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Antena de metamaterial

Esta antena Z, probada en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, es más pequeña que una antena estándar con propiedades similares. Su alta eficiencia se debe al "elem...

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Esta antena Z, probada en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, es más pequeña que una antena estándar con propiedades similares. Su alta eficiencia se debe al "elemento Z" dentro del cuadrado, que actúa como un metamaterial , potenciando enormemente la señal radiada. El cuadrado mide 30 milímetros por lado.

Las antenas de metamateriales son una clase de antenas que utilizan metamateriales para aumentar el rendimiento de los sistemas de antenas miniaturizados ( eléctricamente pequeños ) . [ 1 ] Su propósito, como el de cualquier antena electromagnética, es lanzar energía al espacio libre. Sin embargo, esta clase de antenas incorpora metamateriales, que son materiales diseñados con estructuras novedosas, a menudo microscópicas , para producir propiedades físicas inusuales . Los diseños de antenas que incorporan metamateriales pueden aumentar la potencia radiada de la antena .

Las antenas convencionales, que son muy pequeñas en comparación con la longitud de onda, reflejan la mayor parte de la señal de vuelta a la fuente. Una antena de metamaterial se comporta como si fuera mucho más grande que su tamaño real, porque su novedosa estructura almacena y reemite energía. Se pueden utilizar técnicas de litografía establecidas para imprimir elementos de metamaterial en una placa de circuito impreso . [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]

Estas novedosas antenas facilitan aplicaciones como la interacción portátil con satélites, la dirección de haces de gran angular, los dispositivos de comunicaciones de emergencia, los microsensores y los radares portátiles de penetración terrestre para la búsqueda de características geofísicas.

Algunas aplicaciones de las antenas de metamateriales son la comunicación inalámbrica , las comunicaciones espaciales , el GPS , los satélites , la navegación de vehículos espaciales y los aviones.

Diseños de antenas

Los diseños de antenas que incorporan metamateriales pueden mejorar la potencia radiada . Las antenas de metamateriales más recientes irradian hasta el 95 % de la señal de radio de entrada . Las antenas estándar deben tener al menos la mitad del tamaño de la longitud de onda de la señal para funcionar de manera eficiente. A 300 MHz , por ejemplo, una antena tendría que medir medio metro. En cambio, las antenas de metamateriales experimentales son tan pequeñas como una quincuagésima parte de la longitud de onda, y podrían reducirse aún más su tamaño.

Los metamateriales constituyen la base para una mayor miniaturización de las antenas de microondas , con una potencia eficiente y un ancho de banda aceptable. Las antenas que emplean metamateriales ofrecen la posibilidad de superar las limitaciones de eficiencia y ancho de banda de las antenas miniatura de construcción convencional.

Los metamateriales permiten el uso de elementos de antena más pequeños que cubren un rango de frecuencia más amplio , lo que optimiza el espacio disponible en aplicaciones con limitaciones de espacio. En estos casos, las antenas miniatura de alta ganancia son de gran relevancia, ya que los elementos radiantes se combinan en grandes conjuntos de antenas. Además, el índice de refracción negativo de los metamateriales enfoca la radiación electromagnética mediante una lente plana, en lugar de dispersarla. [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]

La carcasa DNG

Las primeras investigaciones sobre antenas de metamateriales consistieron en un estudio analítico de una antena dipolo en miniatura rodeada de un metamaterial. Este material se conoce con diversos nombres, como metamaterial de índice negativo (NIM) o metamaterial doble negativo (DNG), entre otros. [ 10 ]

Esta configuración, tanto analítica como numéricamente, parece producir un aumento de un orden de magnitud en la potencia. Al mismo tiempo, la reactancia parece ofrecer una disminución correspondiente. Además, la carcasa DNG se convierte en una red de adaptación de impedancias natural para este sistema. [ 10 ]

Aplicaciones de plano de tierra

Los metamateriales empleados en los planos de tierra que rodean las antenas ofrecen un mejor aislamiento entre los canales de radiofrecuencia o microondas de los conjuntos de antenas MIMO ( entrada múltiple, salida múltiple ) . [ 11 ] Los planos de tierra de metamateriales de alta impedancia también pueden mejorar la eficiencia de radiación y el rendimiento de la relación axial de las antenas de bajo perfil ubicadas cerca de la superficie del plano de tierra . Los metamateriales también se han utilizado para aumentar el rango de exploración del haz mediante el uso de ondas directas e inversas en antenas de onda de fuga. Se pueden emplear varios sistemas de antenas de metamateriales para soportar sensores de vigilancia, enlaces de comunicación, sistemas de navegación y sistemas de mando y control. [ 7 ]

Configuraciones novedosas

Además de la miniaturización de antenas, las nuevas configuraciones tienen aplicaciones potenciales que van desde dispositivos de radiofrecuencia hasta dispositivos ópticos. Se están investigando otras combinaciones para otros dispositivos en subsistemas de antenas de metamateriales. [ 12 ] Se utilizan exclusivamente láminas de metamateriales doblemente negativas o combinaciones de láminas doblemente positivas (DPS) con láminas DNG, o láminas épsilon-negativas (ENG) con láminas mu-negativas (MNG) en los subsistemas. Los subsistemas de antenas que se están investigando actualmente incluyen resonadores de cavidad , guías de onda, dispersores y antenas (radiadores). [ 12 ] Al integrar elementos dinámicos, como cristales líquidos , en su estructura, las antenas de metamateriales pueden hacerse sintonizables dentro de diferentes rangos de frecuencia, desde ópticos hasta RF . [ 13 ] [ 14 ] Las antenas de metamateriales estaban disponibles comercialmente en 2009. [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]

Historia

Pendry et al. pudieron demostrar que una matriz tridimensional de alambres delgados que se cruzan podría usarse para crear valores negativos de permitividad (" ε "), y que una matriz periódica de resonadores de anillo partido de cobre podría producir una permeabilidad magnética negativa efectiva (" μ "). [ 11 ]

