Un metamaterial sintonizable es un metamaterial con una respuesta variable a una onda electromagnética incidente . Esto incluye controlar de forma remota cómo interactúa una onda electromagnética incidente (onda EM) con un metamaterial. Esto se traduce en la capacidad de determinar si la onda EM se transmite, se refleja o se absorbe. En general, la estructura reticular del metamaterial sintonizable es ajustable en tiempo real, lo que permite reconfigurar un dispositivo de metamaterial durante la operación. Abarca desarrollos más allá de las limitaciones del ancho de banda en materiales para zurdos mediante la construcción de varios tipos de metamateriales. La investigación en curso en este dominio incluye materiales electromagnéticos que son muy meta, lo que significa bueno y tienen metamateriales de banda prohibida (EBG), también conocidos como banda prohibida fotónica (PBG), y material de índice de refracción negativo (NIM). [1] [2] [3]
Dado que los materiales naturales presentan un acoplamiento muy débil a través del componente magnético de la onda electromagnética , se están investigando y fabricando materiales artificiales que presentan un fuerte acoplamiento magnético . Estos materiales artificiales se conocen como metamateriales. El primero de ellos fue fabricado (en el laboratorio) con una respuesta inherente y limitada a solo una banda de frecuencia estrecha en un momento dado. Su objetivo principal era demostrar de forma práctica los metamateriales. La naturaleza resonante de los metamateriales da como resultado una dispersión de frecuencia y un funcionamiento de ancho de banda estrecho donde la frecuencia central está fijada por la geometría y las dimensiones de los elementos rudimentarios que componen el compuesto de metamaterial. A estas les siguieron demostraciones de metamateriales que sólo se podían ajustar cambiando la geometría y/o la posición de sus componentes. A estos les siguieron metamateriales que se pueden sintonizar en rangos de frecuencia más amplios junto con estrategias para variar las frecuencias de un solo medio (metamaterial). Esto contrasta con el metamaterial de frecuencia fija, que está determinado por los parámetros imbuidos durante la fabricación. [3] [4]
Los dispositivos basados en metamateriales podrían llegar a incluir filtros, moduladores, amplificadores, transistores y resonadores, entre otros. La utilidad de un dispositivo de este tipo podría ampliarse enormemente si las características de respuesta del metamaterial se pueden ajustar dinámicamente. El control de los parámetros electromagnéticos efectivos de un metamaterial es posible a través de componentes sintonizables externamente.
Los estudios han examinado la capacidad de controlar la respuesta de partículas individuales utilizando dispositivos sintonizables como diodos varactor, materiales semiconductores y películas delgadas de titanato de bario y estroncio (BST). [5]
Por ejemplo, HT Chen, en 2008, pudo fabricar una celda resonadora de anillo dividido (SRR) repetitiva con material semiconductor que alineaba los espacios. Este paso inicial en la investigación de metamateriales amplió el rango espectral de operación de un dispositivo metamaterial específico determinado. Esto también abrió la puerta a la implementación de nuevos conceptos de dispositivos. Se destaca la importancia de incorporar el material semiconductor de esta manera debido a los rangos de frecuencia más altos en los que opera este metamaterial. Es adecuado en terahercios (THz) y frecuencias más altas, donde todo el compuesto metamaterial puede tener más de 10 4 celdas unitarias, junto con la integración vertical de los elementos de sintonización. Las estrategias empleadas para sintonizar frecuencias más bajas no serían posibles debido al número de celdas unitarias involucradas. El material semiconductor, como el silicio, se controla mediante fotoexcitación. Esto a su vez controla o altera el tamaño efectivo del condensador y sintoniza la capacitancia. Toda la estructura no es sólo material semiconductor. Esto se denominó "híbrido", porque el material semiconductor estaba fusionado con material dieléctrico; una oblea de silicio sobre zafiro (SOS). Luego se apilaron las obleas, formando una estructura completa. [6] A. Degiron et al., parecen haber utilizado una estrategia similar en 2007. [nota 1]
Zhao et al. informaron sobre un medio magnético sintonizable de múltiples elementos. Esta estructura sumergió los SRR en cristales líquidos y logró un rango sintonizable del 2%. [nota 2]
Los SRR cargados con BST que comprenden metamaterial sintonizable encapsulan toda la capacidad de sintonización dentro del circuito SRR. [5]
En la sección siguiente, un equipo de investigación informó sobre un medio de índice negativo sintonizable que utiliza alambres de cobre y láminas de ferrita. El comportamiento de permeabilidad negativa parece depender de la ubicación y el ancho de banda de la resonancia ferrimagnética, una ruptura con los materiales totalmente no magnéticos, que produce una notable banda de índice negativo. Se necesita una bobina o un imán permanente para suministrar la polarización del campo magnético para la sintonización.
