Flexible ceramic-polymer composite substrates with spatially variable dielectrics for miniaturized RF applications

Abstract

Çok fonksiyonlu minyatür RF cihazlar, modern iletişim endüstrisinden gelecek talepleri karşılamada önemli bir rol oynar. Bu da, dielektrik özelliklerinin kontrol edilebilirliği, minyatürleştirme, esneklik ve düşük dielektrik kayıp gibi üstün elektrik ve mekanik özelliklere sahip mikrodalga dielektrik malzemelerinin tasarımını gerektirir. Her ne kadar RF uygulamalar için birçok seramik-polimer kompozit tabakalar halihazırda bulunsa da, günümüzde basit üretim süreciyle üretilmiş bükülebilirlik gerektiren uygulamalarda kullanılabilecek minyatürleştirme için gerekli olan hem yüksek dielektrik sabiti ve düşük kayıp hem de esneklik gibi istenen mekanik özelliklerin hepsini birden tatmin edebilen seramik-polimer kompozit malzeme tabakaları mevcut değildir. Bu çalışmada istenen yüksek dielektrik sabit ve esneklik özelliklerinin ikisini birden elde etmek için, seramik (MCT tozlar) ve organik bağlayıcı (polimer çözeltisi) karıştırılarak şerit döküm denilen yöntemle şerit filmler halinde üretilirler. Öncesinde süreci optimize etmek için, çeşitli çalışmalar yürütülmüştür: MCT70, MCT20 tozları hem disk hem de şerit film olarak üretilip dielektrik özellikleri incelenmiştir. Örneklerin dielektrik davranışları Agilent 16451B empedans analizörü ile, mikroskobik davranışları ise taramalı elektron mikroskobu kullanılarak karakterize edilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre MCT70 tozundan hazırlanan kompozit filmlerin dielektrik sabiti 21, MCT20 tozundan hazırlanan kompozit filmlerin ise dielektrik sabiti 9 olarak ölçülmüştür. Diğer bir adımda ise iki boyutta değişken dielektrik özelliklere sahip bükülebilir malzeme tabakaların imalatı incelenmiştir. Mozaik yapısı denilen bu yapılar üç yöntem kullanılarak üretilmiş ve bu mozaik tabakalar daha sonra mikroşerit anten yapımında kullanılmıştır. Anten performansları Agilent network analizörü kullanılarak ölçülmüştür. Olası tasarım çalışmalarına destek vermek ve ölçülen performansları karşılaştırmak amacı ile anten yapıları COMSOL Multiphysics 3.5a yazılımı kullanılarak simüle edilmiştir.

Multi-functional miniature RF devices play an important role in meeting challenging future demands within the modern communication industry. This in turn creates the need to design microwave dielectric materials with superior electrical and mechanical properties such as dielectric tunability, miniaturization, flexibility, and low loss. Although many ceramic-polymer composite substrates are presently available for RF applications, no simple manufacturing process exists today capable of producing composite substrates satisfying both high dielectric constant and low loss for miniaturization and the desired mechanical property such as flexibility for conformal applications. In order to compromise between high dielectric constant and flexibility, ceramics (MCT powders) and organic binders (polymer solution) are mixed and fabricated as films through a process called tape casting in this thesis. Prior to optimizing the process, several studies are carried out: MCT spray dried powders with k=70 and k=20 were analyzed as pressed and produced into a tape cast film. Dielectric behaviors of the samples are measured by the Agilent 16451B impedance analyzer, their microscopic behavior is examined by scanning electron microscopy. Results demonstrate that a dielectric constant 21 and 9, respectively can be achieved for non-sintered films that are deformable. Fabrication of spatially variable conformal substrates is investigated next where mosaic structures are fabricated using tape cast films and three different methods. In order to demonstrate the performance of the resulting substrates, these substrates are used to construct patch antennas and their return loss performance is measured with an Agilent Network Analyzer. For possible future design studies, antennas are also simulated using COMSOL Multiphysics 3.5a software.