Las antenas metamateriales son una clase de antenas que utilizan metamateriales para aumentar el rendimiento de 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 antena 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 hacia la fuente. Una antena metamaterial se comporta como si fuera mucho más grande que su tamaño real, porque su novedosa estructura almacena y reirradia energía. Se pueden utilizar técnicas de litografía establecidas para imprimir elementos metamateriales en una placa de PC . [2] [3] [4] [5] [6]
Estas novedosas antenas ayudan a aplicaciones como la interacción portátil con satélites, dirección de haz de gran ángulo, dispositivos de comunicaciones de emergencia, microsensores y radares portátiles de penetración terrestre para buscar características geofísicas.
Algunas aplicaciones de las antenas metamateriales son las comunicaciones inalámbricas , las comunicaciones espaciales , el GPS , los satélites , la navegación de vehículos espaciales y los aviones.
Los diseños de antenas que incorporan metamateriales pueden aumentar la potencia radiada de una antena. Las antenas metamateriales más nuevas irradian hasta el 95 por ciento de una 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 debería tener medio metro de largo. Por el contrario, las antenas experimentales de metamateriales son tan pequeñas como una quincuagésima parte de una longitud de onda y podrían tener mayores reducciones de tamaño.
Los metamateriales son una base para una mayor miniaturización de las antenas de microondas , con potencia eficiente y ancho de banda aceptable. Las antenas que emplean metamateriales ofrecen la posibilidad de superar las limitaciones restrictivas de ancho de banda de eficiencia para antenas en miniatura construidas convencionalmente.
Los metamateriales permiten elementos de antena más pequeños que cubren un rango de frecuencia más amplio , haciendo así un mejor uso del espacio disponible en casos con limitaciones de espacio. En estos casos, las antenas en miniatura con alta ganancia son significativamente relevantes porque 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 primera investigación sobre antenas metamateriales fue un estudio analítico de una antena dipolo en miniatura rodeada por un metamaterial. Este material se conoce como metamaterial de índice negativo (NIM) o metamaterial doble negativo (DNG), entre otros nombres. [10]
Esta configuración, analítica y numéricamente, parece producir un aumento de potencia de un orden de magnitud. Al mismo tiempo, la reactancia parece ofrecer una disminución correspondiente. Además, la carcasa DNG se convierte en una red de adaptación de impedancia natural para este sistema. [10]
Los metamateriales empleados en los planos de tierra que rodean las antenas ofrecen un aislamiento mejorado entre los canales de radiofrecuencia o microondas de conjuntos de antenas ( múltiples entradas y múltiples salidas ) (MIMO) . [11] Los planos de tierra de alta impedancia y metamateriales también pueden mejorar la eficiencia de la radiación y el rendimiento de la relación axial de antenas de bajo perfil ubicadas cerca de la superficie del plano de tierra . Los metamateriales también se han utilizado para aumentar el alcance de escaneo del haz mediante el uso de ondas directas y inversas en antenas de ondas con fugas. Se pueden emplear varios sistemas de antenas de metamateriales para soportar sensores de vigilancia, enlaces de comunicación, sistemas de navegación y sistemas de comando y control. [7]
Además de la miniaturización de la antena, 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] En los subsistemas se utilizan exclusivamente losas de metamaterial doble negativo o combinaciones de losas doble positivo (DPS) con losas DNG, o losas épsilon negativas (ENG) con losas mu negativas (MNG) . Los subsistemas de antenas que se están investigando actualmente incluyen resonadores de cavidad , guías de ondas, dispersores y antenas (radiadores). [12] Las antenas de metamateriales estaban disponibles comercialmente en 2009. [13] [14] [15]
Pendry y cols. pudieron demostrar que se podía usar una matriz tridimensional de alambres delgados que se cruzaban para crear valores negativos de permitividad (" ε "), y que una matriz periódica de resonadores de anillos divididos 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 dividido (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] [16]
