Antena metamaterial - Metamaterial antenna

Esta antena Z probada en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología es más pequeña que una antena estándar con propiedades comparables. Su alta eficiencia se deriva del "elemento Z" dentro del cuadrado que actúa como un metamaterial , aumentando en gran medida la señal radiada. El cuadrado mide 30 milímetros de 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 ) . Su propósito, como con 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 de regreso a la fuente. Una antena de metamaterial se comporta como si fuera mucho más grande que su tamaño real, porque su estructura novedosa almacena y vuelve a irradiar energía. Se pueden utilizar técnicas de litografía establecidas para imprimir elementos metamateriales en una placa de circuito impreso .

Estas nuevas antenas ayudan a aplicaciones como la interacción portátil con satélites, la dirección de haz de gran angular, los dispositivos de comunicaciones de emergencia, los microsensores y los radares portátiles de penetración en el suelo para buscar características geofísicas.

Algunas aplicaciones de las antenas de metamateriales son las comunicaciones inalámbricas , 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 aumentar la potencia radiada de una antena. Las antenas de 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 disminuciones de tamaño.

Los metamateriales son 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 restrictivas del ancho de banda de eficiencia para las antenas en miniatura de construcción convencional.

Los metamateriales permiten elementos de antena más pequeños que cubren un rango de frecuencia más amplio , haciendo así un mejor uso del espacio disponible para 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 ser dispersada.

La cáscara DNG

La primera investigación en antenas de metamaterial fue un estudio analítico de una antena dipolo en miniatura rodeada de un metamaterial. Este material se conoce de diversas formas como metamaterial de índice negativo (NIM) o metamaterial doble negativo (DNG), entre otros nombres.

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.

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 radio frecuencia o microondas de las matrices de antenas ( múltiples entradas y múltiples salidas ) (MIMO) . Los planos de tierra de metamateriales de alta impedancia también pueden mejorar la eficiencia de la 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 hacia adelante y hacia atrás en antenas de ondas con fugas. Se pueden emplear varios sistemas de antenas de metamaterial para soportar sensores de vigilancia, enlaces de comunicación, sistemas de navegación y sistemas de comando y control.

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. En los subsistemas se utilizan losas de metamaterial doble negativo o combinaciones de doble positivo (DPS) con losas DNG, o losas épsilon negativo (ENG) con losas mu-negativo (MNG) . Los subsistemas de antenas que se están investigando actualmente incluyen resonadores de cavidad , guías de ondas, dispersores y antenas (radiadores). Las antenas de metamateriales estaban disponibles comercialmente en 2009.

Historia

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

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 para zurdos que tenía valores negativos de ε, μ e índice de refracción para frecuencias en el rango de gigahercios o microondas .

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 2-D como medio anfitrión . Esta configuración utilizó material de índice positivo (DPS) con material de índice negativo (DNG). Empleó una lente pequeña, plana y refractiva negativa interconectada con una guía de ondas de placas paralelas de índice positivo. Esto se verificó experimentalmente poco después.

Aunque se identificaron algunas ineficiencias de SRR, se siguieron empleando a partir de 2009 para la investigación. Los SRR han participado en una amplia investigación de metamateriales, incluida la investigación sobre antenas de metamateriales.

Una visión más reciente es que al usar SRR como bloques de construcción, la respuesta electromagnética y la flexibilidad asociada es práctica y deseable.

Compensación de fase por refracción negativa

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 están adaptadas por impedancia 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 entrada y salida. 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.

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 de la viga) ocurriría en todo el sistema. Además, al cambiar el índice de cualquiera de los pares DPS-DNG, cambia la velocidad a la que el rayo entra por la cara frontal y sale por la cara trasera de todo el sistema de apilado. De esta manera, se podría realizar una línea de transmisión volumétrica, de baja pérdida y con retardo de tiempo para un sistema dado.

Además, esta compensación de fase puede conducir a un conjunto de aplicaciones, que son miniaturizados, sublongitud de onda , resonadores de cavidad y guías de onda con aplicaciones por debajo de los límites de difracción .

Compensación de la dispersión de la línea de transmisión

Debido a la naturaleza dispersiva de 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 la señal a lo largo de una línea de transmisión de microbanda . Al mismo tiempo, la dispersión conduce a la 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 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.

