Caracterización de la celda unidad de una lente "zurda" plana para la excitación de antenas planas de ranuras
Las antenas de ranuras situadas sobre una 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". Los metamateriales son estructuras artificiales periódicas que pueden ser diseñadas para cumplir algunas propiedades electromagnéticas singulares dentro de un rango de frecuencias determinado: propagación de ondas de retroceso, refracción negativa, presencia de bandas prohibidas, etc. En particular los "metamateriales zurdos", conocidos en la literatura inglesa como "left handed", presentan simultáneamente una permitividad ε r y una permeabilidad μ r negativas, que derivan en un índice de refracción negativo, según la teoría especulativa del físico ruso Veselago en 1968. Los medios zurdos presentan propiedades opuestas a las de un "medio convencional", o en inglés "right handed", 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. La lente plana construida con metamateriales zurdos se ha propuesto 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, como ya se ha demostrado. Ambos medios deben cumplir la condición de tener densidades electromagnéticas equivalentes, es decir, nmedio_convencional = nmedio_zurdo.
Para la construcción de la lente plana con un medio zurdo ha sido propuesta por Caloz la conocida estructura en forma de "seta", o "mushroom" en la terminología anglosajona. Inicialmente fue utilizada por Sievenpiper como superficie de alta impedancia. Las principales ventajas de la estructura en forma de seta son su bajo coste y la facilidad de fabricación mediante tecnología planar. En la Fig. 1 se presenta dicha estructura, además del detalle de su celda unidad con la nomenclatura de sus parámetros y un esquema de la antena plana de ranuras con la lente zurda
excitando.
El diagrama de dispersión de la estructura en forma de seta, basado en el análisis mediante teoría de líneas de transmisión, muestra las bandas de frecuencias y los modos que se propagan por la estructura. Por lo que el objetivo es diseñar una celda unidad de la estructura en forma de seta, utilizando la información contenida en los diagramas de dispersión, que pueda fabricarse con la tecnología ha bitual de circuitos impresos y que conforme una lente plana que funcione como un medio zurdo a una frecuencia de 12GHz. De esta forma es posible conseguir excitar la antena de ranuras con una distribución de campo mucho más uniforme en el interior de la guía de placas paralelas, mejorando la apertura de iluminación de las ranuras y aumentando la eficiencia de este tipo de antenas.
Se ha propuesto recientemente una nueva forma de excitación para guías de placas paralelas basada en una lente construida con "metamateriales". Los metamateriales son estructuras artificiales periódicas que pueden ser diseñadas para cumplir algunas propiedades electromagnéticas singulares dentro de un rango de frecuencias determinado: propagación de ondas de retroceso, refracción negativa, presencia de bandas prohibidas, etc. En particular los "metamateriales zurdos", conocidos en la literatura inglesa como "left handed", presentan simultáneamente una permitividad ε r y una permeabilidad μ r negativas, que derivan en un índice de refracción negativo, según la teoría especulativa del físico ruso Veselago en 1968. Los medios zurdos presentan propiedades opuestas a las de un "medio convencional", o en inglés "right handed", 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. La lente plana construida con metamateriales zurdos se ha propuesto 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, como ya se ha demostrado. Ambos medios deben cumplir la condición de tener densidades electromagnéticas equivalentes, es decir, nmedio_convencional = nmedio_zurdo.
Para la construcción de la lente plana con un medio zurdo ha sido propuesta por Caloz la conocida estructura en forma de "seta", o "mushroom" en la terminología anglosajona. Inicialmente fue utilizada por Sievenpiper como superficie de alta impedancia. Las principales ventajas de la estructura en forma de seta son su bajo coste y la facilidad de fabricación mediante tecnología planar. En la Fig. 1 se presenta dicha estructura, además del detalle de su celda unidad con la nomenclatura de sus parámetros y un esquema de la antena plana de ranuras con la lente zurda
excitando.
El diagrama de dispersión de la estructura en forma de seta, basado en el análisis mediante teoría de líneas de transmisión, muestra las bandas de frecuencias y los modos que se propagan por la estructura. Por lo que el objetivo es diseñar una celda unidad de la estructura en forma de seta, utilizando la información contenida en los diagramas de dispersión, que pueda fabricarse con la tecnología ha bitual de circuitos impresos y que conforme una lente plana que funcione como un medio zurdo a una frecuencia de 12GHz. De esta forma es posible conseguir excitar la antena de ranuras con una distribución de campo mucho más uniforme en el interior de la guía de placas paralelas, mejorando la apertura de iluminación de las ranuras y aumentando la eficiencia de este tipo de antenas.
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