En 2002, se introdujo una clase diferente de metamateriales de índice de refracción negativo (NRI) que emplea carga reactiva periódica de una línea de transmisión 2-D como medio anfitrión . Esta configuración utilizó material de índice positivo (DPS) con material de índice negativo (DNG). Empleaba una lente pequeña, plana, de refracción negativa interconectada con una guía de ondas de placas paralelas de índice positivo. Esto fue verificado experimentalmente poco después. [17] [18]
Aunque se identificaron algunas ineficiencias en los SRR, a partir de 2009 se siguieron empleando para la investigación. Los SRR han participado en una amplia investigación de metamateriales, incluida la investigación sobre antenas de metamateriales. [4] [17] [18]
Una opinión más reciente es que al utilizar SRR como componentes básicos, la respuesta electromagnética y la flexibilidad asociada son prácticas y deseables. [19]
El DNG puede proporcionar compensación de fase debido a su índice de refracción negativo. Esto se logra combinando una losa de material DPS sin pérdidas convencional con una losa 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 losas tienen impedancia adaptada a la región exterior (por ejemplo, espacio libre). La onda plana monocromática deseada se irradia en esta configuración. A medida que esta onda se propaga a través de la primera losa de material, surge una diferencia de fase entre las caras de salida y entrada. A medida que la onda se propaga a través de la segunda losa, la diferencia de fase disminuye significativamente e incluso se compensa. Por lo tanto, cuando la onda sale de la segunda losa, la diferencia de fase total es igual a cero. [20]
Con este sistema se podría producir un sistema de guía de ondas con compensación de fase . Al apilar losas 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 de apilamiento. De esta manera, se podría realizar una línea de transmisión volumétrica, de bajas pérdidas y con retardo de tiempo para un sistema dado. [20]
Además, esta compensación de fase puede dar lugar a un conjunto de aplicaciones, que son miniaturizadas, sublongitudes de onda , resonadores de cavidad y guías de ondas con aplicaciones por debajo de los límites de difracción . [20]
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 de 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 señales a lo largo de una línea de transmisión de microcinta . Al mismo tiempo, la dispersión conduce a la distorsión. Sin embargo, si la dispersión pudiera compensarse a lo largo de la línea microstrip, las señales de RF o microondas que se propagaran a lo largo de ellas 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. [21]
La estrategia es diseñar una longitud de línea de transmisión cargada con metamaterial que pueda introducirse con la longitud original de la línea de microcinta para hacer que el sistema emparejado no tenga dispersión, creando un segmento de línea de transmisión que compense la dispersión. Esto podría lograrse mediante la introducción de un metamaterial con una permitividad localizada específica y una permeabilidad magnética localizada específica , que luego afecta la permitividad y permeabilidad relativas de la línea de microcinta general. Se introduce de modo que la impedancia de onda en el metamaterial permanezca sin cambios. El índice de refracción en el medio compensa los efectos de dispersión asociados con la propia geometría de la microcinta; haciendo que el índice de refracción efectivo del par sea el del espacio libre. [21]
Parte de la estrategia de diseño es que la permitividad y permeabilidad efectivas de dicho metamaterial sean negativas, lo que requiere un material DNG. [21]
La combinación de segmentos zurdos con una línea de transmisión convencional (derecha) genera ventajas sobre los diseños convencionales. Las líneas de transmisión para zurdos son esencialmente un filtro de paso alto con avance de fase. Por el contrario, las líneas de transmisión derechas son un filtro de paso bajo con desfase. Esta configuración se denomina metamaterial compuesto para diestros/zurdos (CRLH). [22] [23] [24]
La antena Leaky Wave convencional ha tenido un éxito comercial limitado porque carece de una capacidad completa de escaneo de frecuencias contraproducente. El CRLH permitió un escaneo completo de la frecuencia de los disparos, incluida la andanada.
La lente metamaterial , que se encuentra en los sistemas de antenas metamateriales, se utiliza como un acoplador eficiente de la radiación externa, enfocando la radiación a lo largo o desde una línea de transmisión de microcinta en componentes transmisores y receptores. Por lo tanto, se puede utilizar como dispositivo de entrada . Además, puede mejorar la amplitud de las ondas evanescentes , así como corregir la fase de las ondas que se propagan.