La estrategia consiste en 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 con compensación de 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 relativa y la permeabilidad de la línea de microcinta general. Se introduce para 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 geometría de la microcinta en sí; haciendo que el índice de refracción efectivo del par sea el del espacio libre.

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

Innovación

La combinación de segmentos para zurdos con una línea de transmisión convencional (para diestros) da como resultado 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 para diestros son un filtro de paso bajo con desfase. Esta configuración se designa como metamaterial compuesto para diestros / zurdos (CRLH).

La antena convencional de ondas con fugas ha tenido un éxito comercial limitado porque carece de una capacidad completa de escaneo de frecuencias de contrafuego a extremo. El CRLH permitió un escaneo completo de frecuencias de retroceso a extremo, incluido el costado.

Lente de microondas

La lente de metamaterial , que se encuentra en los sistemas de antenas de metamaterial, se utiliza como un acoplador eficiente a la radiación externa, enfocando la radiación a lo largo o desde una línea de transmisión de microbanda en los componentes de transmisión y recepción. Por tanto, se puede utilizar como dispositivo de entrada . Además, puede mejorar la amplitud de las ondas evanescentes , así como corregir la fase de propagación de las ondas.

Dirigir la radiación

En este caso, un SRR usa 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 de plasma puede ser positiva e inferior a 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 a las frecuencias deseadas. Esto ocurre porque la permitividad equivalente (efectiva) tiene un comportamiento gobernado por una frecuencia de plasma en el dominio de microondas. Este material de bajo índice óptico es un buen candidato para microlentes extremadamente convergentes . Métodos que se han desarrollado teóricamente utilizando cristales fotónicos dieléctricos aplicados en el dominio de microondas para realizar un emisor directivo utilizando rejillas metálicas.

En este caso, dispuestos alambres en un cúbico , red cristalina estructura puede ser analizada como una matriz de antenas ( antena de red ). Como estructura de celosía, tiene una constante de celosía . La constante de celosía o parámetro de celosía se refiere a la distancia constante entre celdas unitarias en una celosía cristalina.

El descubrimiento anterior de plasmones creó la opinión de que el metal a la frecuencia de plasmones f _p es un material compuesto. El efecto de los plasmones en cualquier muestra de metal es crear propiedades en el metal de modo que pueda comportarse como un dieléctrico , independientemente del vector de onda del campo de excitación EM (radiación). Además, una cantidad minúscula de energía de plasmón es absorbida por 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 mínimo de γ .

Estos hechos dan como resultado, en última instancia, que la estructura de alambre en matriz sea efectivamente un medio homogéneo.

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 . Al usar 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 lo tanto, la placa se comporta como un material homogéneo con una baja frecuencia de plasma .

Modelos de línea de transmisión

Líneas de transmisión convencionales

Variaciones del símbolo electrónico esquemático de una línea de transmisión.

Representación esquemática de los componentes elementales de una línea de transmisión.

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 , placas dieléctricas, líneas de bandas , fibras ópticas , líneas eléctricas y guías de ondas.

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 microbanda.

De los esquemas simplificados a la derecha se puede ver que la impedancia total, conductancia, reactancia (capacitancia e inductancia) y el medio de transmisión (línea de transmisión) se pueden representar por componentes individuales que dan el valor total.

Con medios de línea 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 potencia como sea posible.

{\ Displaystyle R}

es la resistencia por unidad de longitud,

{\ Displaystyle L}

es la inductancia por unidad de longitud,

{\ Displaystyle G}

es la conductancia del dieléctrico por unidad de longitud,

{\ Displaystyle C}

es la capacitancia por unidad de longitud,

{\ Displaystyle j}

es la unidad imaginaria , y

{\ Displaystyle \ omega}

es la frecuencia angular .

Elementos de circuito agrupados

A menudo, debido al objetivo que mueve las inclusiones (o células) de metamateriales físicos a tamaños más pequeños, a menudo se examinan 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 de manera efectiva a sus contrapartes 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 .

Configuraciones de línea de transmisión con carga de metamaterial

Algunas antenas de metamateriales conocidas 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 potencia novedosas y acopladores de alta directividad. La carga de una red plana de metamateriales de TL con condensadores en serie e inductores de derivación produce un mayor rendimiento. Esto da como resultado un gran ancho de banda operativo mientras que el índice de refracción es negativo.

