Diseño de antenas de microcinta con empleo de estructuras metamateriales resonantes

Resumen
En este artículo se propone un estudio sobre los metamateriales resonantes del tipo OSRR, los cuales conveniente¬mente distribuidos sobre las líneas de alimentación resuelven el limitado ancho de banda que presentan las antenas de microcinta. Con los modelos que se proponen se logra alcanzar incrementos del ancho de banda que oscilan entre 6.42% y 6.72%, y se resuelven las inconveniencias ocasionadas a las características de radiación (directividad y ganan¬cia) de las antenas, provocadas por la inclusión de metamateriales.
Abstract
This paper proposes a study on the OSRR resonant metamaterials that,conveniently distributed over the power
lines, solve the limited bandwidth of the microstrip antennas. With the proposed models it is possible to achieve bandwidth increments ranging between 6.42% and 6.72%, and the inconveniences caused to the radiation characteristics
(directivity and gain) of the antennas by the inclusion of metamaterials, are solved.

 

Introducción

El actual progreso de las tecnologías en la época moder­na, dirigido a las distintas esferas de la ciencia, muestra un número considerable de soluciones en la búsqueda de la miniaturización de los dispositivos y el logro de altas prestaciones. Una herramienta considerable ha sido la inclusión de estructuras con características distintas a las propias del modelo, tal se ha comprobado con la inclusión de metamateriales en antenas de microcinta. [1]

Una definición estricta sobre los metamateriales no ha sido elaborada aún, pero se pueden definir a los metama­teriales como estructuras periódicas o cuasi-periódicas que son artificialmente creadas para exhibir propiedades electromagnéticas controlables [2,3].

Por otra parte, las antenas de microcinta presentan carac­terísticas bien conocidas que las hacen más ventajosas que otro tipo de estructuras, pero su limitado ancho de banda y baja eficiencia limita su uso para algunas aplicaciones. El objetivo de esta investigación es proveer nuevas herra­mientas que resuelvan parámetros críticos en el diseño de este tipo de antenas, como son su limitado ancho de banda y mejora de los parámetros de radiación que se debilitan al insertar otras estructuras, ubicándolas en un punto de preferencia para algunas aplicaciones inalámbricas.

Metamateriales resonantes

Los primeros intentos para lograr el comportamiento negativo de los parámetros eléctricos que describen un metamaterial trajeron consigo la introducción de nuevos diseños, basados en la implementación de estructuras zur­das mediante el empleo de resonadores de anillos.

Resonador de anillos cortados (SRR)

El resonador de anillos abiertos —Split Ring Resonators, (SRR) — resultó ser la primera estructura resonante no magnética capaz de dar lugar a valores negativos de per­meabilidad magnética efectiva [5].

Como se muestra en la figura 1, la estructura está formada por un par de anillos metálicos concéntricos en los cua­les se han realizado unas aberturas en posiciones opuestas una respecto a la otra.

Figura 1. Esquema de las dimensiones más relevantes del SRR (a), modelo eléctrico (b). Fuente: [5]

Resonador de anillos divididos abiertos (OSRR)

El OSRR —Open Split Ring Resonator— o resonador abierto de anillos partidos es una evolución de las estruc­turas SRR y ORR [6]. Su topología se puede describir como dos ganchos concéntricos situados uno en el interior del otro. La estructura consiste en la inserción dentro de la microtira de los propios anillos resonantes, lo que es equi­valente a decir, que se obtienen truncando los anillos que forman el resonador y alargando sus salidas de alimenta­ción, hasta ser interceptados con la línea, como se muestra en la figura 2 junto al modelo de su circuito equivalente.

 

Figura 2. Estructura de microcinta cargada con resonadores abiertos. (a) resonador abierto de anillos cortados (OSRR), (b) modelo de circuito equivalente. Fuente: [8]

En el modelo de circuito equivalente la capacidad está dis­tribuida entre los dos anillos concéntricos. Por tanto, se puede decir que la frecuencia de resonancia de un OSRR será la mitad que en un SRR de iguales dimensiones.

Líneas de transmisión basadas en resonadores OSRR

Sin ranuras capacitivas

El primer diseño propuesto es el de una línea de micro­cinta convencional cargada con tres pares de partículas OSRR a cada lado de la línea con una simetría impar.

