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I EN 28, NÚMERO 2 - 2014 / 61
AA A AA AA A METAMATERIALES
BANDWIDTH ENHANCEMENT OF MICROSTRIP ANTENNAS WITH METAMATERIALS
Alicia E. Torres García, Francisco Marante Rizo, Alejandro González García
Departamento de Telecomunicaciones y telemática, Instituto Superior Politécnico José A. Echeverría.
Avda. 114 N°11901, Cod.Post.: 19390, La Habana, Cuba.
[email protected]; [email protected]
RESUMEN. En este artículo se presenta cómo las líneas de
transmisión metamateriales (MTM-TL) basadas en anillos resonadores complementarios (CSRRs) pueden utilizarse para
ampliar el ancho de banda de antenas de microcinta. Para ello,
se analiza una célula metamaterial ampliamente estudiada junto
a sus parámetros de diseño. El mayor aporte de esta investigación es el diseño de una antena basada en estructuras simples,
de bajo perfil y bajo costo que resuelven la principal limitación
de las antenas de microcinta, que es precisamente su angosto
ancho de banda.
Palabras clave. Ampliación del ancho de banda, antena de
microcinta, metamateriales, resonadores planares.
ABSTRACT. This paper presents how a MTM-TL (Metamaterial Transmition Line) based on CSRRs (Complementary Split
Ring Resonator) can be used to enhance Antenna Bandwidth.
To this purpose, a metamaterial cell widely studied is analyzed
for which its design parameters are detailed. It is of particular
interest to design an antenna with simple structure, low profile,
easy manufacturing, and low cost.
Key words. Broadband, microstrip antennas, metamaterials,
planar resonators.
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Los recientes avances de la ciencia y la técnica han hecho
posible el desarrollo de un nuevo tipo de material: los metamateriales. Su concepto no está completamente establecido
y está sujeto a diferentes aspectos y consideraciones, pero se
pueden definir a los metamateriales como estructuras periódicas
o cuasi-periódicas que son artificialmente creadas para exhibir
propiedades electromagnéticas controlables. Estos pueden
clasificarse atendiendo al signo de la permitividad dieléctrica
y la permitividad magnética y un caso particular es el de los
medios DNG (Double Negative) donde ambos parámetros son
simultáneamente negativos [1]. Este tipo de estructuras no está
presente en la naturaleza y ha sido la base de los múltiples
progresos tecnológicos alcanzados utilizando estos medios
artificiales [2].
La aplicación de metamateriales en las antenas de microcinta
es un campo que ha suscitado gran interés por las significativas
mejoras obtenidas en sus características de radiación [3-8]. El
objetivo de esta investigación es encontrar nuevas aplicaciones
en esta área que resuelvan parámetros críticos en el diseño
de este tipo de antenas, como es la ampliación del ancho de
banda.
Los resonadores de anillos planares son de las estructuras
metamateriales más conocidas. En la literatura consultada se
comprobó la existencia de gran variedad de los mismos [9-111],
pero el SRR (Split Ring Resonator) y su complementario CSRR,
son los metamateriales resonantes más utilizados y fueron la
base para el diseño de la mayoría de las nuevas estructuras.
Estos han sido muy estudiados y se ha descrito de manera
detallada su comportamiento electromagnético, y sus efectos
en la integración a las líneas de transmisión y a los filtros planares [12,13].
Figura 1. Esquema de las dimensiones más relevantes del
CSRR; c ancho de las tiras no metálicas, d separación entre tiras,
r0 radio medio de ambas tiras metálicas.
Al ser excitado por un campo eléctrico axial (en el eje “z”) o por
un campo-magnético externo aplicado a lo largo del eje “y” se
logra la existencia de una permitividad efectiva negativa. La
línea de transmisión huésped natural para la implementación de
metamateriales en una sola dimensión utilizando CSRRs es la
configuración de microcinta ya que, si se coloca el CSRR en el
plano de masa bajo la tira conductora de una línea microcinta,
donde la dirección del campo eléctrico es perpendicular a dicho
plano de masa, el CSRR será excitado de la forma adecuada.
Para lograr un material zurdo (Ɛ< 0 y µ < 0) basado en CSRRs
es necesario adicionar un elemento que aporte la permeabilidad
negativa. Fue demostrado que gaps capacitivos en la línea de
microstrip en posiciones periódicas son apropiados para este
propósito [15].
La célula básica de esta estructura y modelo circuital equivalente
se muestra en la Figura 2
MTM-TL BASADAS EN CSRRs
La introducción del SRR (Split Ring Resonator) a finales de los
90 por Pendry [14] tuvo una vital importancia, al ser la primera
partícula capaz de brindar permeabilidad magnética negativa. El
complementario electromagnético de esta partícula fue descrito
por primera vez en 2004 [15] y se denominó CSRR (Complementary Split Ring Resonator).
