PL240551B1

PL240551B1 - Sposób wytwarzania elektromagnetycznego metamateriału i jego zastosowanie

Info

Publication number: PL240551B1
Application number: PL416167A
Authority: PL
Inventors: Karen OGANISIAN; Karen Oganisian; Wiesław STRĘK; Wiesław Stręk
Original assignee: Instytut Niskich Temperatur I Badań Strukturalnych Im Włodzimierza Trzebiatowskiego Polskiej Akademii Nauk
Priority date: 2016-02-17
Filing date: 2016-02-17
Publication date: 2022-04-25
Also published as: PL416167A1; WO2017142429A1

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania metamateriału o wysokim poziomie strat odbiciowych w zakresie radio i mikrofal oraz jego zastosowanie w urządzeniach lub elementach urządzeń pracujących w zakresie radio i mikrofal.

Description

PL 240 551 Β1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania elektromagnetycznego metamateriału i jego zastosowanie.

Meta materiał to materiał, którego własności zależą bardziej od jego struktury niż od własności fizykochemicznych wchodzących w jego skład związków chemicznych.

W stanie techniki znane są różne rodzaje metamateriałów, które obejmują metamateriały elektromagnetyczne (US7855696 B2 [1], WO2014/145821 A1 [2]), elastyczne (J. Page, Naturę Materials 10, 565-566 (2011) [3]), akustyczne (US8579073 B2 [4]), strukturalne (http://www.caltech.edu/content/miniature-truss-work [5]), czy nieliniowe (US20120293854 A1 [6]).

W patencie amerykańskim US7855696 B2 ujawniono metamateriał i jego zastosowanie do kształtowania odwzorowania wiązki promieniowania i przełączania fali kierunkowej.

Z kolei w międzynarodowym zgłoszeniu WO2014/145821 A1 ujawniono sposób i urządzenie do wytwarzania pochłaniacza o częstotliwości radiowej (RFA) lub doskonałej powierzchni absorbującej promieniowanie mikrofalowe (PMA). W rozwiązaniu tym sposób wytwarzania płytki obwodu drukowanego (PCB) absorbującej częstotliwość radiową (RFA) obejmuje nakładanie wielu warstw metamateriałowych na wiele podłoży dielektryka, dodawanie warstw oporowych, dodawanie warstw pojemnościowych, formowanie warstw metamateriału w warstwy metamateriału RFA oraz zastosowaniu wielu warstw RFA do montażu na płytce do absorpcji promieniowania elektromagnetycznego w docelowym zakresie częstotliwości. Metamateriał według wynalazku stosuje się do wielowarstwowego zespołu do absorpcji promieniowania elektromagnetycznego w zakresie częstotliwości, takich jak pasma częstotliwości mikrofalowych w końcowym produkcie tj. telefonach komórkowych, urządzeniach komunikacyjnych lub innych urządzeniach elektronicznych.

W przypadku metamateriałów służących jako anteny istotnym parametrem użytkowym jest wartość strat odbiciowych RL

Straty odbiciowe charakteryzują się spadkiem mocy pomiędzy falą padającą Pi a falą odbitą P_r i opisywane są wzorem (1) [10]:

RL = 10log_1Q —(1) gdzie RL (dB) oznacza straty odbiciowe [w decybelach], P, - moc fali padającej, P_r- moc fali odbitej. Straty odbiciowe są powiązane jednocześnie ze współczynnikiem fali stojącej (VSWR) oraz współczynnikiem odbicia (Z) poprzez wzory (2) i (3) [10]:

Λ£(ύΒ) = -201ο_ειο|Γ| i

VSWR =_

IK.i„| 1-ΙΓΓ ₍₃₎ gdzie VSWR oznacza współczynnik odbicia, |Vmax| oznacza maksymalną amplitudę napięcia, przy czym Vmax = |Vf| + |Vr|, gdzie Vf oznacza napięcie fali padającej, a Vr oznacza napięcie fali odbitej;

|Vmin| - minimalna amplituda napięcia, przy czym |Vmin| = |Vf| - |Vr|, gdzie Vf oznacza napięcie fali padającej, a Vr oznacza napięcie fali odbitej;