En este caso, un SRR utiliza capas de una malla metálica de alambres delgados , con alambres en las tres direcciones del espacio y rodajas de espuma . La permitividad de este material por encima de la frecuencia del plasma puede ser positiva y menor que uno. Esto significa que el índice de refracción está justo por encima de cero. El parámetro relevante es a menudo el contraste entre las permitividades en lugar del valor de permitividad general en las frecuencias deseadas. Esto ocurre porque la permitividad equivalente (efectiva) tiene un comportamiento gobernado por una frecuencia de plasma en el dominio de las microondas. Este material de bajo índice óptico es entonces un buen candidato para microlentes extremadamente convergentes . Métodos que se han desarrollado teóricamente 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 se pueden analizar como un conjunto de antenas ( conjunto de antenas ). Como estructura reticular tiene una constante reticular . La constante de red o parámetro de red se refiere a la distancia constante entre celdas unitarias en una red cristalina. [25]
El descubrimiento anterior de los plasmones creó la opinión de que el metal en la frecuencia de plasmón f p es un material compuesto. El efecto de los plasmones en cualquier muestra de metal es crear propiedades en el metal tales que pueda comportarse como un dieléctrico , independientemente del vector de onda del campo de excitación (radiación) EM. Además, una cantidad mínimamente pequeña de energía de plasmón se absorbe en el sistema denominado γ . Para aluminio f p = 15 eV y γ = 0,1 eV. Quizás el resultado más importante de la interacción del metal y la frecuencia del plasma es que la permitividad es negativa por debajo de la frecuencia del plasma, hasta el valor diminuto de γ . [25] [26]
Estos hechos dan como resultado en última instancia que la estructura de cables dispuestos sea efectivamente un medio homogéneo. [25]
Este metamaterial permite controlar la dirección de emisión de una fuente de radiación electromagnética ubicada en el interior del material para recolectar toda la energía en un pequeño dominio angular alrededor de la normal . [2] Al utilizar una losa de un metamaterial, las ondas electromagnéticas divergentes se enfocan en un cono estrecho. Las dimensiones son pequeñas en comparación con la longitud de onda y por tanto la losa se comporta como un material homogéneo con una baja frecuencia de plasma . [2]
Una línea de transmisión es el medio material o estructura que forma todo o parte de un camino de un lugar a otro para dirigir la transmisión de energía, como las ondas electromagnéticas o la transmisión de energía eléctrica . Los tipos de líneas de transmisión incluyen alambres , cables coaxiales , losas dieléctricas, líneas de cinta , fibras ópticas , líneas de energía eléctrica y guías de ondas. [27]
Una microcinta es un tipo de línea de transmisión que se puede fabricar utilizando tecnología de placa de circuito impreso y se utiliza para transmitir señales de frecuencia de microondas. Consiste en una tira conductora separada de un plano de tierra por una capa dieléctrica conocida como sustrato . Los componentes de microondas como antenas , acopladores , filtros y divisores de potencia se pueden formar a partir de una microcinta.
En los esquemas simplificados de la derecha se puede ver 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 general.
Con medios de líneas de transmisión es importante hacer coincidir la impedancia de carga Z L con la impedancia característica Z 0 lo más cerca posible, porque generalmente es deseable que la carga absorba tanta energía como sea posible.
A menudo, debido al objetivo de mover las inclusiones (o células) de metamateriales físicos a tamaños más pequeños, a menudo se examina la discusión y la implementación de circuitos LC agrupados o redes LC distribuidas . Los elementos de circuito agrupados son en realidad elementos microscópicos que se aproximan efectivamente a sus homólogos de componentes más grandes. Por ejemplo, la capacitancia e inductancia del circuito se pueden crear con anillos divididos, que están en la escala de nanómetros en frecuencias ópticas. El modelo LC distribuido está relacionado con el modelo LC agrupado; sin embargo, el modelo de elementos distribuidos es más preciso pero más complejo que el modelo de elementos agrupados .
Algunas antenas de metamateriales destacadas emplean metamateriales de línea de transmisión de 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 banda ancha, antenas pequeñas, antenas de bajo perfil, redes de alimentación de antenas, arquitecturas de energía novedosas y acopladores de alta directividad. Cargar una red metamaterial plana de TL con condensadores en serie e inductores en derivación produce un mayor rendimiento. Esto da como resultado un gran ancho de banda operativo mientras que el índice de refracción es negativo. [12] [28]
Debido a que las superlentes pueden superar el límite de difracción , esto permite un acoplamiento más eficiente a la radiación externa y permite una banda de frecuencia más amplia. Por ejemplo, las superlentes se pueden aplicar a la arquitectura TLM. En lentes convencionales, la imagen está limitada por el límite de difracción . Con las superlentes los detalles de las imágenes de campo cercano no se pierden. Las ondas evanescentes en crecimiento están sustentadas en el metamaterial ( n <1), que restaura las ondas evanescentes en decadencia 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 lentes convencionales. [28]
Al combinar materiales diestros (RHM) con zurdos (LHM) como una construcción de material compuesto (CRLH), se obtiene una capacidad de escaneo de atrás hacia adelante.
