elektronischen Geräten jedoch begrenzt.
Es gibt zahlreiche Techniken zur Erhöhung der Bandbreite von Mikrostreifen-Patch-Antennen, darunter dicke Substrate, parasitäre Patches usw. Mikrowellengesteuerte Geräte wie Mikrostreifen-Patch-Antennen sind für automatisierte Hochgeschwindigkeitsfahrzeuge von entscheidender Bedeutung. In den letzten Jahren wurde ein erhebliches Interesse an einer neuen Art von Mikrostreifen-Patch-Antennen festgestellt. Diese Antennen mit niedrigem Profil sind kostengünstig, leicht und einfach in der Verarbeitung, und sie sind in verschiedenen Anwendungen, einschließlich Verteidigungs- und Verbraucherprodukten, sehr gefragt. Darüber hinaus können sie in verschiedenen drahtlosen Kommunikationsbändern betrieben werden, z. B. in drahtlosen lokalen Netzwerken, Wireless Fidelity und der weltweiten Interoperabilität für Mikrowellenzugang. Darüber hinaus wurden umfangreiche Forschungsarbeiten zur Gestaltung der verschiedenen Formen von Mikrostreifen-Patch-Antennen und deren Auswirkungen auf die Antennenabmessungen, die bei der Antennenherstellung verwendeten Materialien und die entsprechenden Leistungen durchgeführt.
Eine von Kumar et al. durchgeführte Studie ergab, dass keramische Materialien, die (leitende) Metalloxide enthalten, die strukturellen, morphologischen und elektrischen Eigenschaften von ZnAl₂O₄ verbessern. Ebenso berichteten verschiedene Forscher über die Verwendung von dotiertem ZnAl₂O₄ in einer Reihe von optischen und katalytischen Anwendungen, darunter
Zn(1-x)MnxAl₂O₄, Sr(II): ZnAl₂O₄, ZnAl₂O₄:Eu³⁺ and ZnAl₂O₄:TR (TR= Eu^3+, Tb³⁺).
Tirumanathan et al. berichteten über die Untersuchung der Bildung von Bismuttitanat-Nanopartikeln durch den Verbrennungsprozess. Sie untersuchten die dielektrischen Eigenschaften der vorbereiteten Nanopartikel und stellten die Patch-Antenne her. Sie beobachteten eine Dielektrizitätskonstante von 450, einen dielektrischen Verlust von 0.98 und eine Rückflussdämpfung der Antenne von -4.95 dB bei einer Resonanzfrequenz von 2.45 GHz.
In einer anderen Arbeit untersuchten Rahman et al. die Eigenschaften einer Patch-Antenne unter Verwendung von Sol-Gel-Nanopartikeln aus Gahnit (ZnAl₂O₄). Die erhaltene Dielektrizitätskonstante, die optische Bandlücke und der Qualitätsfaktor betrugen 8.7, 4.08 eV bzw. 4592. Die hergestellte Mikrostreifenantenne zeigte eine Rückflussdämpfung von -25.4 dB bei der Resonanzfrequenz von 12.78 GHz mit einer Bandbreite von 760 MHz und 8.1 GHz im Nieder- bzw. Hochfrequenzband.
Abdullah et al. untersuchten die Leistung einer Patch-Antenne auf der Grundlage von magnesiumdotierten ZnAl₂O₄-Keramik-Nanopartikeln. Sie variierten die Konzentration der Magnesiumdotierung und ermittelten die Kristallitgröße, den Gitterparameter, die Dielektrizitätskonstante, die Rückflussdämpfung und die Bandbreite in einem Bereich von 19.2 bis 12.9 nm, 8.082 bis 8.048, -16.34 bis -21.38 dB bzw. 90 bis 225 MHz. Sie fertigten die GPS-Patch-Antenne und stellten ihre Resonanzfrequenz bei 1.570 GHz fest.
US6946995B2 offenbart eine Mikrostreifen-Patch-Antenne unter Verwendung eines dielektrischen Superstrats, die Folgendes umfasst: eine untere Patch-Antennenschicht mit einer dielektrischen Schicht und einer Masseebene zum Abstrahlen von Energie durch Erregung von Strom durch eine Zuleitung; eine obere Patch-Antennenschicht mit einem dielektrischen Film, der durch das untere strahlende Patch elektromagnetisch gekoppelt ist; eine Schaumstoffschicht zum Beabstanden der oberen Patch-Antennenschicht von der unteren Patch-Antennenschicht; und ein dielektrisches Superstrat, das in einem vorbestimmten Abstand von der oberen Patch-Antennenschicht angeordnet ist.