Zwiększenie wartości strat odbiciowych RL powoduje obniżenie stosunku VSWR, co jest istotne do zastosowania. Zatem straty odbiciowe są miarą wskazującą na ile dobrze są dopasowane elementy układu urządzenia lub linii transmisyjnej. Dopasowanie jest lepsze jeśli jest wysoki poziom RL [10].

Straty odbiciowe RL jest to stosunek mocy sygnału odbitego od końca linii transmisyjnej do mocy sygnału wejściowego. RL jest mierzony w dziedzinie częstotliwości i podaje się go w dB. Ponieważ fala odbicia jest zawsze mniejsza niż fala padania, stąd RL jest zawsze ujemne. A zatem im większa jest wartość bezwzględna RL (im niższe RL), tym mniejsza jest moc odbita w porównaniu do mocy przesłanej, a tym samym lepsza efektywność systemu nadajnik-antena [11].

VSWR to napięciowy współczynnik fali stojącej. Jest to miara dopasowania impedancji linii transmisyjnej i jej obciążenia. Im niższy parametr VSWR tym lepsze dopasowanie linii transmisyjnej z anteną [11]. Według certyfikacji międzynarodowej, anteny posiadające RL < -10 dB uznaje się jako bardzo dobre do zastosowania w identyfikacji radiowej RFID (ang. radio-freguency Identification), co

PL 240 551 B1 odpowiada stosunkowi VSWR < 2:1 [12]. Akceptowalne są także wartości na poziomie RL < -6 dB, co odpowiada VSWR < 3:1, a to oznacza, że 75% mocy fali jest absorbowane przez antenę.

Również, jedną z cenionych własności gotowej anteny jest szerokość pasma rezonansowego, czyli pasma w obszarze którego RL < -10 dB i jest ciągłe.

W stanie techniki istnieją urządzenia, w których jako elementy absorbujące promieniowanie elektromagnetyczne stosuje się metamateriały. Jednakże główną barierą ograniczającą zastosowanie metamateriałów jest wysoki koszt ich wytworzenia. Stosowane obecnie sposoby wytworzenia metamateriału są dość skomplikowane, co przekłada się na wysoki koszt wytworzenia metamateriału, a w konsekwencji na małą dostępność metamateriałów o zróżnicowanych parametrach RL i VSWR, dostosowanych do różnych częstotliwości fal.

Celem niniejszego wynalazku jest dostarczenie nowego sposobu wytwarzania elektromagnetycznego metamateriału o niskich współczynnikach RL i VSWR oraz dużej szerokości pasma rezonansowego do zastosowania jako RFID, antena, podłoże dielektryczne i inne urządzenia lub elementy urządzeń pracujących w zakresie radio i mikrofal.