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 formación de imágenes está limitada por el límite de difracción . Con superlentes, los detalles de las imágenes de campo cercano no se pierden. Las ondas evanescentes crecientes se apoyan en el metamaterial ( n <1), que restaura las ondas evanescentes en descomposición 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 .

Al combinar materiales para diestros (RHM) con materiales para zurdos (LHM) como 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 para la tecnología de antenas alrededor de 2005. Este tipo de antena utilizó la capacidad establecida de los SNG para acoplarse con radiación externa . El acoplamiento resonante permitió una longitud de onda mayor que la antena. A frecuencias de microondas, esto permitió una antena más pequeña.

Una línea de transmisión cargada con 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 trabajar en una frecuencia más baja debido a los condensadores distribuidos en serie alta y tiene dimensiones planas más pequeñas que su estructura coplanar equivalente.

Metamateriales de índice de refracción negativo que soportan ondas 2-D

En 2002, en lugar de utilizar la configuración de cable SRR u otros medios 3-D, los investigadores observaron configuraciones planas que admitían la propagación de ondas hacia atrás, demostrando así un índice de refracción negativo y un enfoque como consecuencia.

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 hacia atrás. Además, las líneas de transmisión planas son una combinación natural para la propagación de ondas 2-D. Con elementos de circuito agrupados, conservan una configuración compacta y aún pueden soportar 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 pueden diseñarse para soportar ondas hacia atrás, sin una estructura voluminosa de cables o SRR. Esta fue la primera propuesta de este tipo que se apartó de los medios a granel por un efecto refractivo negativo. Una propiedad notable de este tipo de red es que no se depende de la resonancia. En cambio, la capacidad de soportar ondas hacia atrás define la refracción negativa.

Los principios detrás del enfoque se derivan de Veselago y Pendry. La combinación de una losa DPS convencional, plana (plana), 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 al 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.

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 debe manifestarse como una distribución de voltaje "puntual" en una ubicación predecible en el LHM.

La refracción y el enfoque negativos 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 dispositivos y circuitos de microondas planos convencionales.

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 lograr 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.

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 condensadores en serie agrupados (C) e inductores en derivación (L). En esta estructura periódica, la carga es fuerte de modo que los elementos agrupados dominan las características de propagación.

Comportamiento para zurdos en líneas de transmisión cargadas con LC

El uso de SRR en frecuencias de RF , al igual que con los dispositivos inalámbricos, requiere que los resonadores se escalen a dimensiones más grandes. Esto funcionó en contra de hacer que los dispositivos fueran más compactos. Por el contrario, las configuraciones de la red LC se pueden escalar a frecuencias de microondas y RF.

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

Además, sus celdas unitarias están conectadas a través de una red de línea de transmisión y pueden estar equipadas con elementos de circuito agrupados , lo que les permite ser compactos en frecuencias donde un 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 las 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.

Ondas evanescentes crecientes en medios de línea de transmisión de índice de refracción negativo

Se demostró que la línea de transmisión ( TL ) cargada de LC 2-D periódica exhibe propiedades 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. Se han utilizado estructuras TL dobles para demostrar experimentalmente la radiación de ondas hacia atrás y el enfoque en frecuencias de microondas.

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 propagación de las ondas. Las ondas evanescentes realmente crecen dentro de la estructura TL dual.

Antena de onda inversa que utiliza una línea de transmisión cargada con NRI

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

NIM planos con líneas de transmisión cargadas periódicamente

Los medios planos se pueden implementar con un índice de refracción negativo efectivo. El concepto subyacente se basa en cargar adecuadamente una red impresa de líneas de transmisión periódicamente con inductores y condensadores. Esta técnica da como resultado parámetros de material de permitividad y permeabilidad efectivos que son tanto inherente como simultáneamente negativos, obviando la necesidad de emplear medios separados. Los medios propuestos poseen otras características deseables que incluyen un ancho de banda muy amplio sobre el cual el índice de refracción permanece negativo, la capacidad de guiar ondas 2-D TM, escalabilidad de RF a frecuencias de ondas milimétricas y bajas pérdidas de transmisión, así como el potencial de sintonización por insertar varactores y / o interruptores en la celda unitaria. El concepto se ha verificado con simulaciones de circuito 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 una octava y sobre un área eléctricamente corta; sugerente de enfoque de campo cercano.

