Propiedades electromagnéticas de un compuesto magneto dieléctrico a través de un algoritmo basado en el método Nicolson-Ross-Weir

Gabriel  Peña Rodríguez; Rodrigo  Vera Barrera; David Leonardo  Mancipe Huérfano; Luis Ángel  Lara González

doi:10.19053/1900771X.v21.n1.2021.13515

Autores/as

Gabriel Peña Rodríguez Universidad Francisco de Paula Santander, Centro de Investigación en Materiales Cerámicos, Colombia. https://orcid.org/0000-0002-7114-9174
Rodrigo Vera Barrera Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia, Grupo de Investigación GINTEL, Colombia https://orcid.org/0000-0002-2845-099X
David Leonardo Mancipe Huérfano Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia, Grupo de Investigación GINTEL, Colombia https://orcid.org/0000-0001-9342-642X
Luis Ángel Lara González Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia, Grupo de Investigación GEAM, Colombia https://orcid.org/0000-0002-2849-0174

DOI:

https://doi.org/10.19053/1900771X.v21.n1.2021.13515

Palabras clave:

materiales compuestos, propiedades dieléctricas, propiedades eléctricas, ferromagnético, propiedades magnéticas, polímeros, magnetita

Resumen

El presente trabajo implementa el método Nicolson-Ross-Weir (NRW) para encontrar la permitividad y permeabilidad mediante un algoritmo en Matlab® de un material magneto dieléctrico compuesto fabricado a base de resina de poliéster y polvos de magnetita dispersos al azar y orientados de forma vertical y horizontal en la matriz polimérica. Los datos medidos provienen de la simulación de los parámetros S en ADS® entre 150 KHz y 4GHz, sobre una línea de transmisión de tipo microcinta, el algoritmo permitió verificar que la mejor respuesta en alta frecuencia del compuesto magneto dieléctrico se presenta cuando las partículas están orientadas verticalmente, con permitividades relativas altas obteniendo Er= 5.5 para la concentración del 30% y Er= 4.5 para la concentracion de 20% en porcentaje en peso, con un coeficiente de absorción, el cual aumenta en fución de la frecuencia y la concentración de magnetita en el relleno funcional.

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Biografía del autor/a

Gabriel Peña Rodríguez, Universidad Francisco de Paula Santander, Centro de Investigación en Materiales Cerámicos, Colombia.

Gabriel Peña Rodríguez, colombiano, adscrito a la Universidad Francisco de Paula Santander, director del grupo de investigación GIFIMAC-UFPS, Investigador Senior Minciencias, Profesor Titular UFPS, Doctor en Tecnologías Avanzadas e Ingeniería de Materiales, par evaluador Minciencias.

Rodrigo Vera Barrera, Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia, Grupo de Investigación GINTEL, Colombia

R.A. Vera-Barrera is a Master in Egineering at the Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia (UPTC), in 2021 and bsc. Eng in electrical engineering, in 2016 at the UPTC. His research interests include: communications technology, radio frequency power amplifiers, software radio and materials science.

David Leonardo Mancipe Huérfano, Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia, Grupo de Investigación GINTEL, Colombia

Ingeniero Electrónico, con enfoque en telecomunicaciones, experiencia científica en el diseño de materiales compuestos Magneto-dieléctricos y construcción de equipos de automatización; con activa participación en importantes proyectos de investigación, eventos científicos en alianza de varias universidades y administraciones municipales. Cuenta con importante experiencia en análisis, diseño y desarrollo de circuitos de alta frecuencia en proyectos de investigación tales como: Diseño de circuitos de circuitos de alta frecuencia para aplicación en telecomunicaciones inalámbricas, caracterización de canal en entornos confinados y diseño de substratos magneto-dieléctricos para aplicaciones en telecomunicaciones.

Luis Ángel Lara González, Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia, Grupo de Investigación GEAM, Colombia

Ingeniero Industrial con especialización en Gestión de proyectos, maestría en metalurgia y ciencia de los materiales y Doctor en Ingeniera por la UPTC, docente asociado e investigador del programa de ingeniería de minas de la UPTC, actualmente dirige el instituto de recursos minero energéticos de la UPTC, desarrollando proyectos de Extensión, los proyectos de investigación los realiza a través del grupo de Geoquímica ambiental GEAM. cuenta con más de 18 años de experiencia docente e investigativa.

Citas

A. Matías and J. Emilio, “Diseño y simulación de antenas de microcintas de parche triangular cargadas con estructuras metamateriales para comunicaciones inalámbricas.,” 2017.

L. Yousefi, “Theory, Design and Development of Artificial Magnetic Materials,” p. 135, 2009.

A. Pinsakul and S. Promwong, “Artificial magneto-dielectric metamaterial with microstrip antenna for wireless applications,” Proceeding - 5th Int. Conf. Eng. Appl. Sci. Technol. ICEAST 2019, pp. 1–4, 2019, doi: 10.1109/ICEAST.2019.8802536. DOI: https://doi.org/10.1109/ICEAST.2019.8802536

L. A. Lara, D. L. Mancipe, Y. Pineda, J. J. Moreno, and G. Peña-Rodríguez, “Design and characterization of a magneto-dielectric composite in high frequency with aligned magnetite powders,” J. Phys. Conf. Ser., vol. 1386, no. 1, 2019, doi: 10.1088/1742- 6596/1386/1/012103. DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1386/1/012103

G. Sun, B. Dong, M. Cao, B. Wei, and C. Hu, “Hierarchical dendrite-like magnetic materials of Fe3O4, γ-Fe2O3, and Fe with high performance of microwave absorption,” Chem. Mater., vol. 23, no. 6, pp. 1587–1593, 2011. DOI: https://doi.org/10.1021/cm103441u