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania elektromagnetycznego metamateriału obejmujący mieszanie proszku magnetycznego z lepiszczem do czasu uzyskania jednorodnej mieszani ny, przy czym proszek magnetyczny ma postać mikro- lub nanoproszku o rozmiarze ziaren w zakresie od 10 nm do 1 mm i jest wybrany z grupy obejmującej żelazo, nikiel, kobalt, mangan, metale ziem rzadkich, ich stopy lub ferryty zaś lepiszcze stanowi materiał wybrany z grupy obejmującej jedno lub wieloskładnikowe tworzywo sztuczne, klej epoksydowy, polietylen, parafinę, klej, szkło, plastelinę, przy czym lepiszcze wykazuje elektryczny opór właściwy na poziomie od 10-1 Ω-m do 10¹⁴ Ω-m, korzystnie od 103 Ω-m do 10¹⁴ Ω-m, charakteryzujący się tym, że proszek magnetyczny miesza się z lepiszczem w stosunku objętościowym 1:9 do 2:1, umieszcza się mieszaninę w kuwecie, a kuwetę w szczelinie pomiędzy biegunnikami elektromagnesu, przy czym między kuwetą a biegunnikami umieszcza się nabiegunniki, a następnie mieszaninę poddaje się działaniu stałego pola magnetycznego do czasu zestalenia się mieszaniny, w wyniku czego w metamateriale powstają odpowiednie struktury ułożonych cząstek magnetycznych, rozdzielonych w środowisku lepiszcza, zależne od kształtu nabiegunników lub kształtu krawędzi szczeliny w rdzeniu w przypadku braku nabiegunników, przy czym natężenie pola magnetycznego na krawędzi szczeliny pomiędzy nabiegunnikami lub biegunnikami wynosi od 5 A/m do 1600 kA/m, korzystnie od 7 A/m do 10 kA/m, a po zestaleniu się mieszaniny gotowy metamateriał wyjmuje się z kuwety.

W sposobie według wynalazku ferro- lub ferrimagnetyczny materiał w postaci mikro lub nanoproszku miesza się z płynnym lub półpłynnym lepiszczem o właściwościach klejących, które wykazuje duży elektryczny opór właściwy. Następnie otrzymaną mieszaninę umieszcza się w kuwecie pomiędzy nabiegunnikami rozmieszczonymi między biegunnikami elektromagnesu, za pomocą urządzenia sterującego, pomiędzy biegunnikami na krawędzi szczeliny w rdzeniu, a również, i nabiegunnikami ustala się stałe pole magnetyczne. Pod wpływem pola magnetycznego cząstki materiału magnetycznego w mieszaninie będą się układać wzdłuż linii pola, odpowiednio do kształtu użytych nabiegunników lub krawędzi szczeliny w rdzeniu. Zmiana sposobu uporządkowania cząstek w metamateriale jest łatwiejsza i bardziej wygodna do realizacji, jeśli w urządzeniu wymienia się nabiegunniki (zmiana kształtu nabiegunników), aniżeli wymianie miałby ulegać rdzeń.

Mieszaninę poddaje się działaniu pola magnetycznego do momentu, gdy zawarte w mieszaninie lepiszcze zestali się. Wówczas pole magnetyczne zostaje wyłączone, a otrzymany metamateriał uzyskuje pożądany kształt nadany mu przez kształt kuwety. Kształt gotowego metamateriału można w razie potrzeby zmieniać odpowiednio do danego zastosowania np. tnąc na paski o pożądanych wymiarach.

Korzystnie, w sposobie według wynalazku rozmiar ziaren proszku magnetycznego wynosi od 500 nm do 5 μm.

Zgodnie ze sposobem według wynalazku kształt, oraz inne właściwości otrzymanych metamateriałów, takie jak częstotliwość rezonansowa, wartości strat odbiciowych i współczynnik fali stojącej, mogą się zmieniać w zależności od kształtu nabiegunników lub krawędzi szczeliny w rdzeniu.

Przedmiotem wynalazku jest również zastosowanie elektromagnetycznego metamateriału otrzymanego sposobem według wynalazku jako antena w nadajnikach lub odbiornikach RFID.

Elektromagnetyczny metamateriał uzyskany sposobem według wynalazku posiada wysoki poziom strat odbiciowych w zakresie radio i mikrofal. Dla metamateriału wytworzonego sposobem według wynalazku w obszarze rezonansowym od 0,01 do 10 GHz uzyskuje się wartość strat odbiciowych na poziomie RL < - 10 dB oraz współczynnik napięciowy fali stojącej VSWR w zakresie 2:1, korzystnie 1,09:1 do 1,8:1, dlatego też może znaleźć zastosowanie jako także jako podłoże dielektryczne, absorber

PL 240 551 B1 fal elektromagnetycznych, w filtrach, manipulatorach i innych urządzeniach lub elementach urządzeń pracujących w zakresie radio- i mikrofal.