Se pueden implementar dispositivos de RF / microondas basados en estos medios propuestos para aplicaciones en comunicaciones inalámbricas, vigilancia y radares.

Líneas de transmisión más grandes

Según algunos investigadores, los metamateriales configurados por cable / SRR son construcciones tridimensionales voluminosas que son difíciles de adaptar para aplicaciones de circuitos y dispositivos de RF / microondas. Estas estructuras pueden lograr un índice de refracción negativo solo dentro de un ancho de banda estrecho. Cuando se aplican a dispositivos inalámbricos a frecuencias de RF, los resonadores de anillo divididos deben escalarse a dimensiones más grandes, lo que, a su vez, obliga a un tamaño de dispositivo más grande.

Las estructuras propuestas van más allá de los compuestos de cable / SRR en el sentido de que no dependen de los SRR para sintetizar los parámetros del material, lo que conduce a un aumento drástico de los anchos de banda operativos. Además, sus celdas unitarias están conectadas a través de una red de línea de transmisión y, por lo tanto, pueden estar equipadas con elementos agrupados, lo que les permite 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 las 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 admiten la propagación de ondas bidimensionales (2-D). Por lo tanto, estos nuevos metamateriales son adecuados para aplicaciones de circuitos y dispositivos de RF / microondas.

En el régimen de longitud de onda larga, la permitividad y la permeabilidad de los materiales convencionales se pueden sintetizar artificialmente utilizando redes de LC periódicas dispuestas en una configuración de paso bajo. En la configuración dual (paso alto), estos parámetros de material equivalentes asumen simultáneamente valores negativos y, por lo tanto, pueden usarse para sintetizar un índice de refracción negativo.

Configuraciones

La teoría de la antena se basa en la teoría electromagnética clásica descrita por las ecuaciones de Maxwell . 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 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 de bocina) incorporan superficies reflectantes con forma para recoger las ondas electromagnéticas 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 imprimen 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.

La antena necesaria 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 de unos pocos metros a milímetros) se suelen emplear las siguientes antenas:

Antenas dipolo, antenas cortas, antenas parabólicas y otras antenas reflectoras, antenas de bocina, antenas de periscopio, antenas helicoidales, antenas espirales, antenas de ondas superficiales y de ondas con fugas. Las antenas de ondas con fugas incluyen antenas con carga dieléctrica y dieléctrica, y la variedad de antenas de microbanda.

Propiedades de la radiación con SRR

El SRR fue introducido por Pendry en 1999 y es uno de los elementos más comunes de los metamateriales . 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 ocurrir en longitudes de onda mucho mayores que su tamaño. Para una mayor optimización de la forma de los elementos, es conveniente utilizar algoritmos de optimización genéticos y de otro tipo. En diseños de multifrecuencia se pueden aplicar diseños fractales como los de Sierpensky, Koch u otros fractales en lugar de SRR.

Metamateriales dobles negativos

Mediante la aplicación de metamateriales dobles negativos (DNG), la potencia irradiada por antenas dipolo eléctricamente pequeñas puede incrementarse notablemente. Esto podría lograrse rodeando una antena con una carcasa de material de 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 de carcasa dipolo-DNG aumenta la potencia real radiada en más de un orden de magnitud sobre una antena de espacio libre. Una notable disminución de la reactancia de la antena dipolo corresponde al aumento de la potencia radiada.

La potencia reactiva indica que la carcasa 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.

Compuesto monopolo y SRR negativo simple

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. Las antenas eléctricamente pequeñas, alta directividad y frecuencia operativa sintonizable se producen con permeabilidad magnética negativa. Al combinar un material para diestros (RHM) con un material Veselago para zurdos (LHM) se obtienen otras propiedades novedosas. Un solo resonador de material negativo, obtenido con un SRR, puede producir una antena eléctricamente pequeña cuando funciona a frecuencias de microondas, de la siguiente manera:

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. Ryr 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 mediante el uso de una antena monopolo . La antena monopolo estaba compuesta por un cable coaxial , 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 de SRR. Se colocó un cable de 8,32 mm de longitud por encima del plano de tierra, conectado a la antena, que era un cuarto de la longitud de onda de funcionamiento. 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 monopolo.

