Apresentação de Material Cerâmico para uso em antenas ressoadoras dielétrica

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1
Estudos das Propriedades Dielétricas e Elétricas
das Matrizes Mg4Nb2O9 para Aplicações em
Componentes de Rádio Frequência e Microondas
Universidade Federal do Ceará
Centro de Tecnologia
Departamento de Engenharia de Teleinformática (DETI)
Defesa de Tese de Doutorado
Aluno: José Miranda da Silva Filho
Orientador: Dr. Antônio Sérgio Bezerra Sombra
2
Sumário
 Motivação
 Objetivos
 Fundamentos Teóricos 
 Classificação do material e propriedades
 Estrutura Cristalina
Aplicações 
 Modelo Teórico
 Procedimentos Experimentais 
 Técnicas e Métodos de Produção
 Caracterização da matriz Mg4Nb4O9
 Dados Experimentais e Discussão
 Perspectivas Futuras
Agradecimentos
 Trabalhos Decorrentes
 Participação em Congresso
 Referências
3
Motivação
A matriz cerâmica Mg4Nb2O9 possui as
seguintes vantagens:
Baixa perda dielétrica conseqüentemente,
Excelente fator de qualidade;
Propriedades microondas
Baixa temperatura de sinterização
Possibilidade de melhorarias de suas
propriedades através de aditivo.
4
Objetivos
 Produzir a matriz cerâmica Mg4Nb2O9 através do método de
reação de estado sólido procurando melhor as etapas de
produção;
 Identificar e caracterizar a matriz cerâmica Mg4Nb2O9
utilizando diversas técnicas visando a confirmação de
propriedades e características;
 Melhorar as propriedades dielétricas e microondas do material
visando aplicações em componentes de comunicação através
de adição de outro material;
 Produzir um dispositivo ou componente que opere na
frequência de rádio e/ou microondas.
 Conferir modelos teóricos e empíricos de adequação através
da utilização e/ou elaboração de software para simulações dos
dados e/ou parâmetros experimentais visando otimização do
funcionamento do componente ou dispositivo.
5
Fundamentos Teóricos
6
Classificação e Propriedades
• As cerâmicas ortorrômbicas são classificadas em
quatro (4) principais classes.
• Onde Mg4Nb2O9 é um dos óxidos de niobato de
magnésio já reconhecidos:
Óxido 1 (MgM2O6)
Óxido 2 (Mg4M2O9)
Óxido 3 (Mg5M4O15)
Óxido 4 (Mg2/3M11(1/3)O9) 
onde (M = Ta, Nb)
7
Classificação e Propriedades
• Baixa perda dielétrica;
• Material definido como uma cerâmica de
baixa temperatura de sinterização simultânea
(LTCC);
• Permissividade dielétrica entre 10 – 15 ou
maior comparada com o da alumina.
• Fotoluminescência ativada em temperatura
ambiente através da dopagem de cério.
8
Estrutura Cristalina 
Estrutura cristalina da cerâmica Mg4Nb2O9 (* rotação de 120° em torno de c)
9
Aplicações 
 Antenas ressonadoras dielétricas (DRAs)
 Material apropriado de camada de memória temporária em
dispositivos de memória ferroelétricos
 Dispositivos de múltiplas camadas em comunicações moveis e
radar
 Capacitores internos que podem ter melhor desempenho em
encapsulamento LTCC.
 Componentes embarcados em tecnologia microondas.
 Para uso junto a componentes que requerem circuitos de alta
freqüência trabalhando em comunicações de dados de alta
velocidade por possuir baixa perda.
10
Alguns Componente fabricados com MN
terminal
terminal
Camadas dielétricas
Eletrodo 
encapamento