Los metamateriales se utilizaron por primera vez para la tecnología de antenas alrededor de 2005. Este tipo de antena utilizaba la capacidad establecida de los SNG para acoplarse con radiación externa . El acoplamiento resonante permitió una longitud de onda mayor que la antena. En frecuencias de microondas, esto permitió una antena más pequeña. [4] [28]
Una línea de transmisión cargada de metamaterial tiene ventajas significativas sobre las líneas de transmisión de retardo convencionales o estándar. Es de tamaño más compacto, puede lograr un cambio de fase positivo o negativo mientras ocupa la misma longitud física corta y exhibe una respuesta de fase lineal y más plana con la frecuencia , lo que lleva a retrasos de grupo más cortos. Puede funcionar en frecuencias más bajas debido a los condensadores distribuidos en serie alta y tiene dimensiones planas más pequeñas que su estructura coplanar equivalente. [28]
En 2002, en lugar de utilizar la configuración de cables SRR u otros medios tridimensionales, los investigadores observaron configuraciones planas que apoyaban la propagación de ondas hacia atrás, demostrando así un índice de refracción negativo y, como consecuencia, un enfoque. [17]
Se sabe desde hace mucho tiempo que las líneas de transmisión cargadas periódicamente con elementos capacitivos e inductivos en una configuración de paso alto soportan ciertos tipos de ondas inversas. Además, las líneas de transmisión planas son una combinación natural para la propagación de ondas bidimensionales. Con elementos de circuito agrupados, conservan una configuración compacta y aún pueden admitir el rango de RF más bajo. Con esto en mente, se propusieron redes de líneas de transmisión LC bidimensionales de paso alto y corte, cargadas periódicamente. Las redes LC se pueden diseñar para soportar ondas hacia atrás, sin una estructura voluminosa de cables/SRR. Esta fue la primera propuesta de este tipo que se alejó de los medios a granel para lograr un efecto refractivo negativo. Una propiedad notable de este tipo de red es que no depende de la resonancia; en cambio, la capacidad de soportar ondas hacia atrás define la refracción negativa. [17]
Los principios detrás del focus se derivan de Veselago y Pendry. La combinación de una losa de DPS plana (planar) convencional, 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 con k2. En tales condiciones, la potencia se refracta a través de un ángulo efectivamente negativo, lo que implica un índice de refracción efectivamente negativo. [17]
Las ondas electromagnéticas de una fuente puntual ubicada dentro de un DPS convencional se pueden enfocar dentro de un LHM utilizando una interfaz plana de los dos medios. Estas condiciones se pueden modelar excitando un solo nodo dentro del DPS y observando la magnitud y fase de los voltajes a tierra en todos los puntos del LHM. Un efecto de enfoque debería manifestarse como una distribución “puntual” de voltaje en una ubicación predecible en el LHM. [17]
La refracción negativa y el enfoque se pueden lograr sin emplear resonancias o sintetizar directamente la permitividad y la permeabilidad. Además, este medio se puede fabricar en la práctica cargando adecuadamente un medio de línea de transmisión principal. Además, la topología plana resultante permite que las estructuras LHM se integren fácilmente con circuitos y dispositivos de microondas planos convencionales. [17]
Cuando ocurre propagación electromagnética transversal con 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 alcanzar valores negativos. Para sintetizar un medio zurdo (ε < 0 y μ < 0), la reactancia en serie y la susceptibilidad en derivación deben volverse negativas, porque los parámetros del material son directamente proporcionales a estas cantidades del circuito. [29]
Una línea de transmisión que tiene elementos de circuito agrupados que sintetizan un medio zurdo se denomina "línea de transmisión dual" en comparación con la "línea de transmisión convencional". La estructura de línea de transmisión dual se puede implementar en la práctica cargando una línea de transmisión principal con capacitores en serie agrupados (C) e inductores en derivación (L). En esta estructura periódica, la carga es tan fuerte que los elementos agrupados dominan las características de propagación. [29]
El uso de SRR en frecuencias de RF , al igual que con los dispositivos inalámbricos, requiere que los resonadores se escalen a dimensiones mayores. Esto iba en contra de hacer que los dispositivos fueran más compactos. Por el contrario, las configuraciones de red LC podrían ampliarse a frecuencias de microondas y RF. [30]
Las líneas de transmisión cargadas con LC permitieron que una nueva clase de metamateriales produjera un índice de refracción negativo . Depender de las redes LC para emular la permitividad eléctrica y la permeabilidad magnética resultó en un aumento sustancial en los anchos de banda operativos. [30]
Además, sus celdas unitarias están conectadas a través de una red de líneas de transmisión y pueden estar equipadas con elementos de circuito agrupados , que les permiten ser compactos en frecuencias donde un SRR no puede serlo. La flexibilidad obtenida mediante el uso de elementos discretos o impresos permite que los metamateriales planos sean escalables desde el rango de megahercios hasta decenas de gigahercios . Además, la sustitución de los condensadores por varactores permitió ajustar dinámicamente las propiedades del material. Los medios propuestos son planos e inherentemente admiten la propagación de ondas bidimensionales (2-D), lo que los hace muy adecuados para aplicaciones de circuitos y dispositivos de RF/microondas. [30]