La antena monopolar-SRR funcionó de manera eficiente a (λ / 10) utilizando la configuración de cable SRR. Demostró una buena eficacia de acoplamiento y suficiente eficacia de radiación. Su funcionamiento era comparable al de una antena convencional a λ / 2, que es un tamaño de antena convencional para un acoplamiento y una radiación eficientes. Por lo tanto, la antena SRR monopolo se convierte en una antena eléctricamente pequeña aceptable en la frecuencia de resonancia del SRR.

Cuando el SRR forma parte de esta configuración, las 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 uno al lado del otro cambia ligeramente los patrones de radiación.

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 fue citado en 2007 por un diseño eficiente de antenas de parche directivas en comunicaciones móviles utilizando metamateriales. Este diseño se basó en el modelo de línea de transmisión de material para zurdos (LHM), con los elementos de circuito L y C del modelo de circuito equivalente de 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.

Antena de cuerno de lente plana

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. Estas investigaciones han proporcionado capacidades para la miniaturización de dispositivos, circuitos, antenas fuente y no fuente de microondas y la mejora del rendimiento electromagnético.

Tecnología de antena de superficie de metamateriales

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 en un satélite, ya sea que la plataforma esté en movimiento o estacionaria. Los cardanes y motores se reemplazan por matrices de metamateriales en una configuración plana. Además, con esta nueva tecnología no se requieren desplazadores de fase como con los equipos de arreglo 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.

Investigación y aplicaciones de antenas basadas en metamateriales. También se investigan componentes relacionados.

Cavidades de sublongitud de onda y guías de onda

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 ordinarios (positivos) o extraordinarios (negativos), pueden ocurrir comportamientos anómalos notables. El par sería un metamaterial DNG (capa), emparejado con una capa DPS, ENG o MNG. El comportamiento y las propiedades de propagación de ondas pueden ocurrir que de otra manera no ocurrirían si solo se emparejan las capas DNG.

En la interfaz entre dos medios, se puede aplicar el concepto de continuidad de los componentes del campo magnético y eléctrico tangencial. Si la permeabilidad o la permitividad de dos medios tiene signos opuestos, entonces los componentes normales del campo tangencial, en ambos lados de la interfaz, serán discontinuos 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 grosor total de las capas emparejadas, porque se produce a lo largo de la discontinuidad entre dos de tales materiales conjugados.

Estructuras de guía de ondas de placas paralelas

La geometría consta de dos placas paralelas como conductores perfectos (PEC), una estructura idealizada, rellena por dos losas planas apiladas de materiales homogéneos e isótropos 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 emparejar materiales DPS y DNG o ENG y MNG. Como se mencionó anteriormente, este es un par de parámetros constitutivos con signo opuesto, combinados.

Resonadores de cavidad de sublongitud de onda delgados

Compensación de fase

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 son valores reales. Este concepto se puede utilizar para mapear la compensación de fase cuando un material sin pérdidas convencional, DPS, se combina con un NIM sin pérdidas (DNG).

En la compensación de fase, el DPS de espesor d ₁ tiene ε> 0 y µ> 0. A la inversa, el NIM de espesor d ₂ tiene ε <0 y µ <0. Suponga 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 DPS está desfasada con la onda plana al comienzo del material.

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 exterior y, por lo tanto, tampoco tiene pérdidas. La dirección del flujo de potencia (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 entra en 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 abandona 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 atravesando la segunda losa. 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. Esto demuestra cómo la placa NIM en las frecuencias elegidas actúa como un compensador de fase. Es importante tener en cuenta que este proceso de compensación de fase está solo 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 ser cualquier valor, siempre que esta relación satisfaga la condición anterior. Finalmente, aunque esta estructura de dos capas está presente, la onda que atraviesa esta estructura no experimentaría la diferencia de fase.

Después de esto, el siguiente paso es el resonador de cavidad de sublongitud de onda.