En mayo de 2000, un grupo de investigadores, Smith et al., fueron los primeros en combinar con éxito el resonador de anillo partido (SRR) con postes conductores de alambre delgado y producir un material zurdo que tenía valores negativos de ε, μ e índice de refracción para frecuencias en el rango de gigahercios o microondas . [ 12 ] [ 18 ]

En 2002, se introdujo una clase diferente de metamateriales de índice de refracción negativo (NRI) que emplea la carga reactiva periódica de una línea de transmisión bidimensional como medio anfitrión . Esta configuración utilizaba un material de índice positivo (DPS) con un material de índice negativo (DNG). Empleaba una pequeña lente plana de índice de refracción negativo conectada a una guía de ondas de placas paralelas de índice positivo. Esto se verificó experimentalmente poco después. [ 19 ] [ 20 ]

Aunque se identificaron algunas ineficiencias en los SRR, se siguieron utilizando en 2009 para la investigación. Los SRR se han empleado en una amplia gama de investigaciones sobre metamateriales, incluyendo la investigación sobre antenas de metamateriales. [ 4 ] [ 19 ] [ 20 ]

Una visión más reciente es que, al utilizar SRR como bloques de construcción, la respuesta electromagnética y la flexibilidad asociada resultan prácticas y deseables. [ 21 ]

Compensación de fase debida a refracción negativa

El DNG puede proporcionar compensación de fase debido a su índice de refracción negativo. Esto se logra combinando una lámina de material DPS convencional sin pérdidas con una lámina de metamaterial DNG sin pérdidas.

El DPS tiene un índice de refracción positivo convencional , mientras que el DNG tiene un índice de refracción negativo. Ambas láminas están adaptadas en impedancia a la región exterior (por ejemplo, el espacio libre). La onda plana monocromática deseada se irradia en esta configuración. A medida que esta onda se propaga a través de la primera lámina de material, surge una diferencia de fase entre las caras de entrada y salida. A medida que la onda se propaga a través de la segunda lámina, la diferencia de fase disminuye significativamente e incluso se compensa. Por lo tanto, cuando la onda sale de la segunda lámina, la diferencia de fase total es igual a cero. [ 22 ]

Con este sistema se podría producir un sistema de guía de ondas con compensación de fase . Al apilar láminas de esta configuración, la compensación de fase (efectos de traslación del haz) se produciría en todo el sistema. Además, al cambiar el índice de cualquiera de los pares DPS-DNG, cambia la velocidad a la que el haz entra por la cara frontal y sale por la cara posterior de todo el sistema apilado. De esta manera, se podría lograr una línea de transmisión volumétrica, de baja pérdida y con retardo de tiempo para un sistema dado. [ 22 ]

Además, esta compensación de fase puede dar lugar a un conjunto de aplicaciones, que son resonadores de cavidad miniaturizados , sublongitudinales y guías de onda con aplicaciones por debajo de los límites de difracción . [ 22 ]

Compensación de dispersión de líneas de transmisión

Debido a la naturaleza dispersiva del DNG como medio de transmisión, podría ser útil como dispositivo de compensación de dispersión para aplicaciones en el dominio del tiempo . La dispersión produce una variación en la velocidad de grupo de los componentes de onda de las señales, a medida que se propagan en el medio DNG. Por lo tanto, los metamateriales DNG apilados podrían ser útiles para modificar la propagación de la señal a lo largo de una línea de transmisión de microcinta . Al mismo tiempo, la dispersión produce distorsión. Sin embargo, si la dispersión pudiera compensarse a lo largo de la línea de microcinta, las señales de RF o microondas que se propagan a lo largo de ella disminuirían significativamente la distorsión. Por lo tanto, los componentes para atenuar la distorsión se vuelven menos críticos y podrían conducir a la simplificación de muchos sistemas. Los metamateriales pueden eliminar la dispersión a lo largo de la microcinta corrigiendo la dependencia de la frecuencia de la permitividad efectiva. [ 23 ]

La estrategia consiste en diseñar un segmento de línea de transmisión con metamaterial que se pueda introducir junto con la línea de microcinta original para lograr que el sistema resultante sea sin dispersión, creando así un segmento de línea de transmisión que compense la dispersión. Esto se consigue introduciendo un metamaterial con una permitividad localizada y una permeabilidad magnética localizada específicas , que afectan a la permitividad y permeabilidad relativas de la línea de microcinta en su conjunto. Se introduce de forma que la impedancia de onda en el metamaterial permanezca inalterada. El índice de refracción del medio compensa los efectos de dispersión asociados a la geometría de la microcinta, lo que hace que el índice de refracción efectivo del par sea igual al del espacio libre. [ 23 ]

Parte de la estrategia de diseño es que la permitividad y permeabilidad efectivas de dicho metamaterial deben ser negativas, lo que requiere un material DNG. [ 23 ]

Innovación

La combinación de segmentos zurdos con una línea de transmisión convencional (diestra) ofrece ventajas sobre los diseños convencionales. Las líneas de transmisión zurdas son esencialmente un filtro paso alto con avance de fase. Por el contrario, las líneas de transmisión dextranas son un filtro paso bajo con retardo de fase. Esta configuración se denomina metamaterial compuesto diestro/zurdo (CRLH). [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]

La antena Leaky Wave convencional ha tenido un éxito comercial limitado debido a que carece de la capacidad de escaneo de frecuencia completo, desde la retrodispersión hasta la propagación frontal. La antena CRLH permitió un escaneo de frecuencia completo, desde la retrodispersión hasta la propagación frontal, incluyendo la propagación lateral.

Lente de microondas

La lente de metamaterial , presente en los sistemas de antenas de metamaterial, se utiliza como acoplador eficiente a la radiación externa, concentrándola a lo largo o desde una línea de transmisión de microcinta hacia los componentes transmisores y receptores. Por lo tanto, puede utilizarse como dispositivo de entrada . Además, puede aumentar la amplitud de las ondas evanescentes y corregir la fase de las ondas propagantes.