Um den Gewinn zu erhöhen und die Verluste und Kosten zu reduzieren, ist es daher notwendig, eine Mikrostreifenantenne mit einem geeigneten dielektrischen Material herzustellen.
Der technische Fortschritt, der durch die vorliegende Erfindung offenbart wird, überwindet die Einschränkungen und Nachteile bestehender und konventioneller Systeme und Methoden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein System zur Synthese von dielektrischen keramischen Nanopartikeln für Mikrostreifen-Patch-Antennen.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Herstellung einer Mikrostreifenantenne unter Verwendung von dielektrischen keramischen ZnAl₂O₄TiO₂-Nanopartikeln;
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein kostengünstiges und einfaches Verfahren zur Herstellung der Antenne bereitzustellen, und
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine erhöhte Dielektrizitätskonstante und einen verringerten dielektrischen Verlust bereitzustellen.
In einer Ausführungsform ein System zur Synthese von dielektrischen keramischen Nanopartikeln für eine Mikrostreifen-Patch-Antenne, wobei das System Folgendes umfasst: eine Vielzahl von Behältern zum Durchführen der Lösungsgelsynthese der dielektrischen keramischen Nanopartikel, wobei ein erster Behälter die Synthese von Titandioxid-Nanopartikeln durchführt, wobei der zweite Behälter die Synthese der dielektrischen keramischen Nanopartikel (ZnAl₂O₄TiO₂) aus den synthetisierten Titandioxid-Nanopartikeln durchführt; eine Trocknungskammer in Verbindung mit der Vielzahl von Behältern zum Trocknen der hergestellten dielektrischen keramischen Nanopartikel für ein definiertes Zeitintervall bei 150-200 °C; eine Kalzinierungskammer in Verbindung mit der Trocknungskammer zum Kalzinieren der getrockneten Nanopartikel bei 500-1000 °C für etwa eine Stunde; eine Mahlkammer in Verbindung mit der Kalzinierungskammer zum Mahlen der kalzinierten Nanopartikel, um ein kalziniertes feines Pulver zu erhalten; und eine Pellet-Pressmaschine in Verbindung mit der Mahlkammer zum Bilden von Pellets aus den dielektrischen keramischen Nanopartikeln aus dem gemahlenen Pulver nach dem Pressen durch die Pressmaschine.
In einer Ausführungsform umfasst die Synthese von Titandioxid-Nanopartikeln die Zugabe von 2-6 ml Titan(IV)isopropoxid (TTIP) zu 3-8 ml destilliertem Wasser (H₂O) und 60-90 ml Ethanol.
In einer Ausführungsform umfasst die Synthese von dielektrischen keramischen ZnAl₂O₄TiO₂-Nanopartikeln im zweiten Behälter die Zugabe von 5-7 g Zinkacetat (CH₃COO)₂Zn₂H₂O, 12-16 g Aluminiumnitrat-Nonahydrat (Al₂(NO₃)₃.9H₂O), 30-50 ml Ethanol, 0.2-0.6 ml Ethylenglykol und Salpetersäure (HNO3) zu 0.32 g der hergestellten Titandioxid-Nanopartikel.
In einer Ausführungsform wird das TTIP während der Synthese von Titandioxid-Nanopartikeln im ersten Behälter etwa 3-5 Stunden lang bei etwa 80-90 °C gerührt.
In einer Ausführungsform führt die Kalzinierungskammer eine Kalzinierung durch, um ein weißes polykristallines Pulver herzustellen.
In einer Ausführungsform werden die keramischen Nanopartikel in der zweiten Kammer als homogene Lösung erhalten und bei einer Temperatur von 70-80 °C etwa 1 Stunde lang gerührt, bis sich eine klare Lösung bildet.
In einer Ausführungsform trocknet die Trockenkammer das vorbereitete Pellet 1 Stunde lang bei einer Temperatur von 650-750 °C.
