Weichmagnetische Nanokomposite und deren Anwendungen in der Hochfrequenztechnik

Hettstedt, Falk

Die vorliegende Dissertation beschreibt die Modellierung und die messtechnische Charakterisierung neuartiger weichmagnetischer Nanokomposite sowie den Entwurf ver-schiedener Hochfrequenzbauteile, hier Torus-Spulen und Baluns, mit diesen Materialien als Kern. Für die Kommunikationselektronik sind solche Materialien von großem Interesse, da durch ihren Gebrauch Bauteile signifikant miniaturisiert werden können und damit im GHz-Bereich anwendbar sind. Im Rahmen dieser Arbeit werden nach einer Einleitung im ersten Kapitel und der Darstellung von Grundlagen im zweiten Kapitel, im Dritten ein Überblick über die zur theoretischen Be-schreibung der magnetischen Materialien benötigten formelmäßigen Zusammenhänge ge-geben. Diese Gleichungen werden kombiniert, so dass das komplexe Permeabilitätsspektrum, abhängig von den verwendeten Materialien, deren Struktur und den verschiedenen Konfigurationen, berechnet werden kann. Somit können mit diesen theoretischen Zu-sammenhängen die effektive Permeabilität und verschiedene Verlustmechanismen wie Wirbelströme und die ferromagnetische Resonanz in Nanokompositmaterialien untersucht werden. Natürlich können auch umgekehrt, bei gegebenen Materialanforderungen, wie Permeabilität und Einsatzfrequenzbereich, Anforderungen an die Materialien definiert werden. Die Richtigkeit der theoretischen Zusammenhänge wird durch den Vergleich zwischen Berechnungen und Messungen gezeigt. Neben der theoretischen Beschreibung, die nur bei perfekter Kenntnis aller Materialparameter präzise geleistet werden kann, ist die messtechnische Bestimmung der Materialdaten von großer Bedeutung. Deshalb werden im vierten Kapitel verschiedene Messmethoden untersucht. Die Messungen beruhen auf verschiedenen physikalischen Phänomenen, wie der Änderung der Induktivität einer Spule oder der Änderung von Wellenleitereigenschaften. Die Kenntnis des gemessenen Permeabilitätsspektrums ist erforderlich, um Bauteile mit magnetischen Materialien effizient und korrekt zu entwerfen, da die frequenzabhängigen Datensätze der Messergebnisse direkt in verschiedene Simulationsprogramme eingelesen werden können. Im fünften Kapitel werden verschiedene Hochfrequenzbauteile mit magnetischem Kern, welche in Dünnfilmtechnik angefertigt werden können, diskutiert. Es wird gezeigt, wie die Bauteile zu entwerfen sind und welche Anforderungen an das Kernmaterial daraus resultieren. Der Nutzen von hochpermeablen Materialien wird am Beispiel von Torus-Spulen deutlich gemacht. Ihre Induktivität lässt sich prinzipiell durch einen magnetischen Kern um den Faktor der effektiven relativen Permeabilität erhöhen. Dementsprechend verbessert sich auch der Gütefaktor, wenn der Kern keine zusätzlichen Verluste verursacht. Anhand eines ent-wickelten Ersatzschaltbildes wird gezeigt, wie die Torus-Spulen zu entwerfen sind und welche Anforderungen an das magnetische Material gestellt werden müssen. Neben dem generellen Entwurf der Induktoren wird beispielhaft eine Optimierung unter den in dieser Arbeit geltenden Randbedingungen durchgeführt, um eine gewünschte Induktivität bei maximaler Güte zu erreichen. Weiter werden in Dünnfilmtechnik hergestellte Baluns mit sehr großen Bandbreiten, beginnend im MHz-Bereich, untersucht. Es werden verschiedene Leitungstypen, welche die Grundlage des Baluns sind, betrachtet und optimiert. Unter Verwendung optimierter Leitungen werden verschiedene Baluns entworfen und ebenfalls optimiert. Es wird gezeigt, wie sich das Betriebsverhalten der Baluns durch magnetische Kerne verbessern lässt.

This submitted manuscript describes the modelling, characterization of novel magnetic nano-composites and the designing of rf-components, like toroid inductors and baluns, which use them. Nowadays in many areas of modern electronics, like for example laptop computers and cell phones, further development of high-frequency magnetic components is urgently re-quired. This is currently driving the integration or embedding of passive components, which would replace off-chip discrete modular assemblies. In the scope of this work the third chapter gives an overview of the required analytical mod-els for the high-frequency behaviour of magnetic nanocomposites. The aim of the investiga-tions is the modelling of the physical properties such as, effective permeability, eddy currents, ferromagnetic resonance, effects of shape factors and type of packing of nanocomposite, as this is required for device simulations. The comparison of calculated and measured parameters shows good agreement in high frequency behaviour. In addition to the analytical models chapter four investigates different measurement methods to determine the permeability at high frequencies. The permeability of magnetic thin films is extracted using two different methods: Firstly a coplanar waveguide, and secondly a shorted strip conductor which models a loop inductance. Permeability can be evaluated by the change of transfer behaviour or the change of inductance before and after incorporating a magnetic thin film. The transfer behaviour or the inductance is measured by the use of a network ana-lyzer. This measured permeability at high frequencies is of great importance for designing and developing rf-devices such as inductors, resonators, transformers and circulators which use magnetic thin films. Magnetic thin film can improve the performance or reduce the used volume of these components. The fifth chapter investigates different thin film rf-components using magnetic cores. The design of these components is elucidated as well as which requirements the magnetic material must fulfil. Firstly a toroidal micro-inductor is discussed. The investigations of this aim at fulfilling the demands of small size, high inductance, high operation frequency, and adequate quality factor required for modern mobile communication electronics. The toroidal inductor was designed using a novel equivalent circuit model. Next possible optimization is shown of the general design rules to achieve the required inductance with maximal quality factor. Finally some baluns are investigated. These baluns with magnetic cores are simulated and optimised under the boundary conditions given by the thin film processes and the magnetic materials.

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Hettstedt, Falk: Weichmagnetische Nanokomposite und deren Anwendungen in der Hochfrequenztechnik. 2011.

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