Para esta estructura se realizó el análisis de las pérdidas de retorno (Figura 3) y del campo eléctrico (Figura 4) y para comprobar la existencia de las bandas de transmisión y de rechazo, características de las líneas de transmisión meta­materiales. Con esta configuración se obtiene una banda de transmisión a la frecuencia de 2.35 GHz seguida de una banda de rechazo a la frecuencia de resonancia de los anillos donde se inhibe la propagación de la señal como se puede apreciar en el gráfico de la figura 5, seguida de una banda de transmisión a la frecuencia de 3.75 GHz.

Figura 3. Pérdidas de retorno para la línea cargada con 3 pares de OSRR sin ranuras. Fuente: Ansoft HFSS.

Figura 4. Campo eléctrico de la línea cargada con 3 pares de OSRR sin ranuras. Fuente: Ansoft

En estas figuras se aprecia cómo los anillos están com­pletamente desarrollados y la onda sufre una atenuación considerable al pasar por los mismos o lo que es equiva­lente a decir que encuentra una barrera al paso. Este es un resultado consecuente con la banda de rechazo que se observa en la figura 3.

Por último y para validar el comportamiento metamaterial de estas estructuras se simularon la permitividad dieléctri­ca efectiva y la permeabilidad magnética efectiva siguien­do la metodología propuesta en [2] y se obtuvo como resultado la gráfica de la figura 5 que demuestra como existe una banda de transmisión derecha y zurda conse­cuente con un signo positivo y negativo simultáneo de los parámetros eléctricos, seguido de una banda de rechazo resultado de un comportamiento opaco con μ>0 y ε<0.

Figura 5. Permitividad eléctrica efectiva (azul) y permeabilidad magnética efectiva (rojo) de la línea cargada con 3 pares de OSRR sin ranuras. Fuente: Ansoft HFSS.

Para conseguir una configuración zurda, se requieren otros elementos que sean capaces de proveer otros efectos metamateriales, los cuales deben introducirse en la estruc­tura. Este efecto puede lograrse grabando ranuras capaci­tivas en la línea huésped.

El análisis de las pérdidas de retorno muestra que aparece una banda de rechazo a la frecuencia central de 2.28 GHz y en la vecindad cercana de manera abrupta aparece una banda de transmisión a la frecuencia de 2.41 GHz, que es la frecuencia objeto de estudio. Como un dato interesante se puede observar que a la frecuencia de 3.56 GHz apa­rece una banda considerablemente amplia que podría ser atractiva para el diseño de filtros. (Figura 6).

En la conducta del campo eléctrico para este segundo di­seño a la frecuencia de resonancia de los anillos 2.41GHz se puede observar cómo estos permiten el paso de la onda a lo largo de línea. (Figura 7)

Figura 6. Pérdidas de retorno para la línea cargada con tres pares de OSRRs con ranuras. Fuente: Ansoft HFSS.

 

Figura 7. Campo eléctrico de la línea cargada con 3 pares de OSRR con ranuras. Fuente: Ansoft HFSS.

En el análisis de los parámetros eléctricos de esta estructura es importante destacar el comportamiento completamente zurdo con μ<0 y ε<0 dentro de la banda de transmisión. (Figura 8)

Figura 8. Permitividad eléctrica efectiva (azul) y permeabilidad magnética efectiva (rojo) de la línea cargada con 3 pares de OSRR con ranuras. Fuente: Ansoft HFSS.

 

Antenas de microcintas basadas en OSRR

Siguiendo la metodología propuesta en [7] se presentan dos nuevos diseños de antenas de microcinta cargadas con OSRR en su línea de alimentación con el objetivo de conseguir ampliar el ancho de banda de impedancia sin disminuir las características de radiación.

Figura 9. Modelo del parche rectangular con línea cargada con OSRR y gaps. Fuente: Ansoft HFSS.

 

En la figura 10 se observan las pérdidas de retorno de la antena convencional (azul) y de la antena cargada con OSRR y gaps (rojo). Para la antena convencional se obtu­vo un ancho de banda de 70 MHz y para el modelo carga­do con OSRR y ranuras se amplió la banda de trasmisión a hasta 167 MHz aunque con una pérdida de acoplamiento.

