Fabrication of large antenna substrates of monolithic spatially variable ceramics and an optimization framework for nano-antennas

Abstract

Bu tez temel olarak anten ve yayılım konuları ile ilgili iki temel mesele üzerineyürütülmüstür: Düsük frekanstaki radyo frekansı (RF) uygulamaları için uzaysal değiskenliğesahip dielektrik tabakaların birebir kopyasını üretmek ve nano anten gibi yüksek frekansuygulamaları için formal optimizasyon teknikleri ile performans kazancı elde etmek. RF veoptik uygulamarında, doğada bulunmayan sıradısı özelliklere sahip metamalzemeler, önemlibir ilgi kazanmıslardır. Dielektrik, manyetik ve polimer birlesenlerin uzayda yerlesimleri ilemeydana gelen heterojen malzeme yapıları doğada bulunmayan sıradısı özelliklere sahipmodern cihazların elde edilmesine imkan verirler. Istenilen frekansta malzemenin uzaysalyerlesimi ile elektriksel geçirgenlik ve geçirimlilik gibi özelliklerin kontrolünü, çoklumalzemelerinhacimsel varyasyonları ile elde etme isteği RF dünyasında uzun süredir varolanbir vizyondur. Bu vizyon ısığında küçük boyutlu (2`) uzaysal değiskenliğe sahip seramiktabanlar üretime de adapte edilmis ve UHF frekanslarında çalısan uydu anten tabanlarıtasarlanmıstır. Tezin ilk bölümündeki amaç, önceden önerilmis olan kuru toz dökümü (DPD)tekniğini kullanarak, tasarım sonuçları ile de dikte edildiği gibi, etkili performans kazanımınaimkan veren seramik bilesenlerin uzaysal varyasyonu ile büyük yekpare tabanlar üretmektir.Ticari olarak kullanılabilir olan LTCC tozları, dielektrik sabitleri 15,20,70 ve kayıp tanjantı <0.0015 olan ve isim olarak Kalsiyum Magnezyum Titanat (MCT) diye bilinen seramikbilesenler kullanılmıstır. Sprey ile kurutulmus MCT tozlarının 1-3% oranında bağlayıcıbileseninin etkili uçusunu ve dokunmus kompozitlerin tam sinterlenmesininin elde edilisinianaliz etmek için bilesendeki her tozun termogravimetrik analizi yapılmıstır. Ayrıca,sıkıstırma basıncı ve kosinterleme sıckaklığı gibi islem değiskenleri detaylı olarak DPDmetodunda ele alınmıstır. Sonuç olarak, boyutları 82mm x 82mm'ye varan düzgün ve büyükyekpare dielektrik dokunmus kompozit tabanlar, optimal sartlarda kosinterleme yapılarak eldeedilmistir. Dokunmus kompozitlerdeki çatlaklar ve gözenek gibi istenmeyen kusurlar bertarafedilmistir. Yoğunluk ölçümleri ve SEM, sonuçta gözlenen tabanların 98% den fazla yoğunolduğunu vurgulamaktadır. Sinterlenmis bilesen malzemelerden olusan pelletlerin mikroyapıkarakterizasyonu SEM ve dielektrik geçirgenlik ölçümleri ile yapılmıstır.Tezin ikinci kısmında amaç; uzunluk, kalınlık, genislik ve dalgaboyu gibi değiskenlere görenano antenlerin elektrik alan yoğunluğunun ve absorbe edilen gücü türevsel ve bulussaltemelli metotlar kullanarak (sırasal kuadratik programlama ve genetik algoritma) optimizeeden temel bir tasarım yöntemi gelistirmektir. Bu yöntem, birbiriyle çelisen çoklu performanskriterlerine ve gelecekteki dielektrik malzeme özelliğini de içeren kompleks tasarımdeğiskenlerine bağlı olan yüksek frekanslı anten uygulamalarının daha etkindeğerlendirilmesine imkan vermesi, ve böylece ortaya çıkan plazmonik uygulamalar için ilkbölümdeki uydu anten tasarımında olduğu gibi üstün performanslı orjinal tasarımlara olanaktanıması beklenmektedir.

The aim of this thesis is driven by two main challenges in the antenna and propagationcommunity: The possibility to manufacture exact replicas of spatially variable dielectricsubstrates for low frequency Radiofrequency (RF) applications and to achieve performanceenhancements via formal optimization techniques for high frequency applications such asnano-antennas. In the RF and optics community, metamaterials have gained significantinterest due to their extraordinary properties which are not accessible in nature. Texturedcomposites with novel properties allow for the realization of state-of-the-art devices which arefunctionalized through spatially variable properties of dielectrics, magnetics and polymers.The possibility of spatially controlling permittivity and permeability at the preferredfrequency and the capability of realizing multi-material volumetric variations is an ancientvision in the RF community. One such technique has been proposed and adopted to producespatially variable ceramic substrates of small size (2? square) and assembled to construct aUHF SATCOM antenna substrate. In the first part of the thesis, the objective is to use earlierproposed Dry Powder Deposition (DPD) technique for producing large monolithic substrateswith spatial variation of ceramic constituents that will allow for impressive performanceenhancements as dictated by design results. Commercially available LTCC powders namelyCalcium Magnesium Titanates (MCT) of dielectric permittivities 15, 20, 70 and loss tangent <0.0015 are used as the ceramic constituents. Thermogravimetric analysis of each constituentpowder is used to analyze efficient removal of 1-3 % binder content of spray dried MCTpowders and achieve complete sintering of their textured composites. Also, a detailed analysisof the process parameters such as compaction pressure and cosintering temperature within theDPD method is carried out. As a result, smooth and large substrates with sizes up to 82mm x82mm of monolithic dielectric textured composites were obtained by cosintering at optimalconditions. Cracks and unwanted defects such as porosities in textured composites wereeliminated. Density measurements and SEM stressed that final substrates obtained were over%98 dense ceramic constituents. Microstructure characterizations of pellets made of sinteredconstituent material were carried out by SEM and dielectric permittivity measurements wereperformed.In the second part of the thesis, the objective is to develop a basic framework to optimize anano antenna?s intensity enhancement and absorbed power according to variables such aslength, thickness, width and wavelength using gradient and heuristic based methods(sequential quadratic programming and genetic algorithms). This framework will allow formore effective assessment of high-frequency antenna applications subject to multiplecompeting performance criteria and complex design variables in the future including theeffect of material substrates, hence enable novel designs with superior performance foremerging plasmonic applications as was the case for the SATCOM antenna design in the firstpart of the thesis.