Wynalazek zilustrowano na figurach rysunku, gdzie:

Fig. 1 przedstawia schemat urządzenia do wytwarzania metamateriałów. Prąd, ze źródła (11) prądu stałego, sterowany przez przetwornicę (12) do kontrolowania natężenia pola magnetycznego, jest podany na cewkę (13) zawierającą od 1 do 10 000 zwoi. Cewka (13) jest nawinięta na rdzeń (14) z miękkiego materiału ferro- lub ferrimagnetycznego (np. Armko, ferryt lub inne). Rdzeń (14) może mieć kształt toroidu lub prostokąta lub inny, ale koniecznie musi zawierać szczelinę, której wielkość nie wpływa istotnie na sposób według wynalazku. W szczelinie umieszcza się kuwetę (16) z mieszaniną i nabiegunniki (15). Na skutek zjawiska indukcji elektromagnetycznej, w trakcie przepływu prądu przez cewkę, w rdzeniu zostanie indukowane pole magnetyczne, które jest skierowane wzdłuż rdzenia w taki sposób, że na granicach szczeliny, a również kuwety (16), pojawią się bieguny S i N. Powstałe w szczelinie pole magnetyczne, z kolei, spowoduje ułożenie cząstek magnetycznych w mieszaninie wzdłuż linii tego pola. Linie pola magnetycznego mogą być kontrolowane poprzez kształt nabiegunników, albo poprzez kształt krawędzi szczeliny w rdzeniu. Czyli, w zależności od kształtu nabiegunników lub krawędzi szczeliny w rdzeniu w otrzymanym metamateriale powstaną odpowiednie struktury ułożonych cząstek magnetycznych, rozdzielonych (rozproszonych) w środowisku lepiszcza (substancji klejącej), co zilustrowano na Fig. 5-7.

Fig. 2-7 przedstawiają różne możliwe kształty nabiegunników (Fig. 2-4) oraz metamateriałów, otrzymanych w wyniku zastosowania tych nabiegunników (Fig. 5-7). Na Fig. 2-4 odnośniki 21, 31, 41 oznaczają element ferromagnetyczny, odnośniki 22, 32, 42 oznaczają matrycę z dia- lub paramagnetycznego materiału. Na Fig. 5-7 odnośniki 51,61,71 oznaczają uporządkowane cząstki magnetyczne w metamateriale, odnośniki 52, 62, 72 oznaczają lepiszcze (substancję klejącą) w metamateriale.

Fig. 8 przedstawia wykres strat odbiciowych RL w funkcji częstotliwości w zakresie 0,01-10 GHz dla próbek z przykładów 1-4.

Fig. 9 przedstawia wykres współczynnika fali stojącej VSWR w funkcji częstotliwości w zakresie 0,01-10 GHz dla próbek z przykładów 1-4.

Wynalazek przedstawiono bliżej w przykładach wykonania, które nie ograniczają jego zakresu.

P r z y k ł a d 1

Mikrometryczne żelazo karbonylkowe (cząstki o wielkości od 100 nm do 10 μm) wymieszano z roztopioną parafiną w stosunku objętościowym 1:9. Otrzymaną mieszaninę przelano do kuwety 16. Kuwetę 16 umieszczono w szczelinie pomiędzy nabiegunnikami 15 o kształcie jak pokazano na Fig. 2. Następnie poprzez źródło 11 prądu stałego przyłożono prąd, który poprzez cewkę 13 i rdzeń 14 wytworzył pole magnetyczne o natężeniu ustalonym za pomocą przetwornicy 12 na poziomie 318 kA/m. Pod wpływem działania pola magnetycznego cząstki magnetyczne wystroiły się wzdłuż linii pola magnetycznego. Pole magnetyczne utrzymywano do czasu zestalenia się mieszaniny. Następnie metamateriał o kształcie prostopadłościanu jak pokazano na Fig. 5 wyciągnięto z kuwety i poddano badaniom, w wyniku których sprawdzono struktura oraz zależność RL i VSWR w zakresie od 0,01 do 10 GHz. Wyniki są przedstawiono w Tabeli 1 oraz na Fig. 8-9.