Resonadores compactos de cavidad 1-D de sublongitud de onda que utilizan metamateriales

El compensador de fase descrito anteriormente se puede utilizar para conceptualizar la posibilidad de diseñar un resonador de cavidad 1-D compacto. La estructura de dos capas anterior se aplica como dos reflectores perfectos, es decir, 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 de sublongitud de onda delgada para una frecuencia dada, 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.

La cavidad puede ser conceptualmente delgada mientras aún resonante, siempre que se satisfaga la relación de espesores. Esto puede, en principio, proporcionar la posibilidad de resonadores de cavidad compacta, delgados y de sublongitud de onda.

Resonador de cavidad en miniatura que utiliza FSS

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, reduce la frecuencia de corte y la transición suave de una onda rápida a una onda lenta en una configuración de guía de ondas.

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.

Plano de tierra del metamaterial

Propagación en modo de fuga con plano de tierra de metamaterial

Se colocó un dipolo magnético en el plano de tierra del metamaterial (losa). Los metamateriales tienen parámetros constituyentes que son tanto negativos como permitividad negativa o permeabilidad negativa. Se investigaron las propiedades de dispersión y radiación de las ondas con fugas soportadas por estas losas de metamaterial, respectivamente.

Sistemas patentados

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

Varios sistemas tienen patentes .

Los sistemas de red en fase y las antenas para su uso en tales sistemas son bien conocidos en áreas tales como telecomunicaciones y aplicaciones de radar . En general, los sistemas de arreglos en fase funcionan reensamblando de manera coherente señales en todo el arreglo utilizando elementos de circuito para compensar las diferencias de fase relativas y los retrasos de tiempo.

Antena de matriz en fase

Patentado en 2004, un sistema de antenas de arreglo en fase es útil en aplicaciones de radar de automóviles. Al usar NIM como una lente bicóncava para enfocar microondas, los lóbulos laterales de la antena se reducen de tamaño. Esto equivale a una reducción en la pérdida de energía radiada y un ancho de banda útil relativamente más amplio. El sistema es un sistema de radar de matriz en fase de rango dinámico y eficiente .

Además, amplitud de la señal se incrementa a través de las microcinta líneas de transmisión mediante la suspensión de ellos por encima del 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, reduciendo la atenuación de la señal.

Este sistema fue diseñado para potenciar el rendimiento del circuito integrado de microondas monolítico (MMIC), entre otros beneficios. Se crea una línea de transmisión con fotolitografía. Una lente de metamaterial, que consiste en una matriz de alambre delgado, enfoca las señales transmitidas o recibidas entre la línea y los elementos emisor / receptor.

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 varias 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 .

El metamaterial incorpora un elemento de transmisión conductor, un sustrato que comprende al menos un primer plano de tierra para poner 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 que el elemento de transmisión esté ubicado a una segunda distancia predeterminada del plano de tierra.

Guías de ondas ENG y MNG y dispositivos de dispersión

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.

Reducir la interferencia

Un llavero con sistema de entrada sin llave

Los metamateriales pueden reducir la interferencia en múltiples dispositivos con un blindaje más pequeño y simple. Mientras que los absorbentes convencionales pueden tener un grosor de tres pulgadas, los metamateriales pueden tener un grosor milimétrico: 2 mm (0,078 pulgadas).

Ver también

Referencias generales

Ziolkowski, RW; Lin, Chia-Ching; Nielsen, Jean A .; Tanielian, Minas H .; Holloway, Christopher L. (agosto-septiembre de 2009). "Diseño y Verificación Experimental de". Antenas IEEE y letras de propagación inalámbrica . 8 : 989–993. Código bibliográfico : 2009IAWPL ... 8..989Z . CiteSeerX 10.1.1.205.4814 . doi : 10.1109 / LAWP.2009.2029708 . S2CID 7804333 .

Referencias

enlaces externos

Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de EE. UU. La tecnología de metamateriales demostrada transforma el patrón de radiación de la antena
La electrodinámica de sustancias con valores simultáneamente negativos de ε y μ Victor G. Veselago.
Redes de líneas de transmisión de microondas para medios de onda inversa y reducción de la dispersión.
Irradiando poder a través del aire
Manual de normas y procedimientos de la NTIA para la gestión federal de radiofrecuencias. 2011.

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