Camadas 
dielétricas
Placa mãe
(i)
(ii)
(iii)
(iv)
(v)
(vi)
(i) Material de camadas para dispositivos
de memória temporária (BUFFER)
(ii) Antenas ressonadoras dielétricas
(iii) Capacitores de múltiplas camadas
(iv) Atuadores em pilha
(v) Transdutores
(vi)Lâmpadas fluorescentes frias
11
Antena Ressonadora Dielétrica
Antena Ressonadora Dielétrica (DRA) e sua 
análise.
Utilização dos ressoadores dielétricos (RDs):
 Por muitos anos os RDs foram usados principalmente
como osciladores e filtros em microondas.
 Materiais com εr > 20 e fator de qualidade (Q) podendo
atingir valor de até 10.000.
 São tratados como dispositivos capazes de armazenar
energia e radiadores.
11
12
Diferentes formas geométricas para as DRAs (LUCK; LEUNG, 2003)
Tipos:
Cilíndrico
Semi-esférico
Retangular
Esférico
Disco circular
Triangular
13
Vantagens
 Uma das grandes vantagens das DRAs comparadas com antenas
metálicas tradicionais é o fato desta não possuir perdas por condução
principalmente em microondas.
 E conseqüentemente grande eficiência de radiação por haver poucas
perdas devido a ausência de metais.
 Vantagens em relação ao tamanho, perfil e peso, e dimensão
proporcional a:
 E possuir maior largura de banda e mecanismo de excitação simples,
flexíveis e fáceis de controlar.
'
0 r 
14
Modelo Teórico de Relaxação Dielétrica 
15
Procedimentos Experimentais
16
Nb2O5MgO
1 2
1
2
3
2 5 4 2 94MgO Nb O Mg Nb O 
3
Procedimentos para a produção da cerâmica através do método de reação de estado sólido
17
Procedimentos para a produção das peças em pastilhas e as RDA cilíndricas 
18
Óxidos de partida
MgO +Nb2O3
Moagem (370 rpm /5h)
Conformação (5MPa)
Sinterização – 1050° C – 4h Medidas
- DRX
- MEV
- RF e MW
4MgO + Nb2O3  Mg4Nb2O9 
Pesagem
Calcinação – 1000° C – 5h
19
Sumário descritivo das amostras preparadas
Nomenclatura Descrição da Amostras Ligante (1%)
MN00 Mg4Nb2O9 + V2O5 (0%) PVA
MN02 Mg4Nb2O9 + V2O5(2%) PVA
MN05 Mg4Nb2O9 + V2O5(5%) PVA
MN10 Mg4Nb2O9 + V2O5(10%) PVA
MN15 Mg4Nb2O9 + V2O5(15%) PVA
20
Resultados e Discussões
21
Identificação da Fase por Difração 
de Raios-X
22
Identificação de Fase
Difratograma padrão e o obtido através da moagem mecânica por 5h (CoKα, λ=1.88405 Å)
A identificação dos
picos de difração foi
realizada e concorda
com a estrutura
cristalina hexagonal
23
Identificação de Fase: Refinamento Rietveld
Padrões de Difração do refinamento de Rietveld para Mg4Nb2O9 para Observado , Calculado e Diferença
(Observado – Calculado) (CoKα, λ=1.8885Å)
24
Microscopia Eletrônica de 
Varredura (MEV)
25
Microestrutura
Micrografias da amostra da série MN: a) MN00 b) MN02 c) MN05 d) MN10 escala de x1000 e |--|2µm
26
Análise Dielétrica - RF
27
28
Permissividade Dielétrica Parte Real
– Parte real da permissividade variando com a freqüência para diferentes temperaturas das amostras: a) N00 b) (MN0 2c) MN05 e d) MN10.
29
Impedância Elétrica Parte Real
↑σ
liberação de possíveis
cargas espaciais, ou
consequentemente a
diminuição da
barreira de energia de
separação dos
portadores de cargas
nos materiais
(ASHOK KUMAR et
al., 2006)
30
Impedância Elétrica Parte Imaginária
Um único pico de perda
Convergência de 
cargas espaciais 
31
Figuras de Nyquist
gg
g
g
CRi
R
Z