P r z y k ł a d 2

Mikrometryczne żelazo karbonylkowe (cząstki o wielkości od 100 nm do 10 μm) wymieszano z roztopioną parafiną w stosunku objętościowym 1:5. Otrzymaną mieszaninę przelano do kuwety 16. Kuwetę 16 umieszczono w szczelinie pomiędzy nabiegunnikami 15 o kształcie jak pokazano na Fig. 2. Następnie poprzez źródło 11 prądu stałego przyłożono prąd, który poprzez cewkę 13 i rdzeń 14 wytworzył pole magnetyczne o natężeniu ustalonym za pomocą przetwornicy 12 na poziomie 318 kA/m. Pod wpływem działania pola magnetycznego cząstki magnetyczne wystroiły się wzdłuż linii pola magnetycznego. Pole magnetyczne utrzymywano do czasu zestalenia się mieszaniny. Następnie metamateriał o kształcie prostopadłościanu jak pokazano na Fig. 5 wyciągnięto z kuwety i poddano badaniom, w wyniku których sprawdzono struktura oraz zależność RL i VSWR w zakresie od 0,01 do 10 GHz. Wyniki są przedstawiono w Tabeli 1 oraz na Fig. 8-9.

P r z y k ł a d 3

Mikrometryczne żelazo karbonylkowe (cząstki o wielkości od 100 nm do 10 μm) wymieszano z roztopioną parafiną w stosunku objętościowym 1:2. Otrzymaną mieszaninę przelano do kuwety 16. Kuwetę 16 umieszczono w szczelinie pomiędzy nabiegunnikami 15 o kształcie jak pokazano na Fig. 2. Następnie poprzez źródło 11 prądu stałego przyłożono prąd, który poprzez cewkę 13 i rdzeń 14 wytworzył pole magnetyczne o natężeniu ustalonym za pomocą przetwornicy 12 na poziomie 318 kA/m. Pod

PL 240 551 Β1 wpływem działania pola magnetycznego cząstki magnetyczne wystroiły się wzdłuż linii pola magnetycznego. Pole magnetyczne utrzymywano do czasu zestalenia się mieszaniny. Następnie metamateriał o kształcie prostopadłościanu jak pokazano na Fig. 5 wyciągnięto z kuwety i poddano badaniom, w wyniku których sprawdzono struktura oraz zależność RL i VSWR w zakresie od 0,01 do 10 GHz. Wyniki są przedstawiono w Tabeli 1 oraz na Fig. 8-9.

Przykład 4

Mikrometryczne żelazo karbonylkowe (cząstki o wielkości od 100 nm do 10 pm) wymieszano z roztopioną parafiną w stosunku objętościowym 2:1. Otrzymaną mieszaninę przelano do kuwety 16. Kuwetę 16 umieszczono w szczelinie pomiędzy nabiegunnikami 15 o kształcie jak pokazano na Fig. 2. Następnie poprzez źródło 11 prądu stałego przyłożono prąd, który poprzez cewkę 13 i rdzeń 14 wytworzył pole magnetyczne o natężeniu ustalonym za pomocą przetwornicy 12 na poziomie 318 kA/m. Pod wpływem działania pola magnetycznego cząstki magnetyczne wystroiły się wzdłuż linii pola magnetycznego. Pole magnetyczne utrzymywano do czasu zestalenia się mieszaniny. Następnie metamateriał o kształcie prostopadłościanu jak pokazano na Fig. 5 wyciągnięto z kuwety i poddano badaniom, w wyniku których sprawdzono struktura oraz zależność RL i VSWR w zakresie od 0,01 do 10 GHz. Wyniki są przedstawiono w Tabeli 1 oraz na Fig. 8-9.