Sintonización eléctrica para metamateriales sintonizables. [6]
Control magnetostático para metamateriales sintonizables. [6]
Bombeo óptico para metamateriales sintonizables. [6]
Las películas de granate de hierro y itrio (YIG) permiten una permeabilidad negativa continuamente sintonizable , lo que da como resultado un rango de frecuencia sintonizable en el lado de frecuencia más alta de la resonancia ferromagnética del YIG. La permitividad negativa complementaria se logra utilizando una única matriz periódica de cables de cobre. Se colocaron ocho cables separados por 1 mm y se colocó una película ferromagnética de YIG multicapa de 400 mm de espesor en una guía de ondas de banda K. La película YIG se aplicó a ambos lados de un sustrato de granate de gadolinio y galio de 0,5 mm de espesor. Se indujo resonancia ferromagnética cuando se aplicó el campo magnético H externo a lo largo del eje X. [3]
El campo magnético externo se generó con un electroimán . Se conectaron pares de sintonizadores E – H antes y después de la guía de ondas que contiene el compuesto NIM. La sintonizabilidad se demostró de 18 a 23 GHz . El análisis teórico que siguió coincidió estrechamente con los resultados experimentales. [3]
Se construyó un espacio de aire en la estructura entre el conjunto de cables de cobre y el YIG . Esto reduce el acoplamiento con el material de ferrita , YIG. Cuando se logra una permeabilidad negativa en un rango de frecuencias, la interacción de la ferrita con los cables cercanos reduce el flujo de corriente neto en los cables. Esto es lo mismo que avanzar hacia la permitividad positiva. Este sería un resultado no deseado ya que el material ya no sería un NIM. La separación también reduce la pérdida efectiva del dieléctrico , inducida por la interacción del campo propio del cable con la permeabilidad. Además, existen dos fuentes de conducción en el alambre de cobre . Primero, el campo eléctrico en una guía de ondas ( microondas ) crea una corriente en el cable. En segundo lugar, cualquier campo magnético arbitrario creado por la ferrita cuando se mueve hacia una configuración perpendicular induce una corriente . Además, en frecuencias donde μ es negativa, el campo magnético de microondas inducido es opuesto al campo excitado en un modo de propagación TE10 en una guía de ondas . Por tanto, la corriente inducida es opuesta a la corriente resultante del campo eléctrico en una guía de ondas. [3]
En aplicaciones aeroespaciales (por ejemplo), los metamateriales de índice negativo son probablemente candidatos para desfasadores sintonizables, compactos y livianos . Debido a que los metamateriales designados pueden manejar los niveles de potencia apropiados , tienen fuertes características de dispersión y son sintonizables en el rango de microondas , estos muestran potencial para ser desfasadores deseables. [7]
El metamaterial de índice negativo YIG es un compuesto que en realidad utiliza material de ferrita. Como metamaterial, la ferrita produce una permeabilidad magnética (real) resonante μ' que es lo suficientemente grande como para ser comparable al desfasador de ferrita convencional. La ventaja de utilizar un material NIM de ferrita para la aplicación de desfasador es que permite el uso de una ferrita en la región de permeabilidad magnética negativa cerca de la FMR (frecuencia de resonancia ferromagnética) cuando es relativamente alta y aún mantiene bajas pérdidas. Cerca de la frecuencia FMR, la magnitud de μ' es mayor que en frecuencias alejadas de ella. Suponiendo que el factor de pérdida sea aproximadamente el mismo para el NIM y el desfasador de ferrita convencional, esperaríamos un rendimiento mucho mejor usando el compuesto NIM, ya que los desfases serían significativamente mayores debido a un mayor diferencial μ' . [7]