1
gbgb
gb
gb
CRi
R
Z


1
22
'
)(1)(1 RgRg
gb
gg
g
CR
R
CR
R
Z  












22
''
)(1)(1 RgRg
gbgb
gb
gg
gg
CR
CR
R
CR
CR
Z 



As componentes real e imaginária
da impedância total do circuito
equivalente são dadas por:
Os menores diâmetros em baixas
frequências representam pequenas
resistências e diminuem com
aumento da temperatura (JAMNIK,
2001; ABDULLAH; YUSOFF, 2001)
32Variação da condutividade ac em função da frequência e da temperatura
Condutividade







KT
Eaexp0
N
a 
te
n
ta
ti
v
a 
d
e 
ex
p
li
ca
r 
o
 m
ec
an
is
m
o
 d
e 
tr
an
s.
 e
lé
tr
ic
o
dispersão
Arhenius 
33
Valores de Condutividade com Parte 
Imaginária da Impedância
305 2.99 x 106 2.85 x 10-9 8.67 x 107 6.99 x 10-11 8.45x 108 5.86 x 10-8
330 1.10 x 106 7.76 x 10-9 2.42 x 107 2.22 x 10-10 6.94 x 107 7.42 x 10-7
355 3.35 x 105 2.55 x 10-8 8.68 x 106 7.30 x 10-10 2.93 x 107 1.38 x 10-7
380 1.39 x 105 6.16 x 10-8 1.17 x 106 5.22 x 10-9 3.54 x 106 1.48 x 10-5
405 1.29 x 105 1.29 x 10-7 4.63 x 105 1.32 x 10-8 4.53 x 105 1.16 x 10-4
430 3.56 x 105 2.40 x 10-7 1.41 x 105 4.34 x 10-8 1.59 x 105 3.29 x 10-4
ToC ZRe (Ω)
MN00
σ [(Ω.m)-1]
MN00
ZRe (Ω)
MN02
σ (Ω.m)-1
MN02
ZRe (Ω)
MN05
σ (Ω.m)-1
MN05
34
Módulo Dielétrico: Parte Real
1M  
Variação do módulo elétrico real em função da frequência e da temperatura
Como no caso
temp.
ambiente.
Ausência de
força
restauradora
governando a
mobilidade dos
portadores de
carga sob a
ação de um
campo elétrico
induzido
35
Módulo Dielétrico: Parte Complexo
Variação do módulo elétrico imaginário em função da frequência e da temperatura
Na região onde o 
pico aparece é 
um indicativo 
de transição de 
faixa da 
mobilidade 
longa para a 
curta , com o 
aumento da 
frequência e 
temperatura 
para os 
portadores de 
carga 
envolvidos no 
processo (Não-
Debye). 
(Arrhenius)







KT
E
ff aexp0
36
Energias de Ativação
Variação de σdc vs. 10
3/T e fmax vs. 10
3/T para as amostras analisadas
37
Simulação para a adequação do
modelo de relaxação
38
39
Obtenção dos parâmetros de simulação
40
41
42
43
Análise em Microondas
(Hakki-Coleman)
44
45
Permissividade Dielétrica
Variação da constante dielétrica (ε’r) em função da concentração de V2O5
46
Variação da Tangente de perdas dielétricas (Tanδe) em função da concentração de V2O5
Tangente de Perdas Dielétrica
-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16
0,0000
0,0002
0,0004
0,0006
0,0008
0,0010
0,0012
0,0014
0,0016
0,0018
 
 
T g

V
2
O
5
(%)
47
Fator de Qualidade
Variação da Fator de Qualidade (Qf) em função da concentração de V2O5
48
Coeficiente de Temperatura na 
Frequência de Ressonância
-0,02 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16
-100000
-80000
-60000
-40000
-20000
0
20000
 