In einer Ausführungsform werden die vorbereiteten Pellets mit einer Silberpaste beschichtet, um die dielektrischen Eigenschaften der keramischen Nanopartikel zu analysieren.
In einer Ausführungsform ein Herstellungsmodul zur Herstellung einer Mikrostreifen-Patch-Antenne aus den vorbereiteten keramischen dielektrischen ZnAl₂O₄TiO₂ -Nanopartikeln, wobei eine Paste aus den vorbereiteten ZnAl₂O₄TiO₂ -Nanopartikeln gebildet wird, die auf ein mit Fluor dotiertes Zinnoxid (FTO) Substrat gegossen wird, um eine mechanische Unterstützung zu bieten, und dann auf beiden Seiten mit einer Silberschicht beschichtet wird.
Um die Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung weiter zu verdeutlichen, wird eine genauere Beschreibung der Erfindung durch Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen davon, die in den beigefügten Figuren dargestellt ist, gemacht werden. Es wird davon ausgegangen, dass diese Figuren nur typische Ausführungsformen der Erfindung darstellen und daher nicht als Einschränkung ihres Umfangs zu betrachten sind. Die Erfindung wird mit zusätzlicher Spezifität und Detail mit den beigefügten Figuren beschrieben und erklärt werden
Figurenliste
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Figuren gelesen wird, in denen gleiche Zeichen gleiche Teile in den Figuren darstellen, wobei:

1 ein System zur Synthese von dielektrischen keramischen Nanopartikeln für eine Mikrostreifen-Patch-Antenne zeigt,
2 eine grafische Darstellung des XRD-Musters von dielektrischen keramischen Nanopartikeln aus ZnAl₂O₄TiO₂ zeigt,
3 eine grafische Darstellung der Raman-Spektren von dielektrischen keramischen Nanopartikeln aus ZnAl2O4TiO2 zeigt,
4 eine grafische Darstellung des Histogramms (a)
5 eine grafische Darstellung der Veränderung der Dielektrizitätskonstante in Abhängigkeit von der Frequenz zeigt,
6 eine grafische Darstellung des dielektrischen Verlusts der Nanokomposit-Keramikprobe als Funktion der Frequenz zeigt,
7 und 8 eine grafische Darstellung der Impedanzveränderung (Realteil) bzw. (Imaginärteil) der dielektrischen Keramik-Nanopartikel zeigen,
9 eine grafische Darstellung der Leitfähigkeit der dielektrischen keramischen Nanopartikel zeigt, und
10 eine grafische Darstellung der Rückflussdämpfung einer Mikrostreifen-Patch-Antenne auf der Grundlage von ZnAl₂O₄TiO₂-Nanopartikeln zeigt.

Der Fachmann wird verstehen, dass die Elemente in den Figuren der Einfachheit halber dargestellt sind und nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet wurden. Die Flussdiagramme veranschaulichen beispielsweise das Verfahren anhand der wichtigsten Schritte, um das Verständnis der Aspekte der vorliegenden Offenbarung zu verbessern. Darüber hinaus können eine oder mehrere Komponenten des Systems in den Figuren durch herkömmliche Symbole dargestellt sein, und die Figuren zeigen nur die spezifischen Details, die für das Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung von Bedeutung sind, um die Figuren nicht mit Details zu überfrachten, die für Fachleute, die mit der vorliegenden Beschreibung vertraut sind, leicht erkennbar sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Um das Verständnis der Erfindung zu fördern, wird nun auf die in den Figuren dargestellte Ausführungsform Bezug genommen und diese mit bestimmten Worten beschrieben. Es versteht sich jedoch von selbst, dass damit keine Einschränkung des Umfangs der Erfindung beabsichtigt ist, wobei solche Änderungen und weitere Modifikationen des dargestellten Systems und solche weiteren Anwendungen der darin dargestellten Grundsätze der Erfindung in Betracht gezogen werden, wie sie einem Fachmann auf dem Gebiet der Erfindung normalerweise einfallen würden.
Der Fachmann wird verstehen, dass die vorstehende allgemeine Beschreibung und die folgende ausführliche Beschreibung beispielhaft und erläuternd für die Erfindung sind und diese nicht einschränken sollen.