La sintonización en el rango del infrarrojo cercano se logra ajustando la permitividad de un cristal líquido nemático adjunto . El material de cristal líquido parece usarse como sustrato y como camisa para un metamaterial de índice negativo . El metamaterial se puede ajustar desde valores de índice negativos hasta índices cero y valores de índice positivos. Además, con este método se pueden aumentar o disminuir los valores de índice negativos. [8] [9]
Las matrices metálicas de longitudes inferiores a las de onda, esencialmente otra forma de metamaterial, generalmente operan en frecuencias ópticas y de microondas. Un cristal líquido es transparente y anisotrópico en esas frecuencias. Además, un cristal líquido tiene las propiedades inherentes de ser intrínsecamente sintonizable y proporcionar sintonización para las matrices metálicas. Este método de sintonizar un tipo de metamaterial se puede utilizar fácilmente como electrodos para aplicar voltajes de conmutación. [10]
Las áreas de investigación activa en materiales ópticos son los metamateriales que son capaces de tener valores negativos de índice de refracción (NIM) y los metamateriales que son capaces de tener un índice de refracción cero (ZIM). Los complicados pasos necesarios para fabricar estos metamateriales a nanoescala han llevado al deseo de estructuras fabricadas y sintonizables capaces de alcanzar los rangos espectrales o resonancias prescritos.
El esquema más comúnmente aplicado para lograr estos efectos es la sintonización electroóptica . Aquí el cambio en el índice de refracción es proporcional al campo eléctrico aplicado o es proporcional al módulo cuadrado del campo eléctrico. Estos son el efecto Pockels y el efecto Kerr , respectivamente. Sin embargo, para lograr estos efectos se deben incorporar electrodos durante el proceso de fabricación. Esto introduce una complejidad problemática en las técnicas de formación de materiales. Otra alternativa es emplear un material óptico no lineal como uno de los constituyentes de este sistema y depender de la intensidad del campo óptico para modificar el índice de refracción o los parámetros magnéticos. [11]
Los resonadores de anillo son dispositivos ópticos diseñados para mostrar resonancia para longitudes de onda específicas. En estructuras en capas de silicio sobre aislante, pueden ser muy pequeños, exhibir un factor Q alto y tener bajas pérdidas que los convierten en filtros de longitud de onda eficientes. El objetivo es lograr un índice de refracción ajustable en un ancho de banda mayor. [12]
Se propone un enfoque novedoso para el ajuste eficiente de las características de transmisión de los metamateriales mediante un ajuste continuo de la estructura reticular, y se confirma experimentalmente en el rango de microondas. [13]
Los metamateriales se investigaron originalmente como material de respuesta pasiva . La respuesta pasiva estuvo y todavía está determinada por el patrón de los elementos metamateriales. En otras palabras, la mayoría de las investigaciones se han centrado en las propiedades pasivas de la nueva transmisión, por ejemplo, el tamaño y la forma de las inclusiones, los efectos del espesor de la película metálica, la geometría de los agujeros, la periodicidad , con respuestas pasivas como una respuesta eléctrica negativa. , índice negativo o índice de gradiente, etc. Además, la respuesta resonante puede verse afectada significativamente depositando una capa dieléctrica sobre matrices de orificios metálicos y dopando un sustrato semiconductor . El resultado es un cambio significativo de la frecuencia de resonancia . Sin embargo, incluso estos dos últimos métodos forman parte de la investigación de materiales pasivos. [14]
Los metamateriales electromagnéticos pueden verse como compuestos estructurados con inclusiones metálicas estampadas en sublongitudes de onda . Como sistemas físicos mesoscópicos , estos se construyen a partir del nivel de la celda unitaria. Estas celdas unitarias están diseñadas para producir propiedades electromagnéticas prescritas. Una característica de este tipo de metamaterial es que los componentes individuales tienen una respuesta resonante (acoplamiento) a los componentes eléctricos, magnéticos o ambos de la radiación electromagnética de la fuente. El metamaterial EM, como medio de transmisión diseñado artificialmente, hasta ahora ha proporcionado las respuestas deseadas en frecuencias que van desde las microondas hasta las cercanas a lo visible. [6]