 
 f
V
2
O
5
Variação da Fator de Qualidade (Qf) em função da concentração de V2O5
4949
Simulação da RDA usando método 
de elementos finitos
5050
5151
Amostra Comprimento 
(mm)
Diâmetro
(mm)
Freqüência 
(GHz)
εr tgδ Qd
MN00 8.52 17,09 8,89 7,48 1,69 10-3 606
MN02 8.23 15,36 7,86 10,91 5,06 10-4 2010
MN05 8.52 15,81 7,75 10,56 3,01 10-4 3377
MN10 7.99 15,18 7,18 13,74 8,82 10-5 11478
MN15 8.25 15,45 7,14 13,21 9,36 10-5 10823
Dimensões e parâmetros da DRA
5252
4,0x10
9
4,5x10
9
5,0x10
9
5,5x10
9
6,0x10
9
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
 Experimental
 Simulada
S 1
1(d
B
)
Frequency (Hz)
MN00
53
MN02
4,0x10
9
4,5x10
9
5,0x10
9
5,5x10
9
6,0x10
9
6,5x10
9
7,0x10
9
-40
-30
-20
-10
0
 
 
 Experimental
 Simulada
S 1
1(d
B
)
Freqüência (Hz)
5454
Padrão de Radiação da Antena
5656
MN00 MN00
MN02
MN02
5757
MN05MN05
58
Conclusões
Tendo em vista todos os resultados do presente trabalho podemos
apontar as seguintes melhorias para presente matéria MN00 tais
como:
 Uma baixa na temperatura de calcinação ao adicionar óxido de
Vanádio;
 Uma queda significativa na perda dielétrica através a inclusão de
2% de Vanádio sem depreciação de outros parâmetros relevantes
para a confecção de uma antena ressonadoras dielétrica;
 Aumento da constante dielétrica, o que possibilita uma maior
miniaturização do componente (antena ressonadora dielétrica)
 Aumento na perda de retorno de Retorno
58
59
Perspectivas futuras
• O emprego de novas metodologias para obtenção do material
cerâmico;
• O aprofundamento no estudo microestrutura do material estudado
(micro deformação);
• Emprego de outras técnicas de caracterização de materiais
• Síntese e caracterização de uma outra fase ferrimagnética para
obtenção de um compósito estável na faixa de micro-ondas com a
temperatura, envolvendo essa duas fases.
• Aproximar o coeficiente de temperatura próximo ou igual a zero
para promover a estabilidade em situações de grandes flutuações.
• Otimização dos parâmetros fundamentais do presente material
visando a elaboração de um patente.
59
60
Agradecimentos
 Minha Família
 Professor A. S. Sombra
 A todos que direta ou indiretamente contribuíram para essa
trabalho.
 Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e
Tecnológico (CNPq)
 U.S Air Force Office of Scientific Research (AFOSR) (FA9550-
06-1-0543 and FA9550-08-1-0210)
 Laboratório de Raios-X da Universidade Federal do Ceará.
60
6161
Referências
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Publicações Decorrentes da Tese e 
Publicações Decorrentes de outros trabalhos
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PUBLICAÇOES RELACIONADAS À TESE
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017-5324-0 2017
OUTRAS PUBLICAÇÕES
R.G.M. Oliveira, 1,2 D.B. Freitas,2 M.C. Romeu,2 M.A.S. Silva,2A. J. M. Sales,1,2 A.C. Ferreira,2
J.M.S. Filho,1,2 and A.S.B. Sombra, Design and Simulation of Na2Nb4O11 Dielectric Resonatot
Antenna Added with Bi2O3 for Microwave Aplication, 1,2 DOI 10.1002/mop Microwave and
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67
PARTICIPAÇÃO EM CONGRESSOS
1. Sousa, D.G., Silva Filho, J.M., Sales, J.C., Silva, M.A.S., Sales, A.J.M.,