Wenn in dieser Beschreibung von „einem Aspekt“, „einem anderen Aspekt“ oder ähnlichem die Rede ist, bedeutet dies, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder eine bestimmte Eigenschaft, die im Zusammenhang mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten ist. Daher können sich die Ausdrücke „in einer Ausführungsform“, „in einer anderen Ausführungsform“ und ähnliche Ausdrücke in dieser Beschreibung alle auf dieselbe Ausführungsform beziehen, müssen es aber nicht.
Die Ausdrücke „umfasst“, „enthaltend“ oder andere Variationen davon sollen eine nicht ausschließliche Einbeziehung abdecken, so dass ein Verfahren oder eine Methode, die eine Liste von Schritten umfasst, nicht nur diese Schritte einschließt, sondern auch andere Schritte enthalten kann, die nicht ausdrücklich aufgeführt sind oder zu einem solchen Verfahren oder einer solchen Methode gehören. Ebenso schließen eine oder mehrere Vorrichtungen oder Teilsysteme oder Elemente oder Strukturen oder Komponenten, die mit „umfasst...a“ eingeleitet werden, ohne weitere Einschränkungen die Existenz anderer Vorrichtungen oder anderer Teilsysteme oder anderer Elemente oder anderer Strukturen oder anderer Komponenten oder zusätzlicher Vorrichtungen oder zusätzlicher Teilsysteme oder zusätzlicher Elemente oder zusätzlicher Strukturen oder zusätzlicher Komponenten nicht aus. Sofern nicht anders definiert, haben alle hierin verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, wie sie von einem Fachmann auf dem Gebiet, zu dem diese Erfindung gehört, gemeinhin verstanden wird. Das System, die Methoden und die Beispiele, die hierin beschrieben werden, dienen nur der Veranschaulichung und sind nicht als Einschränkung gedacht.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren im Detail beschrieben.
1 zeigt ein System (100) zur Synthese dielektrischer keramischer Nanopartikel für eine Mikrostreifen-Patch-Antenne, wobei das System (100) Folgendes umfasst: eine Vielzahl von Behältern (102), einen ersten Behälter (102a), einen zweiten Behälter (102b), eine Trockenkammer (104), eine Kalzinierungskammer (106), eine Mahlkammer (108), eine Pellet-Pressmaschine (110) und eine Herstellungskammer (112).
Die Vielzahl von Behältern (102) zur Durchführung der Lösungsgelsynthese der dielektrischen keramischen Nanopartikel, wobei ein erster Behälter (102a) die Synthese von Titandioxid-Nanopartikeln durchführt, wobei der zweite Behälter (102b) die Synthese der dielektrischen keramischen Nanopartikel (ZnAl_zO₄TiO₂) aus den synthetisierten Titandioxid-Nanopartikeln durchführt. Die Synthese von Titandioxid-Nanopartikeln umfasst die Zugabe von 2-6 ml Titan(IV)-Isopropoxid (TTIP) zu 3-8 ml destilliertem Wasser (H₂O) und 60-90 ml Ethanol. Die Synthese der dielektrischen Nanopartikel im zweiten Behälter (102b) umfasst die Zugabe von 5-7 g Zinkacetat (CH₃COO)₂Zn₂H₂O, 12-16 g Aluminiumnitrat-Nonahydrat (Al2(NO3)3.9H2O), 30-50 ml Ethanol, 0.2-0.6 ml Ethylenglykol und Salpetersäure (HNO₃) zu 0.32 g der hergestellten Titandioxid-Nanopartikel. Die Titandioxid-Nanopartikel werden während der Synthese im ersten Behälter (102a), dem TTIP, etwa 3-5 Stunden lang bei ca. 80-90 °C gerührt. In der zweiten Kammer (102b) werden die keramischen Nanopartikel als homogene Lösung erhalten und bei einer Temperatur von 70-80 °C etwa 1 Stunde lang gerührt, bis sich eine klare Lösung bildet.
Die Trocknungskammer (104) ist mit der Vielzahl von Behältern (102) verbunden, um die vorbereiteten dielektrischen keramischen Nanopartikel während eines bestimmten Zeitintervalls bei 150-200 °C zu trocknen. Die Trockenkammer (104) trocknet das vorbereitete Pellet bei einer Temperatur von 650-750 °C für 1 Stunde.
