Ali, Wan Fahmin Faiz Wan (2014) Response Surface Method Optimizing The Formation Of Yttrium Iron Garnet (YIG) Via Response Surface Method (Rsm) For Dielectric Resonator Antenna (DRA) Application. PhD thesis, Universiti Sains Malaysia.
![[img]](http://eprints.usm.my/style/images/fileicons/application_pdf.png)
|
PDF
- Submitted Version
Download (190kB) | Preview |
Abstract
Bahan-bahan dielektrik berfasa tunggal menjadi keperluan untuk aplikasi penyalun dielektrik antena (DRA) untuk mengelakkan sebarang pantulan permukaan (kehadiran fasa yang tidak dikehendaki menyebabkan gelombang electromagnet akan dipantul daripada DRA tersebut) yang akan menurunkan prestasi DRA. Walau bagaimanapun, untuk sintesis suatu bahan berfasa tunggal seperti yttrium ferum garnet (YIG) adalah mencabar. Kehadiran fasa sekunder seperti YFeO3 dalam YIG mempengaruhi prestasi DRA secara negatif. Dalam penyelidikan ini, peratusan pembentukan YIG dioptimumkan melalui tindak balas keadaan pepejal konvensional (CSSR). Tiga faktor yang terlibat dalam kajian ini adalah (i) kesan suhu pembentukan, (ii) kesan saiz partikel Fe2O3 dan, (iii) kesan lebihan Fe2O3 telah dikaji. Ini boleh dicapai melalui reka bentuk eksperimen (DOE) dengan pendekatan kaedah tindak balas permukaan (RSM). Berdasarkan analisis DOE, didapati pada suhu pembentukan 1240 oC dengan 5 μm saiz partikel Fe2O3 dan 8 wt.% lebihan Fe2O3 dalam stoikiometri YIG piawaian mampu memperoleh ketulenan YIG sehingga 99.2 %. Sementara itu, kajian kinetik dan mekanisme transformasi fasa menunjukkan pembentukan fasa tunggal YIG mengikuti model Ginstling-Brounshtein-Habert (GBH). Model ini menyatakan dua lapisan tindak balas terbentuk sepanjang pembentukan YIG; lapisan pertama adalah pembentukan fasa YIP and tindak balas selanjutnya antara Fe2O3 dengan YIP akan membentuk lapisan tindak balas YIG (lapisan kedua). Seterusnya, faktor yang dioptimumkan untuk pembentukan YIG (OPYIG) dari DOE telah disinter pada 1420 oC selama 6 jam untuk menghasilkan produk akhir yang berketumpatan tinggi (pengoptimuman pembakaran). Purata saiz butiran OPYIG yang telah disinter adalah 5.98 μm, ketumpatan yang diukur melalui prinsip Archimedes adalah 5.023 g/cm3 dan keliangan adalah 0.2 %. Sifat-sifat dielektrik yang diukur (pemalar dielektrik, εr = 15.72 dan kehilangan tangen, tan δ = 0.0069) menunjukkan OPYIG adalah bahan yang sesuai untuk aplikasi DRA. Untuk prestasi DRA yang terbaik, kedudukan OPYIG mesti berada pada jarak 36 mm dari kawasan jalur mikro. Pada posisi ini, pengukuran DRA dibuat daripada OPYIG menunjukkan keterujaan mod HEM11 yang sangat kuat dan bergema pada 12.501 GHz. Corak sinaran yang diperhatikan menunjukkan OPYIG mempamerkan corak yang stabil dan berarah dua menandakan bahawa isyarat itu dapat diterima melalui dua arah pilihan. Oleh itu, ketulenan tinggi YIG berjaya disintesis melalui CSSR dan sesuai untuk aplikasi DRA yang meliputi julat frekuensi Ku-band (12 GHz untuk 18 GHz). Bahan-bahan dielektrik berfasa tunggal menjadi keperluan untuk aplikasi penyalun dielektrik antena (DRA) untuk mengelakkan sebarang pantulan permukaan (kehadiran fasa yang tidak dikehendaki menyebabkan gelombang electromagnet akan dipantul daripada DRA tersebut) yang akan menurunkan prestasi DRA. Walau bagaimanapun, untuk sintesis suatu bahan berfasa tunggal seperti yttrium ferum garnet (YIG) adalah mencabar. Kehadiran fasa sekunder seperti YFeO3 dalam YIG mempengaruhi prestasi DRA secara negatif. Dalam penyelidikan ini, peratusan pembentukan YIG dioptimumkan melalui tindak balas keadaan pepejal konvensional (CSSR). Tiga faktor yang terlibat dalam kajian ini adalah (i) kesan suhu pembentukan, (ii) kesan saiz partikel Fe2O3 dan, (iii) kesan lebihan Fe2O3 telah dikaji. Ini boleh dicapai melalui reka bentuk eksperimen (DOE) dengan pendekatan kaedah tindak balas permukaan (RSM). Berdasarkan analisis DOE, didapati pada suhu pembentukan 1240 oC dengan 5 μm saiz partikel Fe2O3 dan 8 wt.