Nascimento, J.P.C., Rodrigues Junior, C.A., Sombra, A.S.B., Caracterização
dielétrica da cerâmica ferroelétrica Ti0.4Fe0.3Nb0.3O2 (TFNO) com
adição de Bi2O3, 57o Congresso Brasileiro de Cerâmica & 5o Congresso
Ibero-americano de Cerâmica de 19 a 22 de Maio de 2013 Natal –RN -
Brasil
2. Rodrigues Junior, C.A, Silva Filho, J.M., Sales, J.C., Silva, M.A.S.,
Sales, A.J.M., Nascimento, J.P.C., Sombra, A.S.B., Estudo das propriedades
dielétricas do SrBi4Ti4O15 (SBTi) dopado com V2O5, 57o Congresso
Brasileiro de Cerâmica & 5o Congresso Ibero-americano de Cerâmica de
19 a 22 de Maio de 2013 Natal –RN –Brasil.
3. M.C. Romeu, R.G.M. Oliviera, A.J.M. Sales, P.M.O. Silva, J.C. Sales,
Silva Filho, J.M., C.A.R. Junior, Sombra, A.S.B., Estudo Estrutural e
dielétrico da matriz cerâmica Na2Nb4O11 adicionado com TiO2, 57o
Congresso Brasileiro de Cerâmica & 5o Congresso Ibero-americano de
Cerâmica de 19 a 22 de Maio de 2013 Natal –RN –Brasil.
4. Rodrigues Junior, C.A, Silva Filho, J.M., Freitas, D.B., Oliveira,
R.G.M.; Sales, J.C., Silva; J.P.C., Sombra, A.S.B., Estudo das propriedades
dielétricas do SrBi4Ti4O15 (SBTi) dopado com PbO, 56o Congresso
Brasileiro de Cerâmica & 5o Congresso Ibero-americano de Cerâmica de
03 a 06 de Maio de 2012 Curitiba –PN –Brasil
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PARTICIPAÇÃO EM CONGRESSOS
5. Sales, J.C.; Sales, A.J.M.; Almeida, J.s.; Silva Filho, J.M.; Sombra, A.S.B.;
Sancho, E.O.; Os fornos na indústria cerâmica no Ceará 56o Congresso
Brasileiro de Cerâmica & 5o Congresso Ibero-americano de Cerâmica de
03 a 06 de Maio de 2012 Curitiba –PN –Brasil.
6. Sancho, E.O; Freitas, D.B.; Sales, A.J.M; Sales, J.C.; Silva Filho, J.M.;
Sombra, A.S.B. Propriedades estruturais e elétricas da cerâmica
SrBi2Nb2O9 fabricada por moagem de alta energia, 56o Congresso
Brasileiro de Cerâmica & 5o Congresso Ibero-americano de Cerâmica de
03 a 06 de Maio de 2012 Curitiba –PN –Brasil.
7. Sales, J.C.; Sales, A.J.M.; Almeida, J.s.; Silva Filho, J.M.;.; Sancho, E.O.;
Sombra, A.S.B. Os 45 anos da cerâmica santa Edwiges Ltda. 56o
Congresso Brasileiro de Cerâmica & 5o Congresso Ibero-americano de
Cerâmica de 03 a 06 de Maio de 2012 Curitiba –PN –Brasil
8. Silva Filho, J.M., Sales, J.C.; Oliveira, R.G.M; Freitas, D.B.; Rodrigues Jr.,
C.A.; Sancho, E.O.; Sombra, A.S.B. VII Congresso Nacional de Engenharia
Mecânica - CONEM 2012 – 31 de Julho a 03 de agosto de 2012 – São Luís
– Maranhão – Brasil
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PARTICIPAÇÃO EM CONGRESSOS
9. Oliveira, R.G.M; Romeu, M.C.; Sales, J.C.; Sombra, A.S.B.; Silva, P.M.O.; Filho,
J.M.S. Estruturas das Matrizes Cerâmicas Na2Nb4O11 para Aplicações em
Componentes de Rádio Freqüência e Microondas. 55o Congresso Brasileiro de
Cerâmica de 29 Maio a 01 Junho de Maio de 2012 Porto de Galinhas –PE –Brasil.
10. Rodrigues Junior., C.A.; Silva Filho, J.M., Freitas; Sales, J.C., Silva; M.A.S.;
Sombra, A.S.B. Caracterização e estudo de propriedades elétricas do SrBi4Ti4O15
(SBTi) dopado com PbO, 53o Congresso Brasileiro de Cerâmica de 07 a 06 de Junho
de 2009, Guarujá –SP –Brasil.
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Obrigado!
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