Análisis y diseño de filtros compactos de microondas basados en cristales electromagnéticos y resonadores metamateriales

Resumen

La presente tesis está centrada en el análisis y síntesis de dispositivos de microondas. Más concretamente, se han desarrollado tres tipos de celdas basadas en estructuras metamateriales, las cuales se han aplicado en el diseño original de filtros compactos en tecnología planar (línea microtira, guía coplanar y guía de onda integrada en sustrato, SIW). Las celdas y dispositivos propuestos pueden ser de un gran interés para los futuros sistemas de comunicación. Por un lado, la tecnología planar es un método de fabricación maduro y de bajo coste y, por otro lado, los dispositivos basados en estructuras metamateriales presentan propiedades electromagnéticas singulares que permiten reducir el tamaño y superar las limitaciones de los dispositivos convencionales. Entre los diferentes metamateriales que existen, se utilizaron los pertenecientes a los cristales electromagnéticos (Electromagnetic Band Gap, EBG) y a los medios de Veselago. Los EBG convencionales son estructuras con una única fila de patrones circulares periódicos, grabados en el plano de masa de una línea microtira. Estas estructuras exhiben bandas de frecuencia en las que se permiten y se impiden la propagación electromagnética. Este comportamiento es conocido como reflector de Bragg. Las estructuras EBG propuestas sustituyen los patrones circulares por celdas basadas en geometrías fractales de Koch (KFEBG), creadas a partir de una configuración hexagonal. Estas celdas KFEBG permiten superar el límite constructivo radio-periodo (r/a) en EBG convencionales, definido en 0.45. Cuando r/a < 0.5, la estructura microtira-KFEBG presenta el mismo comportamiento que una estructura microtira-EBG convencional (reflector de Bragg), mientras que cuando r/a > 0.5, la estructura microtira-KFEBG presenta una amplia banda de rechazo, inusual para este tipo de configuración. Por ello, se aplicó la estructura periódica KFEBG con r/a > 0.5 en el diseño de filtros compactos paso-bajo en tecnologías microtira y SIW. Para mejorar la respuesta en frecuencia y reducir el tamaño de estos filtros, se realizó una apodización modulada de los parámetros de diseño. Finalmente, se desarrolló un método de síntesis original para lograr estos diseños. Por otro lado, los medios de Veselago, también entre otras denominaciones materiales zurdos (Left-Handed, LH), se caracterizan por poseer partes reales de permitividad y de permeabilidad simultáneamente negativas. En ellos, es posible la propagación de ondas regresivas entre otros fenómenos inusuales. Las configuraciones iniciales están basadas en resonadores de anillos (celdas) SRR y CSRR (Split ring resonator, Complementary Split ring resonator), acoplados a una línea de transmisión. A posteriori, se desarrollaron las versiones abiertas OSRR (Open Split ring resonator) y OCSRR (Open Complementary Split ring resonator) que permiten una conexión directa con la línea de transmisión, una mayor facilidad de diseño de dispositivos y un tamaño reducido con respecto a los SRR y CSRR. En este trabajo, se propone dos celdas basadas en resonadores de anillos abiertos: la OISRR (Open Interconnected Split Ring Resonator) de tipo mono-planar como las anteriores y la DOSRR (Double- Sided Open Split Ring Resonator) de tipo bi-planar con parámetros de diseño en dos planos diferentes. Ambas celdas poseen un tamaño reducido como la OSRR y características interesantes. Las celdas DOSRR y OISRR se aplicaron, respectivamente, al diseño en tecnología planar de filtros compactos paso-banda con altos niveles de rechazo y filtros compactos rechazo-banda de alta selectividad (notch)