Se demostró que la línea de transmisión periódica cargada con LC 2-D ( TL ) exhibe propiedades NRI en un amplio rango de frecuencia. 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. [31] Se han utilizado estructuras TL duales para demostrar experimentalmente la radiación de onda inversa y el enfoque en frecuencias de microondas. [17] [31]
Como medio de índice de refracción negativo, una estructura TL dual no es simplemente un compensador de fase. Puede mejorar la amplitud de las ondas evanescentes, así como corregir la fase de las ondas que se propagan. Las ondas evanescentes en realidad crecen dentro de la estructura dual de TL. [31]
Grbic et al. utilizó una red de línea de transmisión cargada LC unidimensional, que admite una rápida propagación de ondas hacia atrás para demostrar características análogas a la "radiación Cherenkov invertida". Su propuesta de estructura radiante de onda invertida se inspiró en materiales LC de índice de refracción negativo. El patrón del plano E simulado a 15 GHz mostró radiación hacia la dirección contraproducente en el patrón de campo lejano, lo que indica claramente la excitación de una onda invertida. Dado que la dimensión transversal del conjunto es eléctricamente corta, la estructura está respaldada por una larga cubeta metálica. El canal actúa como una guía de ondas por debajo del corte y recupera la radiación trasera, lo que da como resultado patrones de campo lejano unidireccionales. [32]
Los medios planos se pueden implementar con un índice de refracción negativo eficaz. El concepto subyacente se basa en cargar periódicamente una red impresa de líneas de transmisión con inductores y condensadores. Esta técnica da como resultado parámetros efectivos de permitividad y permeabilidad del material que son inherente y simultáneamente negativos, obviando la necesidad de emplear medios separados. Los medios propuestos poseen otras características deseables, incluido un ancho de banda muy amplio sobre el cual el índice de refracción sigue siendo negativo, la capacidad de guiar ondas TM 2-D, escalabilidad desde frecuencias de RF a ondas milimétricas y bajas pérdidas de transmisión, así como el potencial de sintonizabilidad mediante insertar varactores y/o interruptores en la celda unitaria. El concepto ha sido 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; Sugerente de enfoque de campo cercano. [33]
Se pueden implementar dispositivos de RF/microondas basados en estos medios propuestos para aplicaciones en comunicaciones inalámbricas, vigilancia y radares. [33]
Según algunos investigadores, los metamateriales configurados con cables/SRR son construcciones tridimensionales voluminosas que son difíciles de adaptar para aplicaciones de circuitos y dispositivos de RF/microondas. Estas estructuras pueden alcanzar un índice de refracción negativo sólo dentro de un ancho de banda estrecho. Cuando se aplican a dispositivos inalámbricos en frecuencias de RF, los resonadores de anillo dividido deben ampliarse a dimensiones mayores, lo que, a su vez, obliga a un tamaño de dispositivo mayor. [33]
Las estructuras propuestas van más allá de los compuestos de alambre/SRR en el sentido de que no dependen de los SRR para sintetizar los parámetros del material, lo que conduce a anchos de banda operativos dramáticamente aumentados. Además, sus celdas unitarias están conectadas a través de una red de líneas de transmisión y, por lo tanto, pueden estar equipadas con elementos agrupados, que les permiten ser compactos en frecuencias donde el SRR no puede ser compacto. La flexibilidad obtenida mediante el uso de elementos discretos o impresos permite que los metamateriales planos sean escalables desde el rango de megahercios hasta decenas de gigahercios. Además, al utilizar varactores en lugar de condensadores, las propiedades efectivas del material se pueden ajustar dinámicamente. Además, los medios propuestos son planos e inherentemente soportan la propagación de ondas bidimensionales (2-D). Por lo tanto, estos nuevos metamateriales son muy adecuados para aplicaciones de circuitos y dispositivos de RF/microondas. [33]
En el régimen de longitud de onda larga, la permitividad y permeabilidad de los materiales convencionales se pueden sintetizar artificialmente utilizando redes LC periódicas dispuestas en una configuración de paso bajo. En la configuración dual (paso alto), estos parámetros de material equivalente asumen simultáneamente valores negativos y, por lo tanto, pueden usarse para sintetizar un índice de refracción negativo. [34]
La teoría de las antenas se basa en la teoría electromagnética clásica descrita por las ecuaciones de Maxwell . [35] Físicamente, una antena es una disposición de uno o más conductores , generalmente llamados elementos. Se crea una corriente alterna en los elementos aplicando un voltaje en los terminales de la antena, lo que hace que los elementos irradien un campo electromagnético. En recepción ocurre lo contrario: un campo electromagnético procedente de otra fuente induce una corriente alterna en los elementos y una tensión correspondiente en los terminales de la antena. Algunas antenas receptoras (como las parabólicas y de bocina) incorporan superficies reflectantes conformadas para recolectar ondas EM del espacio libre y dirigirlas o enfocarlas sobre los elementos conductores reales.
