고주파 응용을 위한 Co2Z형 페라이트의 마이크로파 특성에 관한 연구 = A Study on the Microwave Properties of Co2Z type Ferrite for RF Application

국문 초록 (Abstract)

최근 정보통신이 발전함에 따라 고주파기기의 핵심부품인 안테나의 소형화 및 광대역화가 요구되고 있다. 소형안테나를 위한 지금까지의 재료개발은 높은 유전율을 가지는 재료에 국한되어 있었다. 그러나 높은 유전율을 가지는 재료는 안테나의 대역폭 감소를 유발하기 때문에 소형화와 광대역화를 동시에 구현하기 어렵다. 최근에는 대역폭의 감소가 나타나지 않는 소형안테나의 구현을 위하여 높은 유전율과 투자율을 동시에 가지는 페라이트에 대한 연구가 진행되고 있다. 스피넬 구조의 Ni-Zn 페라이트는 Sneok 법칙이 적용되기 때문에 고주파대역에서 투자특성이 급격히 감소되어 응용이 불가능하다.
이에 본 연구에서는 Sneok의 한계를 극복하고 고주파영역에서 적용 가능한 페라이트 재료의 개발을 위하여 육방정계 결정구조를 가지는 Co2Z형 페라이트의 (Ba3Co2Fe24O41 세라믹스) 소결온도 및 주파수에 따른 마이크로파 특성을 연구하였다. 투자특성을 향상시키기 위하여 Co자리에 Mn과 Zn를 치환하여 조성에 따른 마이크로파 특성을 조사하였다. 또한 고주파에서의 응용 가능성을 고찰하기 위하여 우수한 특성을 나타내는 조성을 기판으로 하는 배열 안테나를 설계, 모의 실험하여 안테나 특성을 고찰하였다.
다양한 온도에서 소결한 시편들은 주상으로 육방정계의 Z-형 상이 존재하였고 몇몇의 소결온도에서 Y-형과 W-형의 이차상이 나타났다. 또한 Co 자리에 Mn과 Zn이 치환됨에 따라 주상의 회절각의 이동하였다. 모든 세라믹스는 1350℃의 소결온도에서 치밀한 미세구조를 나타냈으며 90% 이상의 상대밀도를 나타내었다. 모든 시편에서 유전율은 소결온도가 증가함에 따라 증가하였고 주파수가 증가함에 따라 감소하였다. 또한 Mn과 Zn의 첨가량이 증가함에 따라 유전율이 다소 증가하였으며 유전율이 감소하는 주파수도 약 600MHz로 증가하였다. 유전손실의 경우 소결온도에 따라 감소하였고, 주파수에 따라 증가하였다. Mn과 Zn의 첨가량에 따라 유전손실의 큰 변화는 나타나지 않았다. Ba3Co2Fe24O41 세라믹스의 투자율은 소결온도에 따라 큰 변화를 나타내지 않았으며 약 600 MHz의 주파수 이상에서 급격한 감소를 나타내었다. Ba3Co2-2xMn2xFe24O41와 Ba3Co2-2yZn2yFe24O41 세라믹스의 투자율은 소결온도가 증가함에 따라 증가하였으며 주파수에 따라 감소하였다. 또한 Mn과 Zn이 첨가됨에 따라 투자율과 자기 공진 주파수가 증가하였다. 투자손실은 주파수에 따라 증가하였으며, 소결온도에 따라 큰 변화 없이 비슷한 값을 나타내었다.
1250℃에서 소결한 Ba3Co1.6Zn0.4Fe24O41 세라믹스 기판으로 사용한 2×2 배열 안테나를 모의실험 한 결과, 100 MHz와 195 MHz의 공진 주파수에서의 각각 -33.928 dB와 -30.408 dB의 반사 손실 (S11)을 나타내었고 각 공진주파수에서 방향성 방사패턴을 나타내었다.
Co2Z형 페라이트의 마이크로파 특성 및 배열 안테나의 모의실험 결과, 자기공진주파수의 상승 및 우수한 안테나 특성을 나타내어, 앞으로 안테나 기판 등의 고주파 소자로 사용 가능할 것으로 생각한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, the rapid growth of communications using the microwave frequencies has created a demand for the small and wide-band antenna. Until now, the development of materials for small antenna was restricted to high permittivity materials. But it is hard to realize of small and wide-band antenna with high permittivity materials because of decrement of band width. Ferrite materials are widely suggested as a small antenna without decreasing of band width. Ni-Zn ferrite are not suitable for RF application caused by Sneok's law which shows rapidly decrements of magnetic properties.