Dirigir la radiación

En este caso, un SRR utiliza capas de una malla metálica de hilos delgados , con hilos en las tres direcciones del espacio y láminas de espuma . La permitividad de este material por encima de la frecuencia de plasma puede ser positiva y menor que uno. Esto significa que el índice de refracción es ligeramente superior a cero. El parámetro relevante suele ser el contraste entre las permitividades, en lugar del valor de la permitividad total a las frecuencias deseadas. Esto se debe a que la permitividad equivalente (efectiva) tiene un comportamiento regido por la frecuencia de plasma en el dominio de las microondas. Este material de bajo índice óptico es, por lo tanto, un buen candidato para microlentes extremadamente convergentes . Se han desarrollado métodos teóricos utilizando cristales fotónicos dieléctricos aplicados en el dominio de las microondas para realizar un emisor directivo mediante rejillas metálicas. [ 2 ]

En este caso, los cables dispuestos en una estructura de red cristalina cúbica pueden analizarse como una matriz de antenas ( conjunto de antenas ). Como estructura de red, posee una constante de red . La constante de red o parámetro de red se refiere a la distancia constante entre las celdas unitarias en una red cristalina. [ 27 ]

El descubrimiento previo de los plasmones generó la idea de que el metal a la frecuencia de plasmón f p es un material compuesto. El efecto de los plasmones sobre cualquier muestra de metal es crear propiedades en el metal tales que puede comportarse como un dieléctrico , independientemente del vector de onda del campo de excitación electromagnética (radiación). Además, una cantidad minúscula de energía de plasmón es absorbida por el sistema, denotada como γ . Para el aluminio, f p = 15 eV y γ = 0,1 eV. Quizás el resultado más importante de la interacción del metal y la frecuencia de plasma es que la permitividad es negativa por debajo de la frecuencia de plasma, hasta el valor minúsculo de γ . [ 27 ] [ 28 ]

Estos hechos dan como resultado que la estructura de alambre dispuesta sea, en efecto, un medio homogéneo. [ 27 ]

Este metamaterial permite controlar la dirección de emisión de una fuente de radiación electromagnética ubicada dentro del material para recolectar toda la energía en un pequeño dominio angular alrededor de la normal . [ 2 ] Al usar una lámina de metamaterial, las ondas electromagnéticas divergentes se enfocan en un cono estrecho. Las dimensiones son pequeñas en comparación con la longitud de onda y, por lo tanto, la lámina se comporta como un material homogéneo con una baja frecuencia de plasma . [ 2 ]

Modelos de línea de transmisión

Líneas de transmisión convencionales

Variaciones del símbolo electrónico esquemático para una línea de transmisión.
Representación esquemática de los componentes elementales de una línea de transmisión.

Una línea de transmisión es el medio material o la estructura que forma total o parcialmente un camino de un lugar a otro para dirigir la transmisión de energía, como ondas electromagnéticas o transmisión de energía eléctrica . Los tipos de líneas de transmisión incluyen cables , cables coaxiales , placas dieléctricas, líneas de transmisión , fibras ópticas , líneas eléctricas y guías de onda. [ 29 ]

Una microcinta es un tipo de línea de transmisión que se fabrica mediante tecnología de circuitos impresos y se utiliza para transmitir señales de microondas. Consiste en una tira conductora separada de un plano de tierra por una capa dieléctrica conocida como sustrato . A partir de una microcinta se pueden fabricar componentes de microondas como antenas , acopladores , filtros y divisores de potencia .

En los esquemas simplificados de la derecha se puede observar que la impedancia total, la conductancia, la reactancia (capacitancia e inductancia) y el medio de transmisión (línea de transmisión) se pueden representar mediante componentes individuales que dan el valor global.

En los medios de transmisión por línea, es importante que la impedancia de carga Z L coincida lo más posible con la impedancia característica Z 0 , ya que normalmente se desea que la carga absorba la mayor cantidad de potencia posible.

R{\displaystyle R}es la resistencia por unidad de longitud,
L{\displaystyle L}es la inductancia por unidad de longitud,
GRAMO{\displaystyle G}es la conductancia del dieléctrico por unidad de longitud,
do{\displaystyle C}es la capacitancia por unidad de longitud,
j{\displaystyle j}es la unidad imaginaria y
ω{\displaystyle \omega }es la frecuencia angular .

Elementos de circuito concentrados

Con frecuencia, debido al objetivo de reducir el tamaño de las inclusiones (o celdas) de metamateriales físicos, se suele analizar la implementación de circuitos LC concentrados o redes LC distribuidas . Los elementos de circuito concentrados son, en realidad, elementos microscópicos que se aproximan eficazmente a sus componentes de mayor tamaño. Por ejemplo, la capacitancia y la inductancia de un circuito se pueden crear con anillos divididos, que tienen un tamaño de nanómetros a frecuencias ópticas. El modelo LC distribuido está relacionado con el modelo LC concentrado; sin embargo, el modelo de elementos distribuidos es más preciso, pero también más complejo .

Configuraciones de líneas de transmisión cargadas con metamateriales

Algunas antenas de metamateriales destacadas emplean metamateriales de línea de transmisión con índice de refracción negativo (NRI-TLM). Estos incluyen lentes que pueden superar el límite de difracción , líneas de desplazamiento de fase de banda estrecha y ancha, antenas pequeñas, antenas de bajo perfil, redes de alimentación de antenas, arquitecturas de potencia novedosas y acopladores de alta directividad. Cargar una red planar de metamateriales de líneas de transmisión con capacitores en serie e inductores en paralelo produce un mayor rendimiento. Esto resulta en un gran ancho de banda operativo mientras el índice de refracción es negativo. [ 12 ] [ 30 ]

Debido a que las superlentes pueden superar el límite de difracción , esto permite un acoplamiento más eficiente a la radiación externa y posibilita una banda de frecuencia más amplia. Por ejemplo, la superlente se puede aplicar a la arquitectura TLM. En las lentes convencionales, la formación de imágenes está limitada por el límite de difracción . Con las superlentes , no se pierden los detalles de las imágenes de campo cercano . Las ondas evanescentes crecientes se mantienen en el metamaterial ( n < 1), que restaura las ondas evanescentes decaídas de la fuente. Esto da como resultado una resolución limitada por difracción de λ/6, después de algunas pequeñas pérdidas. Esto se compara con λ/2, el límite de difracción normal para las lentes convencionales . [ 30 ]

Al combinar materiales diestros (RHM) con materiales zurdos (LHM) en una construcción de material compuesto (CRLH), se obtiene una capacidad de escaneo tanto hacia atrás como hacia adelante.