Die Kalzinierungskammer (106) in Verbindung mit der Trockenkammer (104) zum Kalzinieren der getrockneten Nanopartikel bei 500-1000 oC für etwa eine Stunde. Die Kalzinierungskammer (106) führt die Kalzinierung durch, um ein weißes polykristallines Pulver herzustellen.
Die Mahlkammer (108) in Verbindung mit der Kalzinierungskammer (106) zum Mahlen der kalzinierten Nanopartikel, um ein kalziniertes feines Pulver zu erhalten.
Die Pellet-Pressmaschine (110) in Verbindung mit der Mahlkammer (108) zur Bildung von Pellets aus den dielektrischen keramischen Nanopartikeln aus dem gemahlenen Pulver nach dem Pressen durch die Pressmaschine (110). Die vorbereiteten Pellets werden mit einer Silberpaste beschichtet, um die dielektrischen Eigenschaften der keramischen Nanopartikel zu analysieren.
Das Herstellungsmodul (112) zur Herstellung einer Mikrostreifen-Patch-Antenne aus den vorbereiteten keramischen dielektrischen ZnAl₂O₄TiO₂-Nanopartikeln, wobei eine Paste aus den vorbereiteten ZnAl₂O₄Ti₂-Nanopartikeln gebildet wird, die auf ein Fluor-dotiertes Zinnoxid (FTO)-Substrat gegossen wird, um eine mechanische Unterstützung zu bieten, und dann auf beiden Seiten mit einer Silberschicht beschichtet wird.
Die vorbereitete Probe wird mit einem Röntgendiffraktometer (XRD), Raman-Spektroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS) und einem LCR-Meter charakterisiert. Der hergestellte Prototyp einer Mikrostreifen-Patch-Antenne auf der Basis von Verbund-Nanopartikeln wird mit dem Vector Network Analyzer getestet.
2 zeigt eine grafische Darstellung des XRD-Musters von dielektrischen keramischen Nanopartikeln aus ZnAl₂O₄TiO₂. Die Röntgendiffraktionsuntersuchung (XRD) ist vorteilhaft für die Bestimmung der kristallinen Phasen der Nanomaterialien. Das XRD-Muster zeigt die verschiedenen Peaks der ZnAl₂O₄-Kristallstruktur, die der typischen kubisch-flächenzentrierten Morphologie entspricht. Die Bildung der kristallinen Struktur von Titandioxid (TiO₂) wird mit seinen Anatas- und Rutilphasen und der Wurtzitstruktur von ZnO diskutiert. Darüber hinaus werden in der Verbundprobe aus ZnAl₂O₄TiO₂ die zusätzlichen Peaks von TiO₂ erhalten. Darüber hinaus sind die Peakpositionen mit zunehmendem Wert der TiO₂-Konzentration leicht verschoben. Mit anderen Worten, die Abmessung der Einheitszelle wird mit der erhöhten Kristallinität kleiner. Die Kristallitgröße wird mit Hilfe der Scherrer-Formel auf 13.3 nm geschätzt (d=0.94λ/((β cos [θ)])), wobei λ die Röntgenwellenlänge und β die Halbwertsbreite der Intensität der Beugungslinie ist).
3 zeigt eine grafische Darstellung der Raman-Spektren von ZnAl₂O₄TiO₂-Nanopartikein aus dielektrischer Keramik. Die Raman-Spektren von ZnAl₂O₄TiO₂-Nanopartikeln wurden bei einer Temperatur von 700 °C gesintert. Verschiedene Peaks der vorbereiteten Probe, die durch den ZnAl₂O₄-, ZnO- und TiO₂-Gehalt entstanden sind. Die beiden Raman-Peaks bei 395 cm-1 und 519 cm-1, die den Modi B1g bzw. A1g/B1g zugeordnet sind, zeigen den Eindruck von Anatas-TiO₂. Ein weiterer Peak bei 439 cm-1, der als hohe E2-Schwingungsform bekannt ist, wird mit Sauerstoffatomen in Verbindung gebracht und den ZnTiO₃-Nanokristallen zugeordnet. Ein breiter Peak bei 618 cm-1 steht für das thermodynamisch stabile Rutil-TiO₂ und bezieht sich auf die Raumgruppe D4h, wenn man die Ortssymmetrien für die Ti- und O-Atome innerhalb der Einheitszelle annimmt.