Tabela 1. Strukturalne i elektromagnetyczne właściwości metamateriałów, otrzymanych za pomocą sposobu opisanego w przykładach 1-4.

przykład	Średnica linii magnetycznej (średnica słupka materiału magnetycznego w środowisku spoiwa) [mm]	Odległość pomiędzy liniami magnetycznymi (odległość pomiędzy słupkami) [mm]	Częstotliwość rezonansowa, GHz	Szerokość pasma, %	Wartość strat odbiciowych RL w rezonansie, dB	Wartość współczynnika fali stojącej, VSWR
1	0,7	1,1	7,5	4	-29	1,09:1
2	0,5	0,5	6,18	3	-11	1,8:1
3	0,35	0,065	5,2	10	-16	1,38:1
4	0,08	0,035	3,96/6,64	7/8	-13/-11	1.6:1/1.78:1

LITERATURA

[1] US7855696 B2.

[2] WO2014/145821 A1.

[3] J. Page, Naturę Materials 10, 565-566 (2011).

[4] US8579073 B2.

[5] http://www.caltech.edu/content/miniature-truss-work

[6] US20120293854A1.

[7] US20130128132 A1.

[8] US7826504 B2.

[9] EP2495621A1.

[10] T. S. Bird, Antennas and Propagation Magazine, IEEE, 51, 166-167 (2009).

[11] - http://www.pzk.bydgoszcz.pl/pdf/straty%20odbiciowe.pdf

[12] The RFID Certification Textbook, 3rd Edition, American RFID Solutions, 2007 - Electronic data processing, str. 184-187.

Claims

PL 240 551 B1

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób wytwarzania elektromagnetycznego metamateriału obejmujący mieszanie proszku magnetycznego z lepiszczem do czasu uzyskania jednorodnej mieszaniny, przy czym proszek magnetyczny ma postać mikro- lub nanoproszku o rozmiarze ziaren w zakresie od 10 nm do 1 mm i jest wybrany z grupy obejmującej żelazo, nikiel, kobalt, mangan, metale ziem rzadkich, ich stopy lub ferryty zaś lepiszcze stanowi materiał wybrany z grupy obejmującej jedno lub wieloskładnikowe tworzywo sztuczne, klej epoksydowy, polietylen, parafinę, klej, szkło, plastelinę, przy czym lepiszcze wykazuje elektryczny opór właściwy na poziomie od 10^-1 Ω-m do 10¹⁴ Ω-m, korzystnie od 103 Ω-m do 10¹⁴ Ω-m, znamienny tym, że proszek magnetyczny miesza się z lepiszczem w stosunku objętościowym 1:9 do 2:1, umieszcza się mieszaninę w kuwecie, a kuwetę w szczelinie pomiędzy biegunnikami elektromagnesu, przy czym między kuwetą a biegunnikami umieszcza się nabiegunniki, a następnie mieszaninę poddaje się działaniu stałego pola magnetycznego do czasu zestalenia się mieszaniny, w wyniku czego w metamateriale powstają odpowiednie struktury ułożonych cząstek magnetycznych, rozdzielonych w środowisku lepiszcza, zależne od kształtu nabiegunników lub kształtu krawędzi szczeliny w rdzeniu w przypadku braku nabiegunników, przy czym natężenie pola magnetycznego na krawędzi szczeliny pomiędzy nabiegunnikami lub biegunnikami wynosi od 5 A/m do 1600 kA/m, korzystnie od 7 A/m do 10 kA/m, a po zestaleniu się mieszaniny gotowy metamateriał wyjmuje się z kuwety.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że rozmiar ziaren proszku magnetycznego wynosi od 500 nm do 5 μm.
3. Zastosowanie elektromagnetycznego metamateriału otrzymanego sposobem według któregokolwiek z zastrzeżeń 1-2 jako antena w nadajnikach lub odbiornikach RFID.