La introducción de un material semiconductor natural dentro o como parte de cada celda de metamaterial da como resultado una nueva flexibilidad de diseño. La incorporación, aplicación y ubicación del material semiconductor se planifica estratégicamente para que esté fuertemente acoplado a la frecuencia de resonancia de los elementos metamateriales. El compuesto metamaterial híbrido sigue siendo un material pasivo. Sin embargo, el acoplamiento con el material semiconductor permite el estímulo externo y el control del sistema híbrido en su conjunto, lo que produce alteraciones en la respuesta pasiva del metamaterial. La excitación externa se produce, por ejemplo, en forma de fotoconductividad, no linealidad o ganancia en el material semiconductor. [6]
Los metamateriales de terahercios (THz) pueden mostrar un rango espectral sintonizable, donde la permeabilidad magnética alcanza valores negativos. Estos valores fueron establecidos tanto teórica como experimentalmente. El principio demostrado representa un paso adelante hacia un metamaterial con índice de refracción negativo capaz de cubrir continuamente una amplia gama de frecuencias de THz y abre un camino para la manipulación activa de haces milimétricos y submilimétricos. [15]
Las superficies selectivas de frecuencia ( FSS ) se han convertido en una alternativa al metamaterial de frecuencia fija donde las geometrías estáticas y los espacios de las celdas unitarias determinan la respuesta de frecuencia de un metamaterial determinado. Debido a que las celdas unitarias dispuestas mantienen posiciones estáticas durante toda la operación,se tendría que incrustar un nuevo conjunto de formas y espacios geométricos en un material recién fabricado para cada frecuencia y respuesta radiada diferente . En cambio, los metamateriales basados en FSS permiten cambios opcionales de frecuencias en un único medio (metamaterial) en lugar de una restricción a una respuesta de frecuencia fija. [4]
Las superficies selectivas de frecuencia se pueden fabricar como conjuntos periódicos bidimensionales planos de elementos metálicos con formas geométricas específicas , o pueden ser aberturas periódicas en una pantalla metálica. Los coeficientes de transmisión y reflexión para estas superficies dependen de la frecuencia de operación y también pueden depender de la polarización y el ángulo de la onda electromagnética transmitida que golpea el material o el ángulo de incidencia . La versatilidad de estas estructuras se muestra al disponer de bandas de frecuencias en las que un determinado SFS es completamente opaco ( bandas de parada ) y otras bandas en las que la misma superficie permite la transmisión de ondas . [dieciséis]
Un ejemplo en el que esta alternativa resulta muy ventajosa es en el espacio profundo o con un satélite o telescopio en órbita . El gasto de las misiones espaciales regulares para acceder a una sola pieza de equipo para su ajuste y mantenimiento sería prohibitivo. La sintonización remota , en este caso, resulta ventajosa. [4]
El FSS se desarrolló por primera vez para controlar las características de transmisión y reflexión de una onda de radiación incidente . Esto ha dado como resultado un tamaño de celda más pequeño junto con aumentos en el ancho de banda y la capacidad de cambiar frecuencias en tiempo real para materiales artificiales . [4]
Este tipo de estructura se puede utilizar para crear una superficie metamaterial con la aplicación prevista de conductores magnéticos artificiales o aplicaciones para condiciones de contorno . Otra aplicación es como dispositivo de banda de parada para la propagación de ondas superficiales a lo largo de la interfaz. Esto se debe a que las ondas superficiales se crean como consecuencia de una interfaz entre dos medios que tienen índices de refracción diferentes . Dependiendo de la aplicación del sistema que incluye los dos medios, puede ser necesario atenuar las ondas superficiales o utilizarlas. [17]