% lebihan Fe2O3 dalam stoikiometri YIG piawaian mampu memperoleh ketulenan YIG sehingga 99.2 %. Sementara itu, kajian kinetik dan mekanisme transformasi fasa menunjukkan pembentukan fasa tunggal YIG mengikuti model Ginstling-Brounshtein-Habert (GBH). Model ini menyatakan dua lapisan tindak balas terbentuk sepanjang pembentukan YIG; lapisan pertama adalah pembentukan fasa YIP and tindak balas selanjutnya antara Fe2O3 dengan YIP akan membentuk lapisan tindak balas YIG (lapisan kedua). Seterusnya, faktor yang dioptimumkan untuk pembentukan YIG (OPYIG) dari DOE telah disinter pada 1420 oC selama 6 jam untuk menghasilkan produk akhir yang berketumpatan tinggi (pengoptimuman pembakaran). Purata saiz butiran OPYIG yang telah disinter adalah 5.98 μm, ketumpatan yang diukur melalui prinsip Archimedes adalah 5.023 g/cm3 dan keliangan adalah 0.2 %. Sifat-sifat dielektrik yang diukur (pemalar dielektrik, εr = 15.72 dan kehilangan tangen, tan δ = 0.0069) menunjukkan OPYIG adalah bahan yang sesuai untuk aplikasi DRA. Untuk prestasi DRA yang terbaik, kedudukan OPYIG mesti berada pada jarak 36 mm dari kawasan jalur mikro. Pada posisi ini, pengukuran DRA dibuat daripada OPYIG menunjukkan keterujaan mod HEM11 yang sangat kuat dan bergema pada 12.501 GHz. Corak sinaran yang diperhatikan menunjukkan OPYIG mempamerkan corak yang stabil dan berarah dua menandakan bahawa isyarat itu dapat diterima melalui dua arah pilihan. Oleh itu, ketulenan tinggi YIG berjaya disintesis melalui CSSR dan sesuai untuk aplikasi DRA yang meliputi julat frekuensi Ku-band (12 GHz untuk 18 GHz). ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Single phase dielectric materials are desirable for dielectric resonator antenna (DRA) applications to avoid any surface reflection which will deteriorate the DRA performance due to the presence of unwanted phase cause the electromagnetic wave be reflected from it. However, to synthesize a single phase material such as yttrium iron garnet (YIG) is challenging. The presence of the secondary phase such as YFeO3 (YIP) in YIG negatively influences its DRA performance. In this investigation, the percentage of YIG formation was optimized via conventional solid state reaction (CSSR). Three factors that involved for this investigation are (i) effect of formation temperature, (ii) Fe2O3 particle size and, (iii) excess Fe2O3 have been investigated. This can be achieved through the design of experiment (DOE) via the response surface method (RSM) approach. Based on DOE analysis, it was found that at 1240 oC of the formation temperature with 5 μm of Fe2O3 particle size and 8 wt.% of excess Fe2O3 in the standard YIG stoichiometry able to obtain YIG purity up to 99.2 %. Meanwhile, the kinetic and phase transformation mechanism studies indicated the formation of single phase YIG is in accordance the Ginstling-Brounshtein-Habert (GBH) model. The model described that two reacted layer formed throughout the YIG formation; first layer is the formation of YIP phase and further reaction between Fe2O3 with YIP will form a second layer (YIG). Later, the optimized factors for YIG formation (OPYIG) from DOE was sintered at 1420 oC for 6 hours in order to form a high density final product (firing optimization). The average grain size of the sintered OPYIG is 5.98 μm, the density measured via Archimedes principle is 5.023 g/cm3 and 0.2 % porosity. The measured dielectric properties (dielectric constant, εr = 15.72 and tangent loss, tan δ = 0.0069) show that OPYIG is a suitable material for DRA applications. For the best DRA performance, the OPYIG position has to be in 36 mm distance from the microstrip port. At this position, the DRA measurement of OPYIG shows very strong HEM11 excitation mode and resonated at 12.501 GHz. The observed radiation pattern shows OPYIG has exhibited a stable and bi-directional pattern indicated that the signal could be received by two preferred directions. Therefore, high purity YIG is successfully synthesized via CSSR route and suitable for DRA applications that covers the Ku-band (12 GHz to 18 GHz) frequency range.
| Item Type: | Thesis (PhD) |
|---|---|
| Additional Information: | Full text is available at http://irplus.eng.usm.my:8080/ir_plus/institutionalPublicationPublicView.action?institutionalItemId=2867 |
| Subjects: | T Technology T Technology > TN Mining Engineering. Metallurgy > TN263-271 Mineral deposits. Metallic ore deposits. Prospecting |
| Divisions: | Kampus Kejuruteraan (Engineering Campus) > Pusat Pengajian Kejuruteraan Bahan & Sumber Mineral (School of Material & Mineral Resource Engineering) > Thesis |
| Depositing User: | Mr Mohd Jasnizam Mohd Salleh |
| Date Deposited: | 12 Jul 2018 03:51 |
| Last Modified: | 16 Aug 2018 08:21 |
| URI: | http://eprints.usm.my/id/eprint/40990 |
Actions (login required)
 |
View Item |