Los metamateriales se utilizaron por primera vez en tecnología de antenas alrededor de 2005. Este tipo de antena aprovechaba la capacidad ya establecida de los SNG para acoplarse con radiación externa . El acoplamiento resonante permitía una longitud de onda mayor que la de la antena. En frecuencias de microondas, esto permitía una antena más pequeña. [ 4 ] [ 30 ]

Una línea de transmisión con metamateriales presenta ventajas significativas sobre las líneas de transmisión de retardo convencionales o estándar. Es más compacta, puede lograr un desplazamiento de fase positivo o negativo ocupando la misma longitud física reducida y exhibe una respuesta de fase lineal y más plana con la frecuencia , lo que resulta en retardos de grupo más cortos. Puede funcionar a frecuencias más bajas debido a los altos condensadores distribuidos en serie y tiene dimensiones planas más pequeñas que su estructura coplanar equivalente. [ 30 ]

Metamateriales con índice de refracción negativo que soportan ondas 2D

En 2002, en lugar de utilizar la configuración de alambre SRR u otros medios 3D, los investigadores examinaron configuraciones planas que permitían la propagación de ondas hacia atrás, demostrando así un índice de refracción negativo y, como consecuencia, el enfoque. [ 19 ]

Se sabe desde hace tiempo que las líneas de transmisión cargadas periódicamente con elementos capacitivos e inductivos en una configuración de paso alto admiten ciertos tipos de ondas retrógradas. Además, las líneas de transmisión planares son ideales para la propagación de ondas bidimensionales. Con elementos de circuito concentrados, mantienen una configuración compacta y pueden soportar el rango de radiofrecuencia más bajo. Teniendo esto en cuenta, se propusieron redes de líneas de transmisión LC bidimensionales, cargadas periódicamente, de paso alto y corte. Estas redes LC pueden diseñarse para soportar ondas retrógradas sin estructuras voluminosas de SRR/cable. Esta fue la primera propuesta que se apartó de los medios voluminosos para lograr un efecto de refracción negativa. Una propiedad notable de este tipo de red es que no depende de la resonancia; en cambio, la capacidad de soportar ondas retrógradas define la refracción negativa. [ 19 ]

Los principios que rigen el enfoque se derivan de Veselago y Pendry. Al combinar una placa DPS plana convencional (planar), M-1, con un medio zurdo, M-2, una onda electromagnética que se propaga con un vector de onda k1 en M-1 da como resultado una onda refractada con un vector de onda k2 en M-2. Dado que M-2 admite la propagación de ondas hacia atrás, k2 se refracta hacia el lado opuesto de la normal, mientras que el vector de Poynting de M-2 es antiparalelo a k2. En tales condiciones, la potencia se refracta a través de un ángulo efectivamente negativo, lo que implica un índice de refracción efectivamente negativo. [ 19 ]

Las ondas electromagnéticas de una fuente puntual ubicada dentro de un DPS convencional pueden enfocarse dentro de un LHM utilizando una interfaz plana entre ambos medios. Estas condiciones pueden modelarse excitando un único nodo dentro del DPS y observando la magnitud y la fase de los voltajes a tierra en todos los puntos del LHM. El efecto de enfoque debería manifestarse como una distribución puntual de voltaje en una ubicación predecible del LHM. [ 19 ]

La refracción negativa y el enfoque pueden lograrse sin emplear resonancias ni sintetizar directamente la permitividad y la permeabilidad. Además, este medio puede fabricarse prácticamente mediante la carga adecuada de un medio de línea de transmisión anfitrión. Asimismo, la topología planar resultante permite integrar fácilmente las estructuras LHM con circuitos y dispositivos de microondas planares convencionales. [ 19 ]

Cuando la propagación electromagnética transversal ocurre en un medio de línea de transmisión, la analogía para la permitividad y la permeabilidad es ε = L y μ = C. Esta analogía se desarrolló con valores positivos para estos parámetros. El siguiente paso lógico fue darse cuenta de que se podían obtener valores negativos. Para sintetizar un medio zurdo (ε < 0 y μ < 0), la reactancia en serie y la susceptibilidad en paralelo deben volverse negativas, ya que los parámetros del material son directamente proporcionales a estas magnitudes del circuito. [ 31 ]

Una línea de transmisión con elementos de circuito concentrados que sintetizan un medio zurdo se denomina "línea de transmisión dual" en comparación con una "línea de transmisión convencional". La estructura de la línea de transmisión dual se puede implementar en la práctica cargando una línea de transmisión principal con capacitores en serie (C) e inductores en paralelo (L) concentrados. En esta estructura periódica, la carga es tan fuerte que los elementos concentrados dominan las características de propagación. [ 31 ]

Comportamiento zurdo en líneas de transmisión con carga LC

El uso de SRR en frecuencias de radiofrecuencia , como en los dispositivos inalámbricos, requiere que los resonadores se escalen a dimensiones mayores. Esto dificultaba la compactación de los dispositivos. En cambio, las configuraciones de red LC podían escalarse tanto a frecuencias de microondas como de radiofrecuencia. [ 32 ]

Las líneas de transmisión cargadas con LC permitieron que una nueva clase de metamateriales produjera un índice de refracción negativo . El uso de redes de LC para emular la permitividad eléctrica y la permeabilidad magnética resultó en un aumento sustancial de los anchos de banda operativos. [ 32 ]

Además, sus celdas unitarias están conectadas mediante una red de líneas de transmisión y pueden equiparse con elementos de circuito concentrados , lo que les permite ser compactas en frecuencias donde un SRR no puede serlo. La flexibilidad obtenida mediante el uso de elementos discretos o impresos permite que los metamateriales planares sean escalables desde el rango de megahercios hasta el de decenas de gigahercios . Asimismo, la sustitución de condensadores por varactores permitió ajustar dinámicamente las propiedades del material. Los medios propuestos son planares y soportan intrínsecamente la propagación de ondas bidimensionales (2D), lo que los hace idóneos para aplicaciones en dispositivos y circuitos de RF/microondas. [ 32 ]

