Análisis, diseño y prototipado de una lente plana basada en estructuras metamateriales para antenas

Abstract

Las antenas de array de ranuras sobre guía de placas paralelas son ampliamente utilizadas y proporcionan una alta ganancia y eficiencia. Además, su fabricación es sencilla y altamente repetible. La propia guía de placas paralelas distribuye el campo en amplitud y en fase excitando las ranuras.

Para excitar una onda plana en una guía de placas paralelas existen varios métodos: usando una bocina o un reflector parabólico convencional, cuya fabricación es complicada; mediante una guía rectangular a la que se aplican una serie de ranuras o con una red de alimentación construida con tecnología microstrip, que no generan un modo TEM del todo uniforme.

Se ha propuesto recientemente una nueva forma de excitación para guías de placas paralelas basada en una lente construida con metamateriales. En particular los metamateriales zurdos presentan simultáneamente una permitividad y una permeabilidad negativas, que derivan en un índice de refracción negativo. Los medios zurdos presentan propiedades opuestas a las de un medio convencional como, a parte de un índice de refracción negativo, la inversión del desplazamiento Doppler, cambios en las ecuaciones de Fresnel o en el principio de Fermat.

En este proyecto se propone una lente plana construida con metamateriales zurdos como una nueva forma de alimentación para antenas planas de ranuras. La lente zurda interseca con un medio convencional a través de una interfaz parabólica, lo que permite excitar una onda cilíndrica en el foco de la lente que se transforma en una onda plana por efecto de la refracción negativa en la interfaz entre el medio zurdo y el convencional. Ambos medios deben cumplir la condición de tener densidades electromagnéticas equivalentes. Para la construcción de la lente plana con un medio zurdo se ha utilizado la conocida estructura en forma de seta. Las principales ventajas de la estructura en forma de seta son su bajo coste y la facilidad de fabricación mediante tecnología planar. El diagrama de dispersión de la estructura en forma de seta muestra las bandas de frecuencias y los modos que se propagan por la estructura.

De modo que se ha diseñado una lente zurda, conformada por la estructura en forma de seta, utilizando la información contenida en los diagramas de dispersión de la celda unidad, que puede fabricarse con la tecnología habitual de circuitos impresos y que funciona como un medio zurdo a una frecuencia de 12 GHz. Sin embargo, como se comprobará, construir dicha lente con la tecnología de fabricación de que se dispone es muy complicado. De forma que paralelamente se ha diseñado otra lente zurda que se comporta como un medio zurdo a 7.5 GHz, que sí puede fabricarse. Así, se va ha construir la citada lente y ha medir el campo eléctrico en el interior de una guía de placas paralelas. Si añadimos a estas medidas la correspondiente en cámara anecoica del diagrama de radiación de la antena de array de ranuras alimentada por la lente zurda, es posible demostrar que se puede excitar una antena de ranuras con una distribución de campo mucho más uniforme en el interior de una guía de placas paralelas, mejorando la apertura de iluminación de las ranuras y aumentando la eficiencia de este tipo de antenas. Por cuestiones de tiempo no se han incluido en este proyecto ninguna de las medidas ni de la guía ni de la antena alimentadas por la lente zurda, aunque la intención es la de realizarlas a posteriori.

Este proyecto se ha realizado en colaboración con el Grupo de Radiación (GR), que pertenece al departamento de Señales, Sistemas y Radiocomunicaciones (SSR), que posee una amplia experiencia en el diseño y medida de antenas, de circuitos de alta frecuencia y, en concreto, en el desarrollo de antenas en guía radial.