TEM-Messungen wurden durchgeführt, um die Morphologie der dielektrischen keramischen Nanopartikel zu bestimmen. Die gute Ausbeute an ZnAl₂O₄TiO₂-Nanopartikeln wurde bei einer Größe von 200 nm festgestellt. Die gut dispergierten Nanopartikel mit sehr geringer Agglomeration wurden im Maßstab von 50 nm gemessen. Die berechneten Abstände zwischen den Partikeln betrugen 0.130, 0.145 und 0.167 nm, was der Refektion entspricht. Das Muster der Elektronenbeugung mit ausgewählter Fläche (SAED) zeigt das Auftreten von festen Ringen, die die polykristalline Natur der Nanopartikel darstellen.
4 zeigt eine grafische Darstellung des Histogramms (a)
5 zeigt eine grafische Darstellung der Veränderung der dielektrischen Permittivität in Abhängigkeit von der Frequenz. Je höher die Frequenz, desto geringer die Dielektrizitätskonstante. Die Dielektrizitätskonstante variiert von 22.12 bis 21.63 bei einem erhöhten Frequenzbereich von 100 kHz bis 1 MHz.
Im unteren Frequenzbereich ist eine abrupte Abnahme der Dielektrizitätskonstante zu beobachten, die im oberen Frequenzbereich konstant bleibt. Diese typische Eigenschaft solcher Materialien wird auf die reduzierte Polarisation zurückgeführt. Der dielektrische Verlust (tanδ) ist ein wichtiger Parameter, der die Energiedissipation darstellt. Der dielektrische Verlust ist auch ein Indikator für Gefügefehler, z. B. Gefügefehler, Porosität, Mikrokratzer, spontane Kristallitorientierung usw.
6 zeigt eine grafische Darstellung des dielektrischen Verlusts der Nanokomposit-Keramikprobe als Funktion der Frequenz.
Der dielektrische Verlust sinkt von 0.056 auf 0.041 bei einer Erhöhung des Frequenzbereichs von 100 kHz auf 1 MHz. Im Allgemeinen kann man beobachten, dass der dielektrische Verlust mit steigender Frequenz abnimmt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die hüpfenden Ionen dem angelegten elektrischen Feld hinterherlaufen. Im unteren Frequenzbereich ist ein erhöhter dielektrischer Verlust zu beobachten, der im oberen Frequenzbereich weiter abnimmt. Dies hängt im ersten Fall mit dem hohen spezifischen Widerstand zusammen, der sich aus dem damit verbundenen Effekt der Korngrenzen ergibt.
7 und 8 zeigen eine grafische Darstellung der Impedanzveränderung (Realteil) bzw. (Imaginärteil) der dielektrischen Keramik-Nanopartikel. Es ist eine Abnahme der realen Impedanz von 3.28 kΩ auf 467 Ω mit steigender Frequenz zu beobachten. In ähnlicher Weise wird derselbe Trend eines Anstiegs der imaginären Impedanzwerte von -59 auf -10 kΩ mit der Erhöhung der Frequenz von 100 kHz auf 1 MHz festgestellt. Der Z'-Wert schwankt mit der Temperatur und verbindet sich im höheren Frequenzbereich.
9 zeigt eine grafische Darstellung der Leitfähigkeit der dielektrischen Keramik-Nanopartikel. Die Untersuchung der Leitfähigkeit als Funktion der Frequenz bezieht sich auf den Prozess des Ladungstransports. Die Wechselstromleitfähigkeit wird anhand der Beziehung σ_ac = ωεε₀ tan δ, tanδ geschätzt, wobei ε_o- die dielektrische Dielektrizitätskonstante des freien Raums, ε die dielektrische Dielektrizitätskonstante, ω die Kreisfrequenz und tanδ der Tangensverlust ist. Die Leitfähigkeit nimmt mit steigender Frequenz von 2.2×10^-5 auf 9.8×10^-5 zu. Dieser steigende Trend der Leitfähigkeit im unteren Frequenzbereich kann auf Raumladungen zurückgeführt werden, die Kationen über benachbarte Stellen streuen.
