369px|miniatura|Aquesta antena Z provada a l'Institut Nacional d'Estàndards i Tecnologia és més petita que una antena estàndard amb propietats comparables. La seva alta eficiència es deriva de l'"element Z" dins del quadrat que actua com a metamaterial, augmentant considerablement el senyal radiat. El quadrat fa 30 mil·límetres de costat. Una antena de metamaterial és una mena d'antena que fa servir metamaterials per augmentar el rendiment dels sistemes d'antenes miniaturitzades (elèctricament petites). El seu propòsit, com qualsevol antena electromagnètica, és llançar energia a l'espai lliure. Tanmateix, aquesta classe d'antena incorpora metamaterials, que són materials dissenyats amb estructures noves, sovint microscòpiques, per produir propietats físiques inusuals. Els dissenys d'antenes que incorporen metamaterials poden augmentar la potència radiada de l'antena.
Les antenes convencionals que són molt petites en comparació amb la longitud d'ona reflecteixen la major part del senyal de tornada a la font. Una antena de metamaterial es comporta com si fos molt més gran que la seva mida real, perquè la seva nova estructura emmagatzema i reirradia energia. Les tècniques de litografia establertes es poden utilitzar per imprimir elements metamaterials en una placa de circuit imprès.
Aquestes noves antenes ajuden en aplicacions com la interacció portàtil amb satèl·lits, la direcció de feix de gran angular, els dispositius de comunicacions d'emergència, els microsensors i els radars portàtils de penetració del terreny per cercar característiques geofísiques.
Algunes aplicacions de les antenes de metamaterials són la comunicació sense fil, les comunicacions espacials, el GPS, els satèl·lits, la navegació de vehicles espacials i els avions. 369px|esquerra|miniatura|Sistema de metamaterials de matriu en fase. La línia de microstrip (400) per a un sistema d'antena de metamaterials de matriu en fase. 401 representa circuits de cel·la unitària compostos periòdicament al llarg de la microstrip. 402 condensadors en sèrie. 403 són unions en T entre condensadors, que connecten (404) línies de retard de l'inductor en espiral a 401. 404 també estan connectats a les vies de terra 405.
Dissenys d'antenes Els dissenys d'antenes que incorporen metamaterials poden millorar la potència radiada d'una antena. Les antenes de metamaterials més noves irradien fins a un 95% d'un senyal de ràdio d'entrada. Les antenes estàndard han de tenir com a mínim la meitat de la longitud d'ona del senyal per funcionar de manera eficient. A 300 MHz, per exemple, una antena hauria de tenir mig metre de llargada. En canvi, les antenes experimentals de metamaterials són tan petites com una cinquantena part d'una longitud d'ona i podrien tenir encara més disminucions de mida.
Els metamaterials són una base per a una major miniaturització de les antenes de microones, amb una potència eficient i un ample de banda acceptable. Les antenes que utilitzen metamaterials ofereixen la possibilitat de superar les limitacions restrictives d'ample de banda d'eficiència per a les antenes miniatura de construcció convencional.
Els metamaterials permeten elements d'antena més petits que cobreixen un rang de freqüències més ampli, fent així un millor ús de l'espai disponible per a casos amb restriccions d'espai. En aquests casos, les antenes miniatura amb un guany elevat són significativament rellevants perquè els elements radiants es combinen en grans conjunts d'antenes. A més, l'índex de refracció negatiu dels metamaterials enfoca la radiació electromagnètica mitjançant una lent plana en lloc de ser dispersada.
La closca del DNG La primera investigació en antenes de metamaterials va ser un estudi analític d'una antena dipolar miniatura envoltada d'un metamaterial. Aquest material es coneix de diverses maneres com a metamaterial d'índex negatiu (NIM) o metamaterial doble negatiu (DNG), entre altres noms.