Como se puede observar en la Figura 1, el CSRR consiste en
dos anillos concéntricos con aberturas en posiciones opuestas
una respecto de la otra, sustraídos a una placa de metal en un
circuito dieléctrico de microondas [15].
Figura 2. Topología de la célula básica descrita (a) y sus modelos
de circuitos equivalentes (b). (Las zonas naranja representan la
metalización) [16].
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T$%&$%'( $% )*$%+, -(. $.+*'&(. /$,-&0,'(. .(1/$ -,. $.+/*)+*ras descritas, se decidió que los futuros diseños de antenas de
microcinta estuviesen basados en combinaciones de parches
rectangulares y anillos resonadores (CSRR), convenientemente
ubicados.
La distribución del campo electromagnético en un parche rectangular alimentado por línea de microcinta presenta las líneas
de campo eléctrico perpendiculares debajo del parche y de la
línea de alimentación, por lo que en estas áreas los CSRR serían
correctamente excitados.
ANTENA DE MICROCINTA CON MTM-TL BASADA EN
CSRRS
El diseño propuesto es el de un parche rectangular de microcinta
alimentado con una línea de transmisión metamaterial basada
en CSRRs y ranuras, como se muestra en la Figura 3
simulación avanzada como el Ansoft HFSS o el CST Microwave
Studio.
Una vez comprobado que en ambos diseños se obtiene la frecuencia de resonancia deseada, se procede a acoplar la MTM-TL
(CSRR y gaps) a la alimentación del parche rectangular. El resultado obtenido es un parche rectangular de microcinta alimentado
por una línea de transmisión cargada con CSRR y gaps.
Diseño y Simulación
Siguiendo el procedimiento anterior, se realiza un diseño de
un parche rectangular convencional y una línea de microcinta
cargada con CSRR y gap para 2.4 GHz utilizando un substrato
FR4 con permitividad relativa de 4.2, altura 1.55 mm y tangente
de pérdida de 0.02.
El próximo paso para incrementar el ancho de banda de la antena, manteniendo sus dimensiones y los beneficios de un diseño
sencillo y fácil de implementar, es insertar las estructuras CSRRs
y gaps en la línea de alimentación, diseñadas para resonar a la
misma frecuencia que el parche rectangular.
Las dimensiones de la antena convencional son: L=28.7mm,
W=37.7mm, Y0 =7.7mm. Las del CSRR: r0=3.6mm, c=0.7mm,
d=0.7mm y las de la línea de alimentación: p= 9mm y s= 11mm
con el ancho correspondiente a una línea de 50 Ohms (3mm).
Los parámetros S resultantes de la simulación de estas estructuras (Figura 4) muestran un estrecho ancho de banda de 70 MHz
(3%) según el criterio de -10 dB para el parche convencional y un
aumento a 230 MHz (9.5%) para la antena con metamateriales.
Esto significa un aumento de 3 veces el ancho de banda del
diseño propuesto respecto a la antena convencional.
Figura 3. Antena de Parche Rectangular Alimentada por una
MTM-TL cargada con CSRRs y gaps.
En este diseño se puede observar que los CSRR fueron incluidos debajo de la línea de transmisión y se añadieron ranuras
capacitivas para lograr la celda metamaterial analizada.
Para realizar este modelo se trabaja de forma paralela en el
diseño independiente de un parche rectangular alimentado
por línea de microcinta y de una MTM-TL basada en CSRRs
y gaps.
Para el diseño de las celdas CSRRs en una línea de transmisión
se utilizan las fórmulas que aparecen en [16,17] con las que se
determinan los valores de capacitancia e inductancia descritas
en el modelo de circuito equivalente del CSRR, para luego
determinar la frecuencia de resonancia.
Los resultados obtenidos son aproximados, por lo que se simulan
por separado ambas estructuras utilizando una herramienta de
F23457 89 Pérdidas de retorno de la antena rectangular
convencional (azul continuo) y de la antena cargada con CSRRs
y gaps (rojo discontinuo) para un diseño a 2.4 GHz.
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Para constatar el correcto funcionamiento del modelo propuesto
se simula la distribución de campo E en la antena (Figura 5) para
las frecuencias correspondientes a los picos de las pérdidas de
retorno. Se observa la excitación de los anillos y del modo de
resonancia fundamental TM10 en el parche para ambos valores
de frecuencia dentro del ancho de banda.
Figura 5. Distribución de Campo E simulado en la antena con
CSRRs para 2.37 GHz (a) y 2.47 GHz (b).
En la Tabla 1 se observa la relación entre los valores máximos
de Ganancia y Directividad alcanzados con cada diseño.
Tabla 1. Parámetros de radiación.
P75;<=
Ganancia
[dB]
Directividad
[dB]
Convencional
1.38
4.17
Con CSRRs
-0.16
3.31
Existe una disminución de la ganancia y la directividad de la
antena con metamateriales respecto al parche convencional. La
ganancia del parche convencional es de solo 1.38dB debido a la
alta tangente de pérdidas del substrato utilizado, y al añadir los
CSRRs y gaps se introducen pérdidas del orden de los 1.5dB.