Crecimiento de ondas evanescentes en medios de líneas de transmisión con índice de refracción negativo

Se demostró que la línea de transmisión ( TL ) periódica bidimensional cargada con cristal líquido (LC ) exhibe propiedades de índice de refracción negativo (NRI) en un amplio rango de frecuencias. Esta red se denominará estructura TL dual, ya que tiene una configuración de paso alto, a diferencia de la representación de paso bajo de una estructura TL convencional. [ 33 ] Las estructuras TL duales se han utilizado para demostrar experimentalmente la radiación de onda retrógrada y el enfoque en frecuencias de microondas. [ 19 ] [ 33 ]

Como medio de índice de refracción negativo, una estructura TL dual no es simplemente un compensador de fase. Puede aumentar la amplitud de las ondas evanescentes, así como corregir la fase de las ondas propagantes. De hecho, las ondas evanescentes crecen dentro de la estructura TL dual. [ 33 ]

Antena de onda inversa que utiliza una línea de transmisión con carga NRI.

Grbic et al. utilizaron una red de línea de transmisión unidimensional cargada con LC, que admite una rápida propagación de onda inversa, para demostrar características análogas a la "radiación Cherenkov inversa". Su estructura de radiación de onda inversa propuesta se inspiró en materiales LC de índice de refracción negativo. El patrón simulado en el plano E a 15  GHz mostró radiación hacia la dirección de retroceso en el patrón de campo lejano, lo que indica claramente la excitación de una onda inversa. Dado que la dimensión transversal de la matriz es eléctricamente corta, la estructura está respaldada por un canal metálico largo. El canal actúa como una guía de onda por debajo de la frecuencia de corte y recupera la radiación inversa, lo que resulta en patrones de campo lejano unidireccionales. [ 34 ]

NIM planares con líneas de transmisión cargadas periódicamente

Los medios planares pueden implementarse con un índice de refracción negativo efectivo. El concepto subyacente se basa en cargar periódicamente una red impresa de líneas de transmisión con inductores y capacitores. Esta técnica da como resultado parámetros de permitividad y permeabilidad efectivos que son inherentemente y simultáneamente negativos, lo que evita la necesidad de emplear medios separados. Los medios propuestos poseen otras características deseables, como un ancho de banda muy amplio en el que el índice de refracción permanece negativo, la capacidad de guiar ondas TM 2D, escalabilidad desde frecuencias de RF hasta ondas milimétricas y bajas pérdidas de transmisión, así como el potencial de sintonización mediante la inserción de varactores y/o interruptores en la celda unitaria. El concepto se ha verificado con simulaciones de circuitos y de onda completa. Se ha probado experimentalmente un prototipo de dispositivo de enfoque. Los resultados experimentales demostraron el enfoque de una onda cilíndrica incidente dentro de un ancho de banda de octava y sobre un área eléctricamente corta; lo que sugiere un enfoque de campo cercano. [ 35 ]

Los dispositivos de RF/microondas pueden implementarse basándose en estos medios propuestos para aplicaciones en comunicaciones inalámbricas, vigilancia y radares. [ 35 ]

Líneas de transmisión más grandes

Según algunos investigadores, los metamateriales configurados con SRR/cables son construcciones tridimensionales voluminosas que resultan difíciles de adaptar para aplicaciones en dispositivos y circuitos de RF/microondas. Estas estructuras solo pueden alcanzar un índice de refracción negativo dentro de un ancho de banda estrecho. Al aplicarse a dispositivos inalámbricos en frecuencias de RF, los resonadores de anillo dividido deben escalarse a dimensiones mayores, lo que, a su vez, obliga a aumentar el tamaño del dispositivo. [ 35 ]

Las estructuras propuestas van más allá de los compuestos de alambre/SRR, ya que no dependen de los SRR para sintetizar los parámetros del material, lo que resulta en un aumento drástico del ancho de banda operativo. Además, sus celdas unitarias están conectadas mediante una red de líneas de transmisión y, por lo tanto, pueden equiparse con elementos concentrados, lo que les permite ser compactas en frecuencias donde el SRR no puede serlo. La flexibilidad obtenida mediante el uso de elementos discretos o impresos permite que los metamateriales planares sean escalables desde el rango de megahercios hasta el de decenas de gigahercios. Además, al utilizar varactores en lugar de capacitores, las propiedades efectivas del material pueden ajustarse dinámicamente. Asimismo, los medios propuestos son planares y soportan inherentemente la propagación de ondas bidimensionales (2D). Por lo tanto, estos nuevos metamateriales son idóneos para aplicaciones en dispositivos y circuitos de RF/microondas. [ 35 ]

En el régimen de longitud de onda larga, la permitividad y la permeabilidad de los materiales convencionales pueden sintetizarse artificialmente mediante redes periódicas de cristal líquido dispuestas en una configuración de paso bajo. En la configuración dual (paso alto), estos parámetros equivalentes del material asumen simultáneamente valores negativos y, por lo tanto, pueden utilizarse para sintetizar un índice de refracción negativo. [ 36 ]

Configuraciones

La teoría de antenas se basa en la teoría electromagnética clásica descrita por las ecuaciones de Maxwell . [ 37 ] Físicamente, una antena es un conjunto de uno o más conductores , generalmente llamados elementos. Se crea una corriente alterna en los elementos al aplicar un voltaje en los terminales de la antena, lo que provoca que los elementos irradien un campo electromagnético. En la recepción, ocurre lo contrario: un campo electromagnético de otra fuente induce una corriente alterna en los elementos y un voltaje correspondiente en los terminales de la antena. Algunas antenas receptoras (como las parabólicas y las de bocina) incorporan superficies reflectantes con formas específicas para captar las ondas electromagnéticas del espacio libre y dirigirlas u enfocarlas sobre los elementos conductores.