Una antena crea campos electromagnéticos suficientemente fuertes a grandes distancias. Recíprocamente, es sensible a los campos electromagnéticos que se le imponen externamente. El acoplamiento real entre una antena transmisora y receptora es tan pequeño que se requieren circuitos amplificadores tanto en la estación transmisora como en la receptora. Las antenas generalmente se crean modificando circuitos ordinarios en configuraciones de líneas de transmisión. [35]
La antena requerida para cualquier aplicación determinada 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: [35]
Antenas dipolo, antenas cortas, antenas parabólicas y otras antenas reflectoras, antenas de bocina, antenas de periscopio, antenas helicoidales, antenas en espiral, antenas de onda superficial y de onda fugaz. Las antenas de ondas con fugas incluyen antenas dieléctricas y cargadas de dieléctrico, y una variedad de antenas microstrip. [35]
El SRR fue introducido por Pendry en 1999 y es uno de los elementos más comunes de los metamateriales . [36] Como unidad conductora no magnética, comprende una serie de unidades que producen una permeabilidad magnética efectiva negativa mejorada, cuando la frecuencia del campo electromagnético incidente está cerca de la frecuencia de resonancia SRR. La frecuencia de resonancia del SRR depende de su forma y diseño físico. Además, la resonancia puede producirse en longitudes de onda mucho mayores que su tamaño. [37] [38] Para una mayor optimización de la forma de los elementos es conveniente utilizar algoritmos de optimización genéticos y de otro tipo. En diseños multifrecuencia se pueden aplicar diseños fractales como los de Sierpensky, Koch u otros fractales en lugar de SRR. [11]
Mediante la aplicación de metamateriales doblemente negativos (DNG), se puede aumentar notablemente la potencia radiada por antenas dipolo eléctricamente pequeñas . Esto podría lograrse rodeando una antena con una cubierta de material doble negativo (DNG). Cuando el dipolo eléctrico está incrustado en un medio DNG homogéneo , la antena actúa de forma inductiva en lugar de capacitiva, como lo haría en el espacio libre sin la interacción del material DNG. Además, la combinación dipolo-cubierta DNG aumenta la potencia real radiada en más de un orden de magnitud sobre una antena en el espacio libre. Una disminución notable de la reactancia de la antena dipolo corresponde al aumento de la potencia radiada. [10]
La potencia reactiva indica que la capa DNG actúa como una red de adaptación natural para el dipolo. El material DNG coincide con la reactancia intrínseca de este sistema de antena con el espacio libre, por lo que la impedancia del material DNG coincide con el espacio libre. Proporciona un circuito de adaptación natural a la antena. [10]
La adición de un metamaterial SRR-DNG aumentó la potencia radiada en más de un orden de magnitud en comparación con una antena de espacio libre comparable. Se producen antenas eléctricamente pequeñas, alta directividad y frecuencia operativa sintonizable con permeabilidad magnética negativa. Al combinar un material diestro (RHM) con un material Veselago-zurdo (LHM) se obtienen otras propiedades novedosas. Un resonador de material negativo único, obtenido con un SRR, puede producir una antena eléctricamente pequeña cuando funciona en frecuencias de microondas, de la siguiente manera: [4]
La configuración de un SRR evaluado fue de dos anillos anulares concéntricos con espacios relativamente opuestos 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 espacio 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, la cual se determinó considerando los parámetros geométricos de SRR. Se colocó un cable de 8,32 mm sobre el plano de tierra, conectado a la antena, que era un cuarto de la longitud de onda de operación. La antena funcionó 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 monopolo. [4]
La antena monopolo-SRR operó eficientemente a (λ/10) usando la configuración de cable SRR. Demostró una buena eficiencia de acoplamiento y suficiente eficiencia de radiación. Su funcionamiento era comparable al de una antena convencional en λ/2, que es un tamaño de antena convencional para un acoplamiento y una radiación eficientes. Por lo tanto, la antena monopolo-SRR se convierte en una antena eléctricamente pequeña aceptable en la frecuencia de resonancia del SRR. [4] [11]
Cuando el SRR forma parte de 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 SRR, el tamaño de la antena podría alcanzar ( λ/40 ). El acoplamiento de 2, 3 y 4 SRR uno al lado del otro cambia ligeramente los patrones de radiación. [4]
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 fue citado en 2007 por 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 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. [39] [40] [41]