Un metamaterial basado en FSS emplea un modelo (en miniatura) de circuito LC equivalente . A bajas frecuencias, la física de las interacciones se define esencialmente mediante el análisis del modelo LC y la simulación numérica . Esto también se conoce como modelo LC estático. A frecuencias más altas, los conceptos LC estáticos dejan de estar disponibles. Esto se debe a la dependencia de las fases . Cuando el FSS está diseñado para características de banda prohibida electromagnética ( EBG ), el FSS está diseñado para ampliar sus propiedades de banda de parada en relación con las frecuencias dispersivas de ondas superficiales (SW) (frecuencias de microondas y radio). Además, como EBG, está diseñado para reducir su dependencia de la dirección de propagación de la onda superficial que viaja a través de la superficie (interfaz). [17]
Un tipo de metamaterial basado en FSS tiene la nomenclatura intercambiable Conductor magnético artificial (AMC) o Superficie de alta impedancia (HIS). El HIS, o AMC, es una estructura electromagnética metálica artificial . La estructura está diseñada para ser selectiva en el soporte de corrientes de ondas superficiales, a diferencia de los conductores metálicos convencionales. Tiene aplicaciones para circuitos de microondas y antenas. [18] [19] [20]
Como plano de tierra de la antena , suprime la propagación de ondas superficiales y se despliega como una mejora sobre la lámina metálica plana como plano de tierra o reflector. Por tanto, esta estrategia tiende a mejorar el rendimiento de la antena seleccionada. [18] [19] [20]
Las ondas superficiales fuertes de suficiente fuerza, que se propagan en el plano de tierra del metal, alcanzarán el borde y se propagarán hacia el espacio libre . Esto crea una interferencia de múltiples caminos . Por el contrario, la superficie HIS suprime la propagación de ondas superficiales. Además, se aumenta eficientemente el control del patrón de radiación de radiofrecuencia o microondas y también se reduce el acoplamiento mutuo entre antenas. [18] [19] [20]
Cuando se emplean planos de tierra convencionales como control experimental, la superficie HIS exhibe un patrón de radiación más suave, un aumento en la ganancia del lóbulo principal , una disminución en la radiación de retorno no deseada y una disminución en el acoplamiento mutuo. [18]
Un HIS, o AMC, puede describirse como un tipo de material de banda prohibida electromagnética (EBG) o un tipo de compuesto sintético que está estructurado intencionalmente con una superficie conductora magnética para un rango de frecuencias asignado, pero definido . Las estructuras AMC o HIS a menudo surgen de una base dieléctrica periódica diseñada junto con patrones de metalización diseñados para microondas y radiofrecuencias . El patrón de metalización suele estar determinado por la aplicación prevista de la estructura AMC o HIS. Además, dos propiedades inherentes notables, que no se pueden encontrar en materiales naturales, han dado lugar a un número significativo de aplicaciones de circuitos de microondas. [19] [20]
En primer lugar, las superficies AMC o HIS están diseñadas para tener un conjunto asignado de frecuencias sobre las cuales no se permitirá que se propaguen las ondas y corrientes electromagnéticas de la superficie . Estos materiales resultan entonces beneficiosos y prácticos como planos de tierra de antenas , pequeños filtros planos de procesamiento de señales o filtros como parte de estructuras de guías de ondas . Por ejemplo, las superficies AMC como planos de tierra de antena pueden atenuar eficazmente las fluctuaciones u ondulaciones de las ondas no deseadas, al tiempo que producen buenos patrones de radiación. Esto se debe a que el material puede suprimir la propagación de ondas superficiales dentro del rango prescrito de frecuencias prohibidas.