Una antena crea campos electromagnéticos suficientemente fuertes a grandes distancias. Recíprocamente, es sensible a los campos electromagnéticos externos que inciden sobre ella. El acoplamiento real entre una antena transmisora ​​y una receptora es tan pequeño que se requieren circuitos amplificadores tanto en la estación transmisora ​​como en la receptora. Las antenas se suelen crear modificando circuitos convencionales para convertirlos en configuraciones de línea de transmisión. [ 37 ]

La antena requerida para cualquier aplicación dada depende del ancho de banda empleado y de los requisitos de alcance (potencia). En el rango de microondas a ondas milimétricas (longitudes de onda desde unos pocos metros hasta milímetros), se suelen emplear las siguientes antenas: [ 37 ]

Antenas dipolo, antenas cortas, antenas parabólicas y otras antenas reflectoras, antenas de bocina, antenas periscópicas, antenas helicoidales, antenas espirales, antenas de onda superficial y antenas de onda de fuga. Las antenas de onda de fuga incluyen antenas dieléctricas y con carga dieléctrica, y la variedad de antenas de microcinta. [ 37 ]

Propiedades de radiación con SRR

El SRR fue introducido por Pendry en 1999 y es uno de los elementos más comunes de los metamateriales . [ 38 ] Como unidad conductora no magnética, comprende una matriz de unidades que producen una permeabilidad magnética efectiva negativa mejorada cuando la frecuencia del campo electromagnético incidente está cerca de la frecuencia de resonancia del SRR. La frecuencia de resonancia del SRR depende de su forma y diseño físico. Además, la resonancia puede ocurrir en longitudes de onda mucho mayores que su tamaño. [ 39 ] [ 40 ] Para la optimización adicional de la forma de los elementos, es conveniente utilizar algoritmos genéticos y otros algoritmos de optimización. En diseños multifrecuencia, se pueden aplicar diseños fractales como los de Sierpensky, Koch u otros fractales en lugar de SRR. [ 11 ]

metamateriales doblemente negativos

Mediante la aplicación de metamateriales de doble negatividad (DNG), la potencia radiada por antenas dipolo eléctricamente pequeñas puede incrementarse notablemente. Esto se logra recubriendo la antena con una capa de material de doble negatividad (DNG). Al estar el dipolo eléctrico incrustado en un medio DNG homogéneo , la antena actúa inductivamente en lugar de capacitivamente, como ocurriría en el espacio libre sin la interacción del material DNG. Además, la combinación dipolo-capa DNG aumenta la potencia real radiada en más de un orden de magnitud con respecto a una antena en el espacio libre. Una disminución notable en la reactancia de la antena dipolo corresponde al aumento de la potencia radiada. [ 10 ]

La potencia reactiva indica que la carcasa de DNG actúa como una red de adaptación natural para el dipolo. El material DNG adapta la reactancia intrínseca de este sistema de antena al espacio libre, por lo que la impedancia del material DNG coincide con la del espacio libre. Proporciona un circuito de adaptación natural a la antena. [ 10 ]

SRR negativo único y compuesto monopolar

La adición de un metamaterial SRR-DNG aumentó la potencia radiada en más de un orden de magnitud con respecto a una antena de espacio libre comparable. Se producen antenas eléctricamente pequeñas, de alta directividad y frecuencia operativa sintonizable con permeabilidad magnética negativa. Al combinar un material dextrógiro (RHM) con un material levógiro de Veselago (LHM) se obtienen otras propiedades novedosas. Un único resonador de material negativo, obtenido con un SRR, puede producir una antena eléctricamente pequeña cuando opera en frecuencias de microondas, como sigue: [ 4 ]

La configuración de un SRR evaluado fue de dos anillos anulares concéntricos con espacios opuestos relativos en el anillo interior y exterior. Sus parámetros geométricos  fueron R = 3,6 mm, r = 2,5  mm, w = 0,2  mm, t = 0,9  mm. R y r se utilizan en parámetros anulares, w es el espaciado entre los anillos y t = el ancho del anillo exterior. El material tenía un espesor de 1,6  mm. La permitividad fue de 3,85 a 4  GHz. El SRR se fabricó con una técnica de grabado sobre un sustrato de cobre de 30 μm de espesor . El SRR se excitó utilizando una antena monopolo . La antena monopolo estaba compuesta por un cable coaxial , un plano de tierra y componentes radiantes. El material del plano de tierra era aluminio . La frecuencia de operación de la antena fue de 3,52 GHz, que se determinó considerando los parámetros geométricos del SRR. Se colocó un cable de 8,32 mm de longitud sobre el plano de tierra, conectado a la antena, que era un cuarto de la longitud de onda de operación. La antena funcionaba con una longitud de onda de alimentación de 3,28 mm y una frecuencia de alimentación de 7,8 GHz. La frecuencia de resonancia del SRR era menor que la frecuencia de operación del monopolo. [ 4 ]    

La antena monopolo-SRR operó eficientemente a (λ/10) utilizando la configuración de hilo SRR. Demostró una buena eficiencia de acoplamiento y una eficiencia de radiación suficiente. Su funcionamiento fue comparable al de una antena convencional a λ/2, que es un tamaño de antena convencional para un acoplamiento y radiación eficientes. Por lo tanto, la antena monopolo-SRR se convierte en una antena eléctricamente pequeña aceptable a la frecuencia de resonancia del SRR. [ 4 ] [ 11 ]

Cuando el SRR se incorpora a esta configuración, características como el patrón de radiación de la antena cambian por completo en comparación con una antena monopolo convencional. Con modificaciones en la estructura del SRR, el tamaño de la antena podría alcanzar ( λ/40 ). El acoplamiento de 2, 3 y 4 SRR en paralelo modifica ligeramente los patrones de radiación. [ 4 ]

Antenas de parche

En 2005 se propuso una antena de parche con una cubierta de metamaterial que mejoraba la directividad . Según los resultados numéricos, la antena mostró una mejora significativa en la directividad, en comparación con las antenas de parche convencionales. Esto se citó en 2007 para un diseño eficiente de antenas de parche directivas en comunicaciones móviles utilizando metamateriales. [ 11 ] Este diseño se basó en el modelo de línea de transmisión de material zurdo (LHM), con los elementos de circuito L y C del modelo de circuito equivalente LHM . Este estudio desarrolló fórmulas para determinar los valores de L y C del modelo de circuito equivalente LHM para las características deseables de las antenas de parche directivas. Se realizaron ejemplos de diseño derivados de bandas de frecuencia reales en comunicaciones móviles , lo que ilustra la eficiencia de este enfoque. [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]