In this thesis, microwave properties with sintering temperature and frequency of the Co2Z type ferrite (Ba3Co2Fe24O41 ceramics) were investigated for high frequency applications. To improvement of magnetic properties, the Co2Z type ferrite with Mn and Zn substitution for Co were investigated. Also array antenna with Co2Z type ferrite as substrate were designed and simulated for RF application.
From the XRD patterns of sintered specimens, hexagonal structure of Z-type phase was existed as main phase and secondary phase of Y-type and W-type phase existed at several sintering temperature. Also diffraction peaks of Z-type phase were shifted to lower angle by Mn and Zn substituted for Co site. All ceramics sintered at 1350℃ had a dense microstructure and relative density of above 90%. In all specimens, the permittivities were increased with sintering temperature and decreased with frequency. The permittivities were increased with Mn and Zn additions. Also permittivity was decreased rapidly over the frequency of 600 MHz. Loss tangent of permittivities were decreased with sintering temperature and increased with frequency. There were no significant change with Mn and Zn additions. The permeability of Ba3Co2Fe24O41 ceramics was not changed with sintering temperature and had a rapid decrement over 210 MHz. The permeability of Ba3Co2-2xMn2xFe24O41 and Ba3Co2-2yZn2yFe24O41 ceramics showed similar behavior to permittivity. The permeability and magnetic resonance frequency were increased with addition of Mn and Zn. The loss tangent of permeability was increased with frequency and was not changed with sintering temperature and composition ratio.
The dual band microstrip 2×2 array antenna, using substrate which was made of Ba3Co1.6Zn0.4Fe24O41 ceramics sintered at 1250℃, had resonant frequency of 100 MHz and 195 MHz. Reflection loss (S11) was -33.928 dB and -30.408 dB at resonant frequency of 100 MHz and of 195 MHz, respectively. Also the radiation patterns of 2×2 array antenna were same as directional pattern at 100 MHz and 195 MHz.
From the results of Co2Z type ferrite and array antenna simulation, it seems that the Co2Z type ferrite will be serviceable as microwave component such as antenna substrate.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론
• 제 2 장 이 론
• 2-1. 마이크로파 대역에서의 유전성 및 자성
• 2-2. 페라이트
• 2-3. 마이크로파 대역에서의 유전율 및 투자율 측정
• 제 3 장 실 험
• 3-1. 시편의 제조
• 3-2. 구조적 특성 측정
• 3-3. 마이크로파 특성 측정
• 3-4. 마이크로스트립 배열 안테나 설계
• 제 4 장 결과 및 고찰
• 4-1. Ba3Co2Fe24O41 세라믹스의 X-선 회절 분석
• 4-2. Ba3Co2Fe24O41 세라믹스의 미세구조
• 4-3. Ba3Co2Fe24O41 세라믹스의 소결밀도 및 상대밀도
• 4-4. Ba3Co2Fe24O41 세라믹스의 유전특성 및 투자특성
• 4-5. Ba3Co2-2xMn2xFe24O41 (x=0.1～0.5) 세라믹스의 X-선 회절 분석
• 4-6. Ba3Co2-2xMn2xFe24O41 (x=0.1～0.5) 세라믹스의 미세구조
• 4-7. Ba3Co2-2xMn2xFe24O41 (x=0.1～0.5) 세라믹스의 소결밀도 및 상대밀도
• 4-8. Ba3Co2-2xMn2xFe24O41 (x=0.1～0.5) 세라믹스의 유전특성 및 투자특성
• 4-9. Ba3Co2-2yZn2yFe24O41 (y=0.1～0.5) 세라믹스의 X-선 회절 분석
• 4-10. Ba3Co2-2yZn2yFe24O41 (y=0.1～0.5) 세라믹스의 미세구조
• 4-11. Ba3Co2-2yZn2yFe24O41 (y=0.1～0.5) 세라믹스의 소결밀도 및 상대밀도
• 4-12. Ba3Co2-2yZn2yFe24O41 (y=0.1～0.5) 세라믹스의 유전특성 및 투자특성
• 4-13. 2×2 배열 안테나의 주파수 특성
• 제 5 장 결 론
• 참 고 문 헌