La Figura 6 muestra los diagramas de radiación de campo
eléctrico simulado de la antena, con y sin CSRRs.
Figura 6. Diagramas de radiación simulados de la antena
rectangular convencional (azul continuo) y de la antena cargada
con CSRRs y gaps (rojo discontinuo) para Phi=0° (a) y Phi=90°
(b)
El lóbulo hacia atrás que aparece en la antena con metamateriales coincide con la posición de la línea de alimentación y es
provocado por la radiación que producen los CSRRs en esa
dirección.
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Construcción y Medición
Para validar los resultados alcanzados se construyó un prototipo
para la frecuencia de 2.4GHz en un substrato con permitividad
relativa de 4 (Figura 7).
espectro conectado a un dipolo construido para la misma frecuencia de resonancia.
En la Figura 9 se observa el patrón de radiación normalizado
para 2.47 GHz, centro de la banda de transmisión.
Figura 7. Prototipo construido.
Las mediciones obtenidas en el Analizador de Redes
Rhode&Schwarz ZVB-20 se importaron a HFSS y se utilizaron
para generar los gráficos de la Figura 8 que muestran la comparación entre la medición y la simulación.
Figura 9. Diagrama de radiación de la simulación (rojo continuo)
y de la medición (azul discontinuo).
Generalización
El procedimiento descrito fue aplicado a otras bandas de frecuencia, demostrándose su posible generalización a un espectro
amplio de diseño de antenas microcinta utilizando líneas de
transmisión metamateriales basadas en CSRRs. Los ensayos
realizados se muestran en la Tabla 2.
Tabla 2. Generalización de los resultados.
>?@BC@DBEG
ΔF (MHz)
Convencional
ΔF (MHz)
Metamaterial
1.8 GHz
50
180
2.4 GHz
70
220
3.5 GHz
110
280
5.23 GHz
246
320
La antena construida alcanza un ancho de banda de 221 MHz
(8.9%).
En todas las simulaciones descritas en la Tabla 2 se logró un
aumento del ancho de banda respecto a los modelos convencionales, lo que demuestra que la metodología propuesta puede
ser aplicada al diseño en algunas de las bandas de frecuencia
más utilizadas en microondas.
Las mediciones para obtener el patrón de radiación se realizaron
en un ambiente exterior apoyadas en un generador de señales
conectado a la antena con metamateriales y un analizador de
Se analizó además, el efecto de la cantidad de anillos en los
parámetros de la antena para el diseño en la banda de 2.4 GHz.
La Tabla 3 muestra los resultados obtenidos.
Figura 8. Pérdidas de retorno simuladas (línea continua) y
medidas (línea discontinua) del parche.
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M
L
KJ
H
N
Directividad
M
Ganancia
O
ΔF [MHz]
Tabla 3. Resultados de las Simulaciones para diferentes
cantidades de CSRRs.
2
115
0dB
3.9dB
3
220
-0.16dB
3.31dB
4
300
-2.05dB
1.68dB
Al aumentar la cantidad de anillos, aumenta el ancho de banda,
pero se introducen pérdidas del orden de 1 dB por cada anillo.
Por tanto, al realizar un diseño, hay que tener en cuenta que
existe un compromiso entre el ancho de banda y los valores de
ganancia y directividad y que, en dependencia de la aplicación,
es necesario ajustar el número de anillos para obtener los resultados deseados.
CONCLUSIONES
Se propone una nueva forma de ampliar el ancho de banda en
antenas de microcinta basado en modificar la alimentación con
líneas de transmisión metamateriales, así como una metodología
a seguir para generalizar los diseños. Además, se construyó
un prototipo que validó los resultados de las simulaciones
para la banda de 2.4 GHz y se obtuvo un ancho de banda de
221 MHz (8.9%), más de 3 veces mayor que el de un parche
convencional.
Este trabajo ha abierto una línea de investigación en el efecto de
la inclusión de resonadores planares en la línea de alimentación
de las antenas planas para lograr una ampliación del ancho
de banda. Es por ello que se pretende continuar este estudio
empleando otras topologías de resonadores planares complementarios y no complementarios. También se aspira a ampliar
la investigación al campo de los arreglos de antenas buscando
mejorar los parámetros de ganancia y eficiencia.
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen por el apoyo brindado al proyecto Acción Integrada D/018607/08 “Laboratorio de Comunicaciones
RF-Microondas para Aplicaciones Móviles-Satélite”, financiado
por la Agencia Española de Cooperación Internacional para el
Desarrollo (AECID); al Dr. José Ángel García, García Profesor
Titular Universidad de Cantabria por sus consejos y permanente
estímulo, y al Dr. Juan Vassal’lo Sanz, Científico titular del CSIC
- Instituto de Tecnologías Físicas y la Información por sus sabios
consejos y apoyo total en la ejecución de la investigación.
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