Die vorbereiteten keramischen dielektrischen ZnAl₂O₄TiO₂-Nanopartikel wurden für die Herstellung einer Patch-Antenne verwendet. Zunächst wurde eine Paste aus diesen Nanopartikeln hergestellt, die auf das FTO-Substrat gegossen und dann auf beiden Seiten für die Metallkontakte versilbert wurde. Schließlich wurde der SMA-Stecker angeschlossen, und die Antennenleistung wurde mit einem Vektor-Netzwerkanalysator bewertet.
10 zeigt eine grafische Darstellung der Rückflussdämpfung der Mikrostreifen-Patch-Antenne auf der Grundlage von ZnAl₂O₄TiO₂-Nanopartikeln. Der hergestellte Prototyp der Mikrostreifen-Patch-Antenne hat eine Länge und Breite von 25 mm bzw. 15 mm. Die Rückflussdämpfung wurde im Bereich von 4 bis 6 GHz gemessen. Die hergestellte Antenne erreichte den geforderten Mindestwert der Rückflussdämpfung, d.h. -10 dB. Der Prototyp der Microstrip-Patch-Antenne hat eine Resonanzfrequenz von 4.85 GHz und eine Rückflussdämpfung von -30.72 dB bei einer Bandbreite von 830 MHz.
Die dielektrischen keramischen ZnAl₂O₄TiO₂-Nanopartikel wurden mit einer kostengünstigen und einfachen Technik hergestellt. Die synthetisierten Nanopartikel waren kristallin und hatten eine Kristallitgröße von 13.3 nm. Die Raman-Studie zeigte die entsprechende Raman-Verschiebung der in den zusammengesetzten Nanopartikeln enthaltenen Elemente. Die morphologische Untersuchung der Nanopartikel bestätigte die Bildung von kugelförmigen Körnern mit einem mittleren Durchmesser von 14.75 nm. Die Kristallinität der vorbereiteten Probe, die anhand des SAED-Musters untersucht wurde, stimmte mit dem XRD-Ergebnis überein. Die Mikrostreifen-Patch-Antenne wies eine Rückflussdämpfung von -30.72 dB bei einer Resonanzfrequenz von 4.85 GHz und einer Bandbreite von 830 MHz auf. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Prototyp einer Mikrostreifen-Patch-Antenne seine Resonanzfrequenz im C-Band-Bereich zwischen 4 und 8 GHz aufweist. Daher eignet sich dieses Material für Satellitenkommunikation, Wetterradarsysteme, terrestrische Mikrowellenverbindungen und 802.11-Versionen von Wifi-Geräten.
Die Figuren und die vorangehende Beschreibung geben Beispiele für Ausführungsformen. Der Fachmann wird verstehen, dass eines oder mehrere der beschriebenen Elemente durchaus zu einem einzigen Funktionselement kombiniert werden können. Alternativ dazu können bestimmte Elemente in mehrere Funktionselemente aufgeteilt werden. Elemente aus einer Ausführungsform können einer anderen Ausführungsform hinzugefügt werden. So kann beispielsweise die Reihenfolge der hier beschriebenen Prozesse geändert werden und ist nicht auf die hier beschriebene Weise beschränkt. Darüber hinaus müssen die Aktionen eines Flussdiagramms nicht in der gezeigten Reihenfolge ausgeführt werden; auch müssen nicht unbedingt alle Aktionen durchgeführt werden. Auch können diejenigen Handlungen, die nicht von anderen Handlungen abhängig sind, parallel zu den anderen Handlungen ausgeführt werden. Der Umfang der Ausführungsformen ist durch diese spezifischen Beispiele keineswegs begrenzt. Zahlreiche Variationen sind möglich, unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung explizit aufgeführt sind oder nicht, wie z. B. Unterschiede in der Struktur, den Abmessungen und der Verwendung von Materialien. Der Umfang der Ausführungsformen ist mindestens so groß wie in den folgenden Ansprüchen angegeben.
Vorteile, andere Vorzüge und Problemlösungen wurden oben im Hinblick auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben. Die Vorteile, Vorzüge, Problemlösungen und Komponenten, die dazu führen können, dass ein Vorteil, ein Nutzen oder eine Lösung auftritt oder ausgeprägter wird, sind jedoch nicht als kritisches, erforderliches oder wesentliches Merkmal oder Komponente eines oder aller Ansprüche zu verstehen.
Bezugszeichenliste

100: Ein System zur Synthese dielektrischer keramischer Nanopartikel für eine Mikrostreifen-Patch-Antenne.
