Amorphous glass-coated ferromagnetic wires in microwave engineering

Abstract

En esta tesis se ha estudiado el uso de hilos ferromagnéticos recubiertos de vidrio en ingeniería de microondas. Para este fin, se han formulado modelos analíticos y equivalentes circuitales de la interacción entre un hilo ferromagnético y campos electromagnéticos. Dichos modelos se han utilizado para estudiar los fenómenos más relevantes relacionados con la interacción entre un hilo ferromagnético y campos electromagnéticos, incluyendo la transición de efectos superficiales a volumétricos, y las múltiples peculiaridades del espectro de absorción. Además, se han investigado los límites fundamentales en el equilibrio de potencias presente en interacciones de un hilo ferromagnético con campos electromagnéticos, así como sus implicaciones tecnológicas. Estructuras consistentes en varios hilos ferromagnéticos se han modelado como materiales electromagnéticos artificiales (los cuales pertenecen a la clase de materiales dieléctricos con permitividad controlada por las propiedades magnéticas de los hilos) y superficies artificiales. Basado en estos estudios fundamentales, absorbentes electromagnéticos reconfigurables y sensores de estrés mecánico basados en técnicas de radar se han identificado como las aplicaciones más prometedoras. A este respecto, se han presentado diseños de prueba de concepto de un absorbente de banda ancha con una banda estrecha de reflexión, y un absorbente de banda estrecha. Dichos dispositivos podrían utilizarse en la práctica para monitorizar objetos ocultos a observadores externos, y para mitigar interferencias en comunicaciones inalámbricas. En lo concerniente a sensores de estrés mecánico basados en técnicas de radar, se ha presentado un procedimiento para caracterizar los hilos bajo estreses mecánicos. Utilizando dicha técnica se han caracterizado hilos en los que la posición en frecuencia de la resonancia ferromagnética natural aumenta en función del estrés aplicado. Estos resultados sugieren el uso de hilos ferromagnéticos para monitorizar estructuras arquitectónicas e implantes.

This dissertation deals with the use of glass-coated amorphous ferromagnetic wires in microwave engineering. To this end, analytical and equivalent circuit models of the scattering of electromagnetic fields by a single ferromagnetic wire are formulated. Those models are employed to study the main phenomena related to the scattering by a ferromagnetic wire, including the transition from surface to bulk effects, and the multiple peculiarities of the absorption spectrum. Fundamental limits on the balance of powers involved in the scattering problem, as well as their technological implications, are also addressed. Moreover, structures composed of several ferromagnetic wires are modeled as artificial electromagnetic materials (which are found to belong to the class of artificial dielectrics with magnetically controlled permittivity) and artificial impedance surfaces. Based on these fundamental studies, reconfigurable electromagnetic absorbers and mechanical-stress contact-less sensors are identified as the most promising applications. In this regard, proof-of-concept designs of a wideband absorber with a reconfigurable non-absorbing notch, and a reconfigurable absorber with a narrow absorbing band are presented. These absorbers could be employed in practice to track objects hidden to external observers and to mitigate interferences in wireless communications. As for contact-less sensing, a retrieval technique aimed to characterize the wires under mechanical-stresses is introduced. The frequency position of the natural ferromagnetic resonance of the studied wires is seen to increase along with elongation, which suggests a potential use as contactless sensors for architectural and health monitoring.