Antena de bocina de lente plana

Esta configuración utiliza una apertura plana construida con metamaterial de índice cero. Esto presenta ventajas sobre las lentes curvas convencionales, lo que resulta en una directividad mucho mejor. [ 11 ] Estas investigaciones han proporcionado capacidades para la miniaturización de dispositivos de fuente y no fuente de microondas, circuitos, antenas y la mejora del rendimiento electromagnético. [ 44 ]

Tecnología de antenas de superficie de metamateriales

La tecnología de antenas de superficie de metamateriales (M-SAT) es una invención que utiliza metamateriales para dirigir y mantener un haz de radiofrecuencia de banda ancha constante , fijado a un satélite , tanto si la plataforma está en movimiento como si está estacionaria. Los cardanes y motores se sustituyen por conjuntos de metamateriales en una configuración planar. Además, con esta nueva tecnología no se requieren desfasadores como en los equipos de antenas en fase . El efecto deseado se consigue variando el patrón de elementos de metamaterial activados según sea necesario. Esta tecnología es una aplicación práctica de la teoría del camuflaje con metamateriales . La antena tiene aproximadamente el tamaño de un ordenador portátil. [ 45 ] [ 46 ] [ 47 ]

Investigación y aplicaciones de antenas basadas en metamateriales. También se investigan componentes relacionados. [ 48 ] [ 49 ]

Cavidades y guías de onda sublongitudinales

Cuando la interfaz entre un par de materiales que funcionan como medios de transmisión óptica interactúa como resultado de valores opuestos de permitividad y/o permeabilidad, ya sean ordinarios (positivos) o extraordinarios (negativos), pueden ocurrir comportamientos anómalos notables. El par sería un metamaterial (capa) DNG, emparejado con una capa DPS, ENG o MNG. Pueden ocurrir comportamientos y propiedades de propagación de ondas que de otro modo no ocurrirían si solo se emparejaran capas DNG. [ 50 ]

En la interfaz entre dos medios, se puede aplicar el concepto de continuidad de las componentes tangenciales del campo eléctrico y magnético. Si la permeabilidad o la permitividad de los dos medios tienen signos opuestos, las componentes normales del campo tangencial, a ambos lados de la interfaz, serán discontinuas en el límite. Esto implica un fenómeno resonante concentrado en la interfaz. Esto parece similar a las distribuciones de corriente y voltaje en la unión entre un inductor y un condensador, en la resonancia de un circuito LC. Esta " resonancia de interfaz " es esencialmente independiente del espesor total de las capas emparejadas, ya que ocurre a lo largo de la discontinuidad entre dos materiales conjugados. [ 50 ] [ 51 ]

Estructuras de guía de ondas de placas paralelas

La geometría consiste en dos placas paralelas como conductores perfectos (PEC), una estructura idealizada, rellena por dos láminas planas apiladas de materiales homogéneos e isotrópicos con sus respectivos parámetros constitutivos ε 1 , ε 2 , u 1 , u 2 . Cada lámina tiene un espesor = d, lámina 1 = d 1 , y lámina 2 = d 2 . La elección de la combinación de parámetros a emplear implica emparejar materiales DPS y DNG o ENG y MNG. Como se mencionó anteriormente, se trata de un par de parámetros constitutivos de signo opuesto, combinados. [ 52 ]

resonadores de cavidad delgada sublongitudinal

compensación de fase

Los valores reales de los componentes para la permitividad y permeabilidad negativas dan como resultado valores reales de los componentes para la refracción negativa n. En un medio sin pérdidas, solo existirían valores reales. Este concepto se puede utilizar para determinar la compensación de fase cuando un material convencional sin pérdidas, DPS, se combina con un NIM sin pérdidas (DNG). [ 51 ]

En compensación de fase, el DPS de espesor d 1 tiene ε > 0 y μ > 0. Por el contrario, el NIM de espesor d 2 tiene ε < 0 y μ < 0. Supongamos que la impedancia intrínseca del material dieléctrico DPS (d 1 ) es la misma que la de la región exterior y responde a una onda plana de incidencia normal. La onda viaja a través del medio sin ninguna reflexión porque la impedancia del DPS y la impedancia exterior son iguales. Sin embargo, la onda plana en el extremo de la lámina de DPS está desfasada con respecto a la onda plana en el inicio del material. [ 51 ]

La onda plana entra entonces en el NIM sin pérdidas (d 2 ). A ciertas frecuencias ε < 0 y μ < 0 y n < 0. Al igual que el DPS, el NIM tiene una impedancia intrínseca que es igual a la del exterior y, por lo tanto, también es sin pérdidas. La dirección del flujo de potencia (es decir, el vector de Poynting) en la primera lámina debería ser la misma que en la segunda, porque la potencia de la onda incidente entra en la primera lámina (sin ninguna reflexión en la primera interfaz), la atraviesa, sale por la segunda interfaz, entra en la segunda lámina y la atraviesa, y finalmente sale de la segunda lámina. Sin embargo, como se indicó anteriormente, la dirección de la potencia es antiparalela a la dirección de la velocidad de fase. Por lo tanto, el vector de onda k 2 está en la dirección opuesta a k 1 . Además, cualquier diferencia de fase que se desarrolle al atravesar la primera lámina puede disminuirse e incluso cancelarse al atravesar la segunda lámina. Si la relación de los dos espesores es d 1 / d 2 = n 2 / n 1 , entonces la diferencia de fase total entre las caras frontal y posterior es cero. [ 51 ] Esto demuestra cómo la lámina NIM a frecuencias seleccionadas actúa como un compensador de fase. Es importante señalar que este proceso de compensación de fase se basa únicamente en la relación d 1 / d 2 y no en el espesor d 1 + d 1 . Por lo tanto, d 1 + d 1 puede tener cualquier valor, siempre que esta relación satisfaga la condición anterior. Finalmente, aunque esta estructura de dos capas esté presente, la onda que la atraviesa no experimentaría la diferencia de fase.