En segundo lugar, las superficies AMC tienen una impedancia superficial muy alta dentro de un rango de frecuencia específico , donde el campo magnético tangencial es pequeño, incluso con un campo eléctrico grande a lo largo de la superficie. Por tanto, una superficie AMC puede tener un coeficiente de reflexión de +1. [19] [20]
Además, la fase de reflexión de la luz incidente forma parte de la caja de herramientas de AMC y HIS. [nota 3] La fase del campo eléctrico reflejado tiene incidencia normal; la misma fase del campo eléctrico incide en la interfaz de la superficie reflectante. La variación de la fase de reflexión es continua entre +180◦ y −180◦ con respecto a la frecuencia. El cero se cruza en una frecuencia , donde se produce la resonancia . Una característica notable es que el ancho de banda útil de un AMC generalmente se define como +90◦ a −90◦ a cada lado de la frecuencia central. [21] Por lo tanto, debido a esta condición límite inusual, en contraste con el caso de un plano de tierra metálico convencional , una superficie AMC puede funcionar como un nuevo tipo de plano de tierra para antenas de cable de bajo perfil ( sistemas de comunicación inalámbrica ). Por ejemplo, aunque una antena de hilo horizontal está extremadamente cerca de una superficie AMC, la corriente en la antena y su corriente de imagen en el plano de tierra están en fase, en lugar de desfasadas, fortaleciendo así la radiación. [20] [21]
[22]
Los materiales de superficies selectivas de frecuencia (FSS) se pueden utilizar como material de banda prohibida en el dominio de las ondas superficiales , en longitudes de onda de microondas y radiofrecuencia . El soporte de ondas superficiales es una propiedad dada de los metales . Se trata de ondas electromagnéticas que se propagan y que están unidas a la interfaz entre la superficie del metal y el aire. Los plasmones superficiales se producen en frecuencias ópticas, pero en frecuencias de microondas, son las corrientes normales que se producen en cualquier conductor eléctrico . [17] [19] En las radiofrecuencias, los campos asociados con las ondas superficiales pueden extenderse miles de longitudes de onda en el espacio circundante y, a menudo, se describen mejor como corrientes superficiales. Se pueden modelar desde el punto de vista de una constante dieléctrica efectiva o una impedancia superficial efectiva. [19]
Por ejemplo, una lámina de metal plana siempre tiene una impedancia superficial baja . Sin embargo, al incorporar una textura especial en una superficie conductora , una geometría especialmente diseñada , es posible diseñar una alta impedancia superficial y alterar sus propiedades electromagnéticas de radiofrecuencia . Las protuberancias están dispuestas en una estructura reticular bidimensional y pueden visualizarse como chinchetas que sobresalen de la superficie. [19]
Debido a que las protuberancias son fraccionalmente más pequeñas que la longitud de onda operativa , la estructura se puede describir usando un modelo de medio efectivo y las propiedades electromagnéticas se pueden describir usando elementos de circuito concentrado ( condensadores e inductores ). Se comportan como una red de circuitos LC resonantes paralelos , que actúan como un filtro eléctrico bidimensional para bloquear el flujo de corrientes a lo largo de la lámina. [19]
Esta estructura puede servir entonces como conductor magnético artificial (AMC), debido a su alta impedancia superficial dentro de un cierto rango de frecuencia. Además, como conductor magnético artificial, tiene una banda de frecuencia prohibida, sobre la cual las ondas y corrientes superficiales no pueden propagarse. Por lo tanto, las superficies AMC tienen buenos patrones de radiación sin ondulaciones no deseadas basadas en la supresión de la propagación de ondas superficiales dentro del rango de frecuencia de banda prohibida. [20]
La impedancia de la superficie se deriva de la relación entre el campo eléctrico en la superficie y el campo magnético en la superficie, que se extiende mucho más allá de la profundidad de la piel en el metal. Cuando se aplica una textura a la superficie del metal, la impedancia de la superficie se altera y sus propiedades de onda superficial cambian. A bajas frecuencias, es inductivo y soporta ondas magnéticas transversales (TM). A altas frecuencias, es capacitivo y soporta ondas eléctricas transversales (TE). Cerca de la frecuencia de resonancia LC , la impedancia superficial es muy alta. En esta región, las olas no están ligadas a la superficie. Más bien, irradian hacia el espacio circundante . [19] [23]
Se fabricó una superficie de alta impedancia como placa de circuito impreso. La estructura consta de una celosía triangular de placas metálicas hexagonales, conectadas a una lámina metálica sólida mediante vías conductoras verticales . [19]
Se propone, simula y luego construye en el laboratorio la banda prohibida fotónica compacta uniplanar (UC-PBG) para superar las limitaciones aclaradas de la tecnología de circuitos planos. Al igual que las estructuras fotónicas de banda prohibida, está grabada en el plano de tierra de la línea microstrip. La geometría son almohadillas metálicas cuadradas. Cada almohadilla metálica tiene cuatro ramas de conexión que forman un circuito LC distribuido. [24] [25]