Aquesta configuració, analíticament i numèricament, sembla produir un augment de potència d'un ordre de magnitud. Al mateix temps, la reactància sembla oferir una disminució corresponent. A més, la capa DNG esdevé una xarxa d'adaptació d'impedància natural per a aquest sistema.
Aplicacions del pla de terra Els metamaterials emprats en els plans de terra que envolten les antenes ofereixen un millor aïllament entre els canals de radiofreqüència o de microones de les matrius d'antenes (MIMO) (d'entrada múltiple i sortida múltiple). Els plans de terra d'alta impedància de metamaterials també poden millorar l'eficiència de la radiació i el rendiment de la relació axial de les antenes de perfil baix situades a prop de la superfície del pla de terra. Els metamaterials també s'han utilitzat per augmentar l'abast d'escaneig del feix mitjançant l'ús de les ones directes i posteriors en les antenes d'ones amb fuites. Es poden emprar diversos sistemes d'antenes de metamaterials per donar suport a sensors de vigilància, enllaços de comunicació, sistemes de navegació i sistemes de comandament i control.
Noves configuracions A més de la miniaturització d'antenes, les noves configuracions tenen aplicacions potencials que van des de dispositius de radiofreqüència fins a dispositius òptics. S'estan investigant altres combinacions per a altres dispositius en subsistemes d'antenes de metamaterial. En els subsistemes s'utilitzen exclusivament lloses de metamaterial doblement negatives o combinacions de lloses doblement positives (DPS) amb lloses DNG, o lloses epsilon-negatives (ENG) amb lloses mu-negatives (MNG). Els subsistemes d'antenes que actualment s'estan investigant inclouen ressonadors de cavitat, guies d'ones, dispersors i antenes (radiadors). Les antenes de metamaterial ja estaven disponibles comercialment el 2009.
Història Pendry i els seus col·laboradors van poder demostrar que una matriu tridimensional de cables prims que s'intersecaven es podia utilitzar per crear valors negatius de permitivitat (" ε "), i que una matriu periòdica de ressonadors d'anells dividits de coure podia produir una permeabilitat magnètica negativa efectiva (" μ ").
El maig del 2000 un grup d'investigadors, Smith et al., van ser els primers a combinar amb èxit el ressonador d'anell dividit (SRR) amb pals conductors de filferro prim i produir un material esquerrà que tenia valors negatius de ε, μ i índex de refracció per a freqüències en el rang de gigahertzs o microones.
El 2002 es va introduir una classe diferent de metamaterials d'índex de refracció negatiu (NRI) que utilitza la càrrega reactiva periòdica d'una línia de transmissió bidimensional com a medi amfitrió. Aquesta configuració utilitzava material d'índex positiu (DPS) amb material d'índex negatiu (DNG). Emprava una petita lent planar de refracció negativa interconnectada amb una guia d'ones de plaques paral·leles d'índex positiu. Això es va verificar experimentalment poc després.
Tot i que es van identificar algunes ineficiències dels SRR, es van continuar utilitzant a partir del 2009 per a la recerca. Els SRR han participat en una àmplia recerca de metamaterials, inclosa la recerca sobre antenes de metamaterials.
Una visió més recent és que, utilitzant SRR com a blocs de construcció, la resposta electromagnètica i la flexibilitat associada són pràctiques i desitjables.
Compensació de fase a causa de la refracció negativa El DNG pot proporcionar compensació de fase a causa del seu índex de refracció negatiu. Això s'aconsegueix combinant una llosa de material DPS sense pèrdues convencional amb una llosa de metamaterial DNG sense pèrdues.
El DPS té un índex de refracció positiu convencional, mentre que el DNG té un índex de refracció negatiu. Ambdues lloses estan adaptades per impedància a la regió exterior (per exemple, l'espai lliure). L'ona plana monocromàtica desitjada s'irradia en aquesta configuració. A mesura que aquesta ona es propaga a través de la primera llosa de material, sorgeix una diferència de fase entre les cares de sortida i entrada. A mesura que l'ona es propaga a través de la segona llosa, la diferència de fase disminueix significativament i fins i tot es compensa. Per tant, a mesura que l'ona surt de la segona llosa, la diferència de fase total és igual a zero.