A continuación, el siguiente paso es el resonador de cavidad sublongitudinal. [ 51 ]

Resonadores de cavidad unidimensionales compactos sublongitudinales mediante metamateriales.

El compensador de fase descrito anteriormente puede utilizarse para conceptualizar la posibilidad de diseñar un resonador de cavidad unidimensional compacto. La estructura de dos capas descrita se aplica como dos reflectores perfectos, o dicho de otro modo, como dos placas conductoras perfectas. Conceptualmente, lo que está restringido en el resonador es d₁ / d₂ , no d₁ + d₂ . Por lo tanto, en principio, se puede obtener un resonador de cavidad sublongitudinal delgado para una frecuencia dada, si a dicha frecuencia la segunda capa actúa como un metamaterial con permitividad y permeabilidad negativas y la relación se correlaciona con los valores correctos. [ 51 ]

La cavidad puede ser conceptualmente delgada y a la vez resonante, siempre que se cumpla la relación de espesores. Esto, en principio, puede ofrecer la posibilidad de crear resonadores de cavidad compactos, delgados y de tamaño sublongitudinal. [ 51 ]

Resonador de cavidad en miniatura que utiliza FSS

Los metamateriales basados ​​en superficies selectivas en frecuencia (FSS) utilizan configuraciones de circuitos LC equivalentes . El uso de FSS en una cavidad permite la miniaturización, la disminución de la frecuencia de resonancia, la reducción de la frecuencia de corte y una transición suave de una onda rápida a una onda lenta en una configuración de guía de ondas. [ 53 ]

Cavidades basadas en metamateriales compuestos

Como aplicación de LHM, se fabricaron cuatro cavidades diferentes que operan en el régimen de microondas y se observaron y describieron experimentalmente. [ 54 ]

plano de tierra de metamaterial

Propagación de modo de fuga con plano de tierra de metamaterial

Se colocó un dipolo magnético sobre un plano de tierra de metamaterial (lámina). Los metamateriales tienen parámetros constitutivos negativos, o bien permitividad negativa o permeabilidad negativa. Se investigaron las propiedades de dispersión y radiación de las ondas de fuga soportadas por estas láminas de metamaterial, respectivamente. [ 55 ]

Sistemas patentados

Línea microstrip ( 400 ) para un sistema de antena metamaterial de matriz en fase. 401 representa circuitos de celda unitaria compuestos periódicamente a lo largo de la microstrip. 402 son condensadores en serie. 403 son uniones en T entre condensadores, que conectan ( 404 ) líneas de retardo de inductores en espiral a 401. 404 también están conectados a tierra a través de las vías 405 .

Existen patentes para múltiples sistemas .

Los sistemas de antenas de fase y las antenas para su uso en dichos sistemas son bien conocidos en áreas como las telecomunicaciones y las aplicaciones de radar . En general, los sistemas de antenas de fase funcionan reensamblando coherentemente las señales en toda la matriz mediante el uso de elementos de circuito para compensar las diferencias de fase relativas y los retardos de tiempo. [ 56 ]

Antena de matriz de fase

Patentado en 2004, un sistema de antena de matriz en fase resulta útil en aplicaciones de radar automotriz. Al utilizar NIM como lente bicóncava para enfocar las microondas, se reduce el tamaño de los lóbulos laterales de la antena. Esto se traduce en una reducción de la pérdida de energía radiada y un ancho de banda útil relativamente mayor. El sistema es un radar de matriz en fase eficiente y de rango dinámico . [ 56 ]

Además, la amplitud de la señal aumenta en las líneas de transmisión de microcinta al suspenderlas sobre el plano de tierra a una distancia predeterminada. En otras palabras, no están en contacto con un sustrato sólido. La pérdida de señal dieléctrica se reduce significativamente, disminuyendo la atenuación de la señal. [ 56 ]

Este sistema fue diseñado para mejorar el rendimiento del circuito integrado monolítico de microondas (MMIC), entre otros beneficios. Se crea una línea de transmisión mediante fotolitografía. Una lente de metamaterial, compuesta por una matriz de hilos delgados, enfoca las señales transmitidas o recibidas entre la línea y los elementos emisor/receptor. [ 56 ]

La lente también funciona como dispositivo de entrada y consta de varias celdas unitarias periódicas dispuestas a lo largo de la línea. La lente consta de múltiples líneas de la misma composición; una pluralidad de celdas unitarias periódicas. Las celdas unitarias periódicas están construidas con una pluralidad de componentes eléctricos; condensadores e inductores como componentes de múltiples circuitos de elementos distribuidos . [ 56 ]

El metamaterial incorpora un elemento de transmisión conductor, un sustrato que comprende al menos un primer plano de tierra para conectar a tierra el elemento de transmisión, una pluralidad de circuitos de celda unitaria compuestos periódicamente a lo largo del elemento de transmisión y al menos una vía para conectar eléctricamente el elemento de transmisión al menos al primer plano de tierra. También incluye un medio para suspender este elemento de transmisión a una distancia predeterminada del sustrato de manera que el elemento de transmisión se encuentre a una segunda distancia predeterminada del plano de tierra. [ 56 ]

Guías de onda y dispositivos de dispersión ENG y MNG

Esta estructura fue diseñada para su uso en la guía o dispersión de ondas. Emplea dos capas adyacentes. La primera capa es un material épsilon negativo (ENG) o un material mu negativo (MNG). La segunda capa es un material doble positivo (DPS) o un material doble negativo (DNG). Alternativamente, la segunda capa puede ser un material ENG cuando la primera capa es un material MNG, o viceversa. [ 57 ]

Reducción de interferencias

Un llavero de sistema de entrada sin llave

Los metamateriales pueden reducir la interferencia entre múltiples dispositivos con un blindaje más pequeño y sencillo. Mientras que los absorbentes convencionales pueden tener un grosor de tres pulgadas, los metamateriales pueden tener un grosor de milímetros : 2  mm (0,078  pulgadas). [ 58 ]

Véase también

Libros

Referencias

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Referencias generales

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