Desenvolvimento de substratos cerâmicos de dióxido de titânio com alta permissividade para utilização em antenas.

Abstract

É investigado o dióxido de titânio (TiO2) como substrato dielétrico para aplicações em dispositivos de telecomunicações, em especial antenas de microfita. A escolha foi baseada no baixo preço do TiO2 e seu comportamento inofensivo à saúde humana. Os substratos foram fabricados pela sinterização por estado sólido. Esta técnica produz cerâmicas de qualidade a baixo custo, o que favorece a viabilidade econômica para as futuras antenas. Devido às propriedades dielétricas, o substrato torna-se importante para a miniaturização e eficiência das antenas. Neste sentido uma completa caracterização da microestrutura torna-se necessária, bem como uma detalhada caracterização das propriedades eletromagnéticas. Os substratos de dióxido de titânio foram sintetizados em temperaturas que variaram de 1150 °C a 1350 °C. O tempo de sinterização também foi investigado, obtendose amostras com tempos de 4 e 12 horas. A difração de raios X e a microscopia eletrônica de varredura (MEV) foram utilizadas para investigar a estrutura cristalina, o tamanho dos grãos e a porosidade das amostras resultantes. As cerâmicas obtidas são tetragonais (fase rutilo), com tamanhos médios de grãos variando de 2,94 µm a 5,81 µm. A variabilidade dos tamanhos de grãos, evidenciada pelo erro médio padrão, não foi muito grande para cada temperatura/tempo de sinterização, o que confirma que não houve crescimento anormal de grão. O tamanho médio dos grãos das amostras aumenta com o aumento da temperatura, enquanto a porosidade total diminui, bem como o tamanho médio das porosidades. O mesmo comportamento, de tamanho de grão e porosidade, é observado quando se mantém a temperatura constante e incrementa-se o tempo de sinterização. O efeito da microestrutura nas propriedades dielétricas dos substratos cerâmicos também foi estudado. Densidades relativas obtidas entre 0.66 e 0.86 indicam a evolução do processo de densificação à medida que tempo/temperatura aumentaram. A densificação, evidenciado pela redução da porosidade e crescimento dos grãos, das amostras aumentam as suas permissividades dielétricas relativas. Um modelo analítico inovador foi desenvolvido, permitindo que se estime a permissividade do material sem poros. Os valores obtidos para a permissividade dielétrica foram elevados se comparados com substratos comerciais usualmente utilizados em componentes de telecomunicações. Isso indica que os substratos cerâmicos obtidos podem ser úteis na miniaturização de dispositivos de telecomunicações, especialmente as antenas de microfita. As tangentes de perdas foram próximas de zero, o que garante uma boa eficiência para os futuros equipamentos construídos sobre os substratos cerâmicos desenvolvidos.