Esta configuración utiliza una apertura plana construida con metamaterial de índice cero. Esto tiene ventajas sobre las lentes curvas ordinarias (convencionales), lo que da como resultado una directividad mucho mejor. [11] Estas investigaciones han proporcionado capacidades para la miniaturización de dispositivos, circuitos y antenas con y sin fuente de microondas y la mejora del rendimiento electromagnético. [42]
La tecnología de antena de superficie de metamateriales (M-SAT) es una invención que utiliza metamateriales para dirigir y mantener un haz de radiofrecuencia de banda ancha consistente fijado en un satélite, ya sea que la plataforma esté en movimiento o estacionaria. Los cardanes y motores son reemplazados por conjuntos de metamateriales en una configuración plana. Además, con esta nueva tecnología no se requieren desfasadores como ocurre con los equipos de matriz en fase . El efecto deseado se logra variando el patrón de elementos metamateriales activados según sea necesario. La tecnología es una aplicación práctica de la teoría del encubrimiento de metamateriales . La antena es aproximadamente del tamaño de una computadora portátil. [43] [44] [45]
Investigación y aplicaciones de antenas basadas en metamateriales. También se investigan los componentes relacionados. [46] [47]
Cuando la interfaz entre un par de materiales que funcionan como medios de transmisión óptica interactúan como resultado de valores opuestos de permitividad y/o permeabilidad que son ya sea 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. Es posible que se produzcan comportamientos y propiedades de propagación de ondas que de otro modo no ocurrirían si solo se emparejaran capas de DNG. [48]
En la interfaz entre dos medios, se puede aplicar el concepto de continuidad de los componentes tangenciales del campo eléctrico y magnético. Si la permeabilidad o la permitividad de dos medios tienen signos opuestos, entonces 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 ser similar a las distribuciones de corriente y voltaje en la unión entre un inductor y un capacitor, en la resonancia de un circuito LC. Esta " resonancia de interfaz " es esencialmente independiente del espesor total de las capas emparejadas, porque se produce a lo largo de la discontinuidad entre dos de dichos materiales conjugados. [48] [49]
La geometría consta de dos placas paralelas como conductoras perfectas (PEC), una estructura idealizada, rellenada por dos losas planas apiladas de materiales homogéneos e isotrópicos con sus respectivos parámetros constitutivos ε 1 , ε 2 , u 1 , u 2 . Cada losa tiene espesor = d, losa 1 = d 1 y losa 2 = d 2 . Elegir qué combinación de parámetros emplear implica combinar materiales DPS y DNG o ENG y MNG. Como se mencionó anteriormente, este es un par de parámetros constitutivos con signos opuestos, combinados. [50]
Los valores de los componentes reales para la permitividad y la permeabilidad negativas dan como resultado valores de los componentes reales para la refracción negativa n. En un medio sin pérdidas, todo lo que existiría serían valores reales. Este concepto se puede utilizar para trazar la compensación de fase cuando un material convencional sin pérdidas, DPS, se combina con un NIM sin pérdidas (DNG). [49]
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 el mismo que el de la región exterior y responde a una onda plana normalmente incidente. La onda viaja a través del medio sin ningún reflejo porque la impedancia DPS y la impedancia exterior son iguales. Sin embargo, la onda plana al final de la losa de DPS está desfasada con la onda plana al comienzo del material. [49]
Luego, la onda plana ingresa al NIM sin pérdidas (d 2 ). En 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 exterior y, por lo tanto, tampoco tiene pérdidas. La dirección del flujo de energía (es decir, el vector de Poynting) en la primera losa debe ser la misma que en la segunda, porque la potencia de la onda incidente ingresa a la primera losa (sin ninguna reflexión en la primera interfaz), atraviesa la primera losa, sale de la segunda interfaz, entra en la segunda losa y la atraviesa, y finalmente sale de la segunda losa. 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 losa puede disminuirse e incluso cancelarse al atravesar la segunda losa. Si la relación de los dos espesores es d1 /d2 = n2 / n1 , entonces la diferencia de fase total entre las caras frontal y posterior es cero. [49] Esto demuestra cómo la losa NIM en las frecuencias elegidas actúa como un compensador de fase. Es importante tener en cuenta que este proceso de compensación de fase se realiza únicamente en la relación de d 1 / d 2 en lugar del espesor de 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 atraviese esta estructura no experimentará la diferencia de fase.