Amb aquest sistema es podria produir un sistema de guia d'ones amb compensació de fase. En apilar plaques d'aquesta configuració, la compensació de fase (efectes de translació del feix) es produiria a tot el sistema. A més, canviant l'índex de qualsevol dels parells DPS-DNG, la velocitat a la qual el feix entra a la cara frontal i surt per la cara posterior de tot el sistema d'apilament canvia. D'aquesta manera, es podria aconseguir una línia de transmissió volumètrica, de baixa pèrdua i retard de temps per a un sistema determinat.
A més, aquesta compensació de fase pot donar lloc a un conjunt d'aplicacions, que són ressonadors de cavitat miniaturitzats, sublongitud d'ona i guies d'ona amb aplicacions per sota dels límits de difracció.
Lent de microones La lent de metamaterial, que es troba en els sistemes d'antenes de metamaterial, s'utilitza com a acoblador eficient a la radiació externa, enfocant la radiació al llarg o des d'una línia de transmissió de microstrip cap als components transmissors i receptors. Per tant, es pot utilitzar com a dispositiu d'entrada. A més, pot millorar l'amplitud de les ones evanescents, així com corregir la fase de les ones de propagació.
Dirigint la radiació En aquest cas, una SRR utilitza capes d'una malla metàl·lica de cables prims, amb cables en les tres direccions de l'espai i llesques d'escuma. La permitivitat d'aquest material per sobre de la freqüència del plasma pot ser positiva i inferior a un. Això significa que l'índex de refracció és just per sobre de zero. El paràmetre rellevant sovint és el contrast entre les permitivitats en lloc del valor global de la permitivitat a les freqüències desitjades. Això passa perquè la permitivitat equivalent (efectiva) té un comportament governat per una freqüència de plasma en el domini de microones. Aquest material de baix índex òptic és, doncs, un bon candidat per a microlents extremadament convergents. Mètodes que s'han desenvolupat teòricament utilitzant cristalls fotònics dielèctrics aplicats en el domini de microones per realitzar un emissor directiu utilitzant reixes metàl·liques.
En aquest cas, els cables disposats en una estructura de xarxa cristal·lina cúbica es poden analitzar com una matriu d'antenes (matriu d'antenes). Com a estructura de xarxa, té una constant de xarxa. La constant de xarxa o paràmetre de xarxa fa referència a la distància constant entre les cel·les unitàries d'una xarxa cristal·lina.
El descobriment anterior dels plasmons va crear la idea que el metall a la freqüència de plasmó fp és un material compost. L'efecte dels plasmons sobre qualsevol mostra de metall és crear propietats al metall de manera que es pugui comportar com un dielèctric, independent del vector d'ona del camp d'excitació EM (radiació). A més, una quantitat minúscula d'energia plasmònica s'absorbeix al sistema, denotada com a γ. Per a l'alumini, fp = 15 eV i γ = 0,1 eV. Potser el resultat més important de la interacció del metall i la freqüència del plasma és que la permitivitat és negativa per sota de la freqüència del plasma, fins al valor minúscul de γ.
Aquests fets finalment donen com a resultat que l'estructura de filferros en matriu sigui efectivament un medi homogeni.
Aquest metamaterial permet controlar la direcció d'emissió d'una font de radiació electromagnètica situada dins del material per tal de recollir tota l'energia en un petit domini angular al voltant de la normal. Mitjançant l'ús d'una placa d'un metamaterial, les ones electromagnètiques divergents es concentren en un con estret. Les dimensions són petites en comparació amb la longitud d'ona i, per tant, la placa es comporta com un material homogeni amb una baixa freqüència de plasma.
Referències
Categoria:Antenes