T. Wang, R. Han, G. Tan, J. Wei, L. Qiao, and F. Li, “Reflection loss mechanism of single layer absorber for flake-shaped carbonyl-iron particle composite,” J. Appl. Phys., vol. 112, no. 10, p. 104903, 2012. DOI: https://doi.org/10.1063/1.4767365

Q. Li, Y. Chen, and V. G. Harris, “Particle-size distribution modified effective medium theory and validation by magneto-dielectric Co-Ti substituted BaM ferrite composites,” Journal of Magnetism and Magnetic Materials, vol. 453. Elsevier B.V., pp. 44–47, May 01, 2018, doi: 10.1016/j. jmmm.2018.01.013. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2018.01.013

F. Costa, M. Borgese, M. Degiorgi, and A. Monorchio, “Electromagnetic characterisation of materials by using transmission/reflection (T/R) devices,” Electron., vol. 6, no. 4, 2017, doi: 10.3390/ electronics6040095. DOI: https://doi.org/10.3390/electronics6040095

A. M. Nicolson and G. F. Ross, “Measurement of the Intrinsic Properties Of Materials by Time- Domain Techniques,” IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 19, no. 4, pp. 377–382, 1970, doi: 10.1109/ TIM.1970.4313932. DOI: https://doi.org/10.1109/TIM.1970.4313932

W. B. Weir, “Automatic Measurement of Complex Dielectric Constant and Permeability at Microwave Frequencies,” Proc. IEEE, vol. 62, no. 1, pp. 33–36, 1974, doi: 10.1109/PROC.1974.9382. DOI: https://doi.org/10.1109/PROC.1974.9382

O. Luukkonen, S. I. Maslovski, and S. A. Tretyakov, “A stepwise Nicolson-Ross-Weir-based material parameter extraction method,” IEEE Antennas Wirel. Propag. Lett., vol. 10, no. December 2011, pp. 1295– 1298, 2011, doi: 10.1109/LAWP.2011.2175897. DOI: https://doi.org/10.1109/LAWP.2011.2175897

E. J. Rothwell, J. L. Frasch, S. M. Ellison, P. Chahal, and R. O. Ouedraogo, “Analysis of the Nicolson-Ross- Weir method for characterizing the electromagnetic properties of engineered materials,” Prog. Electromagn. Res., vol. 157, no. October, pp. 31–47, 2016, doi: 10.2528/PIER16071706. DOI: https://doi.org/10.2528/PIER16071706

L. Á. Lara-González, W. Guillermo-Rodríguez, Y. Pineda-Triana, G. Peña-Rodríguez, and H. F. Salazar, “Optimization of the Tensile Properties of Polymeric Matrix Composites Reinforced with Magnetite Particles by Experimental Design,” TecnoLógicas, vol. 23, no. 48, pp. 83–98, 2020. DOI: https://doi.org/10.22430/22565337.1499

Abdulrahman. S. M. Alqadami, Beadaa Mohammed, Konstanty S. Bialkowski, and Amin Abbosh, “Fabrication and characterization of flexible polymer iron oxide composite substrate for the imaging antennas of wearable head imaging systems,” IEEE Antennas Wirel. Propag. Lett., vol. 17, no. 8, pp. 1364–1368, 2018, doi: 10.1109/ LAWP.2018.2841879. DOI: https://doi.org/10.1109/LAWP.2018.2841879

G. Gonzalez, MICROWAVE TRANSISTOR AMPLIFIERS Analysis and Design, 2nd ed. 1997.

I. L. Ngo, S. Jeon, and C. Byon, “Thermal conductivity of transparent and flexible polymers containing fillers: A literature review,” Int. J. Heat Mass Transf., vol. 98, pp. 219–226, 2016, doi: 10.1016/j. ijheatmasstransfer.2016.02.082. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.02.082

A. R. J. Hussain, A. A. Alahyari, S. A. Eastman, C. Thibaud-Erkey, S. Johnston, and M. J. Sobkowicz, “Review of polymers for heat exchanger applications: factors concerning thermal conductivity,” Appl. Therm. Eng., vol. 113, pp. 1118–1127, 2017. DOI: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.11.041

H. Heuermann, “Calibration of a network analyzer without a thru connection for nonlinear and multiport measurements,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 56, no. 11, pp. 2505–2510, 2008. DOI: https://doi.org/10.1109/TMTT.2008.2005883

M. R. Jolly, J. D. Carlson, and B. C. Muñoz, “A model of the behaviour of magnetorheological materials,” Smart Mater. Struct., vol. 5, pp. 607–614, 1999, doi: 10.1088/0964-1726/5/5/009. DOI: https://doi.org/10.1088/0964-1726/5/5/009

Z. Varga, G. Filipcsei, and M. Zrínyi, “Magnetic field sensitive functional elastomers with tuneable elastic modulus,” Polymer (Guildf)., vol. 47, no. 1, pp. 227–233, Jan. 2006, doi: 10.1016/j. polymer.2005.10.139. DOI: https://doi.org/10.1016/j.polymer.2005.10.139

Y. L. Chan, F. Esa, K. Y. You, M. S. Sim, M. Z. H. Mayzan, and M. A. Jusoh, “Electromagnetic properties of magnetite/epoxy resin composites at x-band frequency,” Prog. Electromagn. Res. Symp., vol. 2017-Novem, pp. 3004–3010, 2017, doi: 10.1109/ PIERS-FALL.2017.8293649. DOI: https://doi.org/10.1109/PIERS-FALL.2017.8293649

A. Aharoni, “Exchange resonance modes in a ferromagnetic sphere,” J. Appl. Phys., vol. 69, no. 11, pp. 7762–7764, 1991. DOI: https://doi.org/10.1063/1.347502