Figura 10. Pérdidas de retorno de la antena con anillos y aberturas. Fuente: Ansoft HFSS.

      

Figura 11. Patrón de radiación (a) Directividad (b) Ganancia. Fuente: Ansoft HFSS

Los patrones de directividad y ganancia correspondientes a ambos modelos son mostrados en la figura 11.

Existe una disminución de la ganancia y un aumento de la directividad de la antena con metamateriales respecto al parche convencional. La ganancia de este parche es de solo 1.33 dB debido a la alta tangente de pérdidas del substrato utilizado, y al añadir los CSRRs y gaps se intro­ducen pérdidas del orden de los 1.2 dB que a pesar de ser considerables son menores que las reportadas en investi­gaciones anteriores [7].

Para el segundo diseño se insertarán estructuras OSRR en la línea de alimentación y se eliminarán las ranuras ca­pacitivas para resonar a la misma frecuencia del parche rectangular convencional. El modelo descrito se muestra en la Figura 12.

Figura 12. Modelo del parche rectangular con línea cargada con OSRR sin gaps. Fuente:

En la figura 13 se puede verificar que se aumenta el ancho de banda a 159 MHz y además mejora el acoplamiento de la antena.

Figura 13. Pérdidas de retorno de la antena con anillos sin aberturas. Fuente: Ansoft HFSS.

 

Figura14. Patrón de radiación a) Directividad (b) Ganancia. Fuente: Ansoft HFSS.

En la figura 14 se ofrecen los patrones de directividad y ganancia y sus gráficos son analizados en la frecuencia co­rrespondiente a la banda de trabajos mostrada en la figura 13. Para este caso se observa una ligera disminución de la ganancia y un aumento de la directividad.

Comparación entre modelos basados en diferentes resonadores

La figura 15 muestra el gráfico del ancho de banda corres­pondiente a las antenas presentadas en las secciones ante­riores y el modelo de antena cargada con CSRR en el plano tierra y gaps en la línea de alimentación reportado en [7].

Figura 15. Pérdidas de retorno para las antenas construidas sobre la base de metamateriales. Fuente: Ansoft HFSS.

Hasta el momento los mejores resultados alcanzados en cuanto al aumento de ancho de banda se corresponden con el modelo de la antena para la línea cargada con CSRR y ranuras capacitivas en la alimentación. Dicho modelo en la frecuencia de resonancia de la antena presenta un ancho de banda de 237 MHz, lo que supera en 70MHz a la an­tena basada en OSRR con ranuras que presenta un ancho de banda de 167 MHz y en 78 MHz a la antena basada en OSRR sin ranuras, la cual tiene un ancho de banda de 159 MHz. Hay que tener en cuenta que independientemente de la superioridad del diseño de mayor ancho de banda sobre los otros modelos, existen aplicaciones en las que se necesita aumentar este parámetro hasta cierto rango, pues un exceso puede provocar la introducción de señales no deseadas en la banda de frecuencias de trabajo.

Realizando una inspección se detecta que el modelo que presenta mayor directividad corresponde al de la antena con estructuras OSRRs y gaps en la línea, para un valor de 6.025 dB. Los otros modelos también presentan una direc­tividad mayor que la unidad, para un valor de 4.1576 dB y 3.2836 dB para las antenas con OSRR sin gaps y CSRR con gaps respectivamente.

Finalmente se muestra en la figura 16, a modo de com­paración, el comportamiento de la ganancia para las tres antenas. Nótese que en este caso la antena con OSRR sin gaps presenta una mayor ganancia (1.0961 dB), siendo esta mayor que la unidad en todo el intervalo de frecuen­cias correspondiente a la banda de diseño. Seguidamente, para la antena con los mismos resonadores en presencia de gaps se obtiene el segundo mejor valor de ganancia máxi­ma, correspondiente a 0.0177 dB, aunque es importante señalar que hasta la mitad de la banda esta presenta un comportamiento negativo. Finalmente, cuando se está en presencia de CSRR y ranuras capacitivas se obtienen va­lores negativos de ganancia para toda la banda de trabajo, lo que representa grandes pérdidas. En consecuencia con estas magnitudes se ofrecen los valores de eficiencia de radiación siendo estos de 49.41%, 26.83% y 46.87% para el orden en que han sido mostrados los valores de ganan­cia de las antenas.