Después de esto, el siguiente paso es el resonador de cavidad de longitud de onda inferior. [49]
El compensador de fase descrito anteriormente se puede utilizar para conceptualizar la posibilidad de diseñar un resonador de cavidad unidimensional compacto. La estructura de dos capas anterior se aplica como dos reflectores perfectos o, en otras palabras, dos placas conductoras perfectas. Conceptualmente, lo que está restringido en el resonador es d 1 / d 2 , no d 1 + d 2 . Por lo tanto, en principio, se puede tener un resonador de cavidad delgada por debajo de la longitud de onda para una frecuencia determinada, si a esta frecuencia la segunda capa actúa como un metamaterial con permitividad y permeabilidad negativas y la relación se correlaciona con los valores correctos. [49]
Conceptualmente, la cavidad puede ser delgada sin dejar de ser resonante, siempre que se cumpla la relación de espesores. En principio, esto puede ofrecer la posibilidad de resonadores de cavidades compactos, delgados y de longitud inferior a la onda. [49]
Los metamateriales basados en superficie selectiva de 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 frecuencia de corte y una transición suave de una onda rápida a una onda lenta en una configuración de guía de ondas. [51]
Como aplicación de LHM, se fabricaron, observaron y describieron experimentalmente cuatro cavidades diferentes que funcionan en el régimen de microondas. [52]
Se colocó un dipolo magnético en el plano de tierra del metamaterial (losa). Los metamateriales tienen parámetros constituyentes que son a la vez negativos, o permitividad negativa o permeabilidad negativa. Se investigaron las propiedades de dispersión y radiación de ondas con fugas sostenidas por estas losas de metamaterial, respectivamente. [53]
Múltiples sistemas tienen patentes .
Los sistemas de matriz en fase y las antenas para uso en tales sistemas son bien conocidos en áreas tales como telecomunicaciones y aplicaciones de radar . En general, los sistemas de matriz en fase funcionan reensamblando coherentemente señales en toda la matriz mediante el uso de elementos de circuito para compensar las diferencias de fase relativas y los retrasos de tiempo. [54]
Patentado en 2004, el sistema de antena monofásica es útil en aplicaciones de radar para automóviles. Al utilizar NIM como lentes bicóncavas para enfocar las microondas, los lóbulos laterales de la antena se reducen de tamaño. Esto equivale a una reducción de la pérdida de energía radiada y a un ancho de banda útil relativamente más amplio. El sistema es un sistema de radar de matriz en fase eficiente y de rango dinámico . [54]
Además, la amplitud de la señal aumenta a través de las líneas de transmisión de microcinta suspensándolas sobre el plano de tierra a una distancia predeterminada. Es decir, no están en contacto con un sustrato sólido. La pérdida de señal dieléctrica se reduce significativamente, reduciendo la atenuación de la señal. [54]
Este sistema fue diseñado para aumentar el rendimiento del circuito integrado monolítico de microondas (MMIC), entre otros beneficios. Se crea una línea de transmisión con fotolitografía. Una lente metamaterial, que consta de una delgada red de cables, enfoca las señales transmitidas o recibidas entre la línea y los elementos emisores/receptores. [54]
La lente también funciona como un dispositivo de entrada y consta de varias celdas unitarias periódicas dispuestas a lo largo de la línea. La lente consta de múltiples líneas del mismo maquillaje; 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 . [54]
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 a al menos el primer plano de tierra. También incluye un medio para suspender este elemento de transmisión a una distancia predeterminada del sustrato de manera tal que el elemento de transmisión esté ubicado a una segunda distancia predeterminada del plano de tierra. [54]
Esta estructura fue diseñada para su uso en guía de ondas 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 al revés. [55]
Los metamateriales pueden reducir la interferencia entre múltiples dispositivos con un blindaje más pequeño y simple. Mientras que los absorbentes convencionales pueden tener tres pulgadas de espesor, los metamateriales pueden tener un espesor del orden de milímetros: 2 mm (0,078 pulgadas). [56]
LG Chocolate BL40 es el primer teléfono móvil que utiliza una antena de metamateriales
Empresa comercializará la tecnología de antena satelital basada en metamateriales de IV
Con la creciente proliferación de dispositivos inalámbricos dentro y fuera del hogar y el lugar de trabajo, existe preocupación sobre cómo la interferencia del entorno electromagnético externo puede causar problemas en la conectividad de los dispositivos en el futuro.
