Miniaturización de antenas tipo microstrip mediante recubrimientos con materiales ferroeléctricos
Fecha
2021
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Editor
Universidad EAFIT
Resumen
Descripción
La limitación en el espacio donde se dispone la antena dentro de un dispositivo electrónico ha promovido la investigación de alternativas que permitan el desarrollo de antenas miniaturizadas con una amplia capacidad de emisión y recepción, siendo los materiales ferroeléctricos una de las opciones más acertadas para reducir el tamaño de las antenas sin generar cambios significativos en el diseño. Adicionalmente, estos materiales pueden ser obtenidos por diferentes técnicas, dentro de las que sobresale sol-gel por su flexibilidad en deposición de película. Por ello, el presente trabajo se centra en la evaluación del factor de miniaturización de antenas de parche microstrip recubiertas con materiales ferroeléctricos tales como titanato de estroncio (STO), titanato de bario-estroncio (BSTO), y titanato de bario (BTO), obtenidos vía sol-gel y depositados mediante spin coating a 3000 rpm (20 s) con tratamiento térmico a 700 °C (1 h, 1 °C/min). Estas antenas fueron diseñadas y simuladas dentro de un rango de frecuencia entre 1 y 8.5 GHz; se fabricaron por fotolitografía usando substratos de alúmina de 635 m con metalización en oro (3.0 m) y capa de adherencia de níquel-cromo (0.2 m), para ser caracterizadas con el uso de un analizador vectorial de red (VNA).
La ejecución de esta investigación se verificó mediante difracción de rayos X, mostrando la presencia de estructuras cristalinas en fase perovskita cúbica, con parámetros de red para STO, BSTO y BTO de 3.9012 ± 0.0049 Å, 3.9631 ± 0.0055 Å, y 4.0268 ± 0.0119 Å, respectivamente. La caracterización microestructural y morfológica permitió establecer las condiciones de deposición y de tratamiento térmico de la película que permitieran uniformidad, homogeneidad y adherencia aceptable de la capa con poca presencia de defectos superficiales. Por su parte, la espectroscopía de rayos X de energía dispersa cuantificó composiciones elementales para STO de 1.48 ± 0.13 % wt Sr, y 0.54 ± 0.07 % wt Ti; BSTO: 0.69 ± 0.22 % wt Ba, 1.22 ± 0.12 % wt Sr, 0.63 ± 0.09 % wt Ti, y 6.05 ± 0.85 % wt O; y para BTO de 1.28 ± 0.23 % wt Ba, 0.74 ± 0.09 % wt Ti, y 7.28 ± 0.92 % O; todos estos materiales analizados en forma de película cristalizada y depositada sobre Al2O3/Ni-Cr/Au.
Los espesores obtenidos para las películas de STO, BSTO, y BTO fueron: 2.8130, 4.1070, y 3.9217 m; con constante dieléctrica de 92, 136, y 232; tangente de pérdida de 0.0112, 0.0104, y 0.0080, con operación en 4.116 GHz (-12.6000 dB), 4.0800 GHz (-10.0900 dB), y 4.0200 GHz (-10.0900 dB), respectivamente para STO, BSTO y BTO.
Por otro lado, las antenas recubiertas con STO, BSTO y BTO evidenciaron tasas de miniaturización de 4.7 %, 7.0 %, y 15.6 %, con frecuencia de operación en 2.5925 GHz, 2.5300 GHz, y 2.2950 GHz, respectivamente. De este modo se comprobó dentro de las instalaciones de la Universidad EAFIT la aplicabilidad de las películas ferroeléctricas en los procesos de miniaturización de antenas.
Palabras clave
Antena de parche microstrip, Ferroeléctricos, Materiales en microondas, Titanato de bario-estroncio, Titanato de bario, Tasa de miniaturización, Spin coating, Sol-gel, Películas delgadas, Miniaturización, Titanato de estroncio