17 de mayo de 2010
Resumen:
Los sistemas de comunicaciones inalámbricos han experimentado un enorme crecimiento en los últimos años. Prueba de ello es que varios de estos sistemas han logrado una gran popularidad. Podemos mencionar los ejemplos de la telefonía móvil (GSM, DCS, UMTS), las redes de área personal (Bluetooth), las redes locales inalámbricas (WiFi), los servicios de radionavegación (GPS), etc. La tendencia actual consiste en emplear un único terminal de usuario para diferentes normas (por ejemplo los terminales que funcionan en GSM y UMTS simultáneamente) y para varios servicios distintos (como los terminales que proporcionan los servicios de telefonía móvil, radionavegación y redes personales). Además, es importante tener en cuenta que los terminales cada vez son más compactos. Por estas razones, sería deseable emplear una única antena para todos las normas y/o servicios en los que funcione el terminal. Sin embargo, hay que tener en cuenta que cada norma o servicio requiere unas características diferentes de la antena tanto desde el punto de vista de la frecuencia de funcionamiento como de las características de radiación (diagrama de radiación, polarización, etc.) De este modo, las antenas compactas con propiedades de multifrecuencia (funcionamiento simultáneo en dos o más bandas de frecuencia) y multifunción (diversidad de diagramas de radiación, recon_gurabilidad en frecuencia, etc.) resultarían una buena solución como elementos radiantes de los terminales de usuario. Además, se pueden considerar argumentos similares para justi_car la enorme demanda de antenas multifrecuencia y multifución para los elementos de red como estaciones base, hot-spots y otros puntos de acceso a redes inalámbricas. No podemos obviar tampoco que las nuevas propuestas como los sistemas de radio cognitiva (Cognitive Radio) y otras aplicaciones inalámbricas emergentes como la identificación por radiofrecuencia (RFID) suponen una serie de retos desde el punto de vista de la ingeniería de antenas. Debemos tener en cuenta que es muy difícil diseñar antenas con todas las características mencionadas anteriormente mediante el empleo de las técnicas convencionales. Por esta razón, se están proponiendo nuevas técnicas para el desarrollo de elementos radiantes con las características óptimas deseadas. Una de estas técnicas novedosas está basada en el empleo de las denominadas estructuras metamateriales. Los metamateriales se pueden definir de manera amplia como estructuras electromagnéticas diseñadas para obtener propiedades exóticas o no comunes. Estas características se han empleado en el ámbito de la ingeniería de microondas para el desarrollo de dispositivos con características extraordinarias como son la miniaturización o multifrecuencia. En cambio, en el ámbito de la ingeniería de antenas se han utilizado para el diseño de antenas de onda viajera (por ejemplo leaky-wave) y como sustratos o superestratos de antenas. Más recientemente, se ha realizado un gran esfuerzo para obtener antenas miniaturizadas basadas en los conceptos de estructuras metamateriales. Sin embargo, desde el punto de vista del autor, la posibilidad de obtener antenas multifrecuencia y/o multifunción basadas en estructuras metamateriales no ha sido totalmente explotada. El principal objetivo de esta tesis doctoral es el desarrollo de una novedosa técnica de diseño de antenas consistente en cargar una antena impresa convencional con partículas metamateriales. Por este motivo denominamos este conjunto antenas impresas cargadas con partículas metamateriales. Mediante el empleo de esta técnica se mantienen los beneficios de las antenas impresas (bajo coste, antenas compactas y de bajo perfil, bajo peso, simplicidad para integrarlas con circuitería y como elementos en agrupaciones de antenas). Además, se consiguen una serie de características deseadas como multifrecuencia y multifuncionalidad gracias al empleo de las partículas materiales que se emplean para cargar la antena. En concreto, se proponen dos clases de antenas impresas cargadas con partículas metamateriales con el objetivo de cubrir el amplio espectro de aplicaciones que requieren antenas con dichas características. Las dos clases de antenas propuestas son las antenas de hilo impresas cargadas con partículas metamateriales y las antenas de parche parcialmente rellenas de estructuras metamateriales. La metodología que se sigue durante el desarrollo de esta tesis doctoral es la siguiente: en primer lugar se proponen modelos aproximados de bajo coste computacional basados en la teoría de líneas de transmisión y equivalentes circuitales para el análisis y diseño de las antenas propuestas. A continuación, se realizan simulaciones de onda completa empleando simuladores comerciales y una solución propia del método de los momentos. Finalmente, las antenas diseñadas se fabrican y se miden para comprobar sus prestaciones. Se proponen dos tipos de antenas de hilo impresas: dipolos cargados con partículas metamateriales y antenas de hilo impresas sobre plano de masa cargadas con líneas metamateriales zurdas (conocidas como Left-Handed o LH en la bibliografía técnica). En lo que respecta a los dipolos cargados con partículas metamateriales, se obtiene la característica de multifrecuencia debido a que estas antenas presentan bandas de funcionamiento adicionales próximas a las frecuencias de resonancia de las partículas metamateriales que se emplean para cargarlas. Además, es posible obtener la característica de miniaturización ya que los modos adicionales pueden resonar por debajo de la frecuencia fundamental del dipolo convencional sin cargar. En cambio, el empleo de estructuras LH en las antenas sobre plano de masa (como son el monopolo y el semilazo sobre plano de masa) proporcionan características adicionales y miniaturización respecto a las antenas convencionales sin cargar. La segunda clase de antenas propuestas son los parches parcialmente rellenos de estructuras metamateriales. El empleo de esta técnica permite el diseño de antenas de parche con las propiedades de multifrecuencia y multifunción. Además, esta técnica se puede emplear también para obtener antenas multifrecuencia con diversidad de polarización. En concreto, se proponen dos aplicaciones distintas: parches de cuádruple frecuencia con diversidad de polarización y parches de doble frecuencia con polarización circular. Finalmente, se propone el empleo de las antenas impresas cargadas con partículas metamateriales no como elementos radiantes aislados, sino integradas en sistemas y agrupaciones de antenas. Por ejemplo, los dipolos impresos multifrecuencia se utilizan para mejorar las características de las agrupaciones log-periódicas. Además, se demuestra que las antenas propuestas son unas buenas candidatas para satisfacer los requisitos de los sistemas de comunicaciones futuros (como Cognitive Radio) y las aplicaciones emergentes como RFID.
Descriptores: Antenas
Cita:
F.J. Herraiz-Martínez (2010), Metamaterial-loaded printed antennas: design and applications. Madrid (España).