102a: Erster Behälter.
102b: Zweiter Behälter
102: Eine Vielzahl von Behältern
104: Trocknungskammer
106: Kalzinierungskammer
108: Mahlkammer
110: Pressmaschine für Pellets
112: Modul für die Herstellung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6946995 B2 [0009]

Claims

System (100) zur Synthese von dielektrischen keramischen Nanopartikeln für eine Mikrostreifen-Patch-Antenne, wobei das System (100) umfasst: eine Vielzahl von Behältern (102) zur Durchführung der Lösungsgelsynthese der dielektrischen keramischen Nanopartikel, wobei ein erster Behälter (102a) die Synthese von Titandioxid-Nanopartikeln durchführt, wobei der zweite Behälter (102b) die Synthese der dielektrischen keramischen Nanopartikel (ZnAl₂O₄TiO₂) aus den synthetisierten Titandioxid-Nanopartikeln durchführt; eine Trocknungskammer (104) in Verbindung mit der Vielzahl von Behältern (102) zum Trocknen der vorbereiteten dielektrischen keramischen Nanopartikel für ein definiertes Zeitintervall bei 150-200 °C; eine Kalzinierungskammer (106) in Verbindung mit der Trockenkammer (104) zum Kalzinieren der getrockneten Nanopartikel bei 500-1000 °C für etwa eine Stunde; eine Mahlkammer (108) in Verbindung mit der Kalzinierungskammer (106) zum Mahlen der kalzinierten Nanopartikel, um ein kalziniertes feines Pulver zu erhalten; und eine Pellet-Pressmaschine (110) in Verbindung mit der Mahlkammer (108) zum Bilden von Pellets der dielektrischen keramischen Nanopartikel aus dem gemahlenen Pulver nach dem Pressen durch die Pressmaschine (110).
System nach Anspruch 1, wobei die Synthese von Titandioxid-Nanopartikeln die Zugabe von 2-6 ml Titan(IV)isopropoxid (TTIP) zu 3-8 ml destilliertem Wasser (H₂O) und 60-90 ml Ethanol umfasst.
System nach Anspruch 1, wobei die Synthese von dielektrischen keramischen ZnAl₂O₄TiO₂-Nanopartikeln im zweiten Behälter (102b) die Zugabe von 5-7 g Zinkacetat (CH₃COO)₂Zn₂H₂O, 12-16 g Aluminiumnitrat-Nonahydrat (Al₂(NO₃)₃.9H₂O), 30-50 ml Ethanol, 0.2-0.6 ml Ethylenglykol und Salpetersäure (HNO₃) zu 0.32 g der hergestellten Titandioxid-Nanopartikel umfasst.
System nach Anspruch 1, wobei während der Synthese der Titandioxid-Nanopartikel im ersten Behälter (102a) das TTIP etwa 3-5 Stunden lang bei etwa 80-90 °C gerührt wird.
System nach Anspruch 1, wobei die Kalzinierungskammer (106) eine Kalzinierung durchführt, um ein weißes Pulver zu erzeugen.
System nach Anspruch 1, wobei in der zweiten Kammer (102b) die keramischen Nanopartikel als homogene Lösung erhalten werden und bei einer Temperatur von 70-80 °C etwa 1 Stunde lang gerührt werden, bis sich eine klare Lösung bildet.
System nach Anspruch 1, wobei die Trocknungskammer (104) das vorbereitete Pellet 1 Stunde lang bei einer Temperatur von 650-750 °C trocknet.
System nach Anspruch 1, wobei die vorbereiteten Pellets mit einer Silberpaste beschichtet werden, um die dielektrischen Eigenschaften der keramischen Nanopartikel zu analysieren.
System nach Anspruch 1, umfassend ein Herstellungsmodul (112) zur Herstellung einer Mikrostreifen-Patch-Antenne aus den vorbereiteten keramischen dielektrischen ZnAl₂O₄TiO₂-Nanopartikein, wobei eine Paste aus den vorbereiteten ZnAl₂O₄TiO₂-Nanopartikeln gebildet wird, die auf ein Fluor-dotiertes Zinnoxid (FTO)-Substrat gegossen wird, um eine mechanische Unterstützung zu bieten, und dann auf beiden Seiten mit einer Silberschicht beschichtet wird.