Design of electromagnetic band-gap structures using planar technology for Rfid and microwave applications

Abstract

En la presente Tesis Doctoral se aborda el desarrollo de nuevas estructuras Electromagnetic Band-Gap (EBG) 1 Artificial Magnetic Conductors (AMC), para sistemas de comunicación, que proporcionan una mejor funcionalidad y rendimiento, tanto solas como en combinación con antenas. El gran potencial de desarrollo de estas novedosas estructuras ofrece una alternativa para superar las limitaciones de las soluciones actuales. En este contexto las estructuras EBG/AMC son un gran avance, principalmente debido a sus excelentes capacidades para guiar y controlar las ondas electromagnéticas de una manera que los materiales que se encuentran en la naturaleza no pueden. Esta Tesis Doctoral se ha realizado con la idea de contribuir a mejorar el rendimiento de las estructuras EBG/AMC prestando especial atención a las aplicaciones en las que se utilizan para mejorar las propiedades de antenas (propiedades de la radiación, ancho de banda de funcionamiento, etc). La Tesis Doctoral está estructurada en cuatro capítulos. El Capítulo 1 contiene el estado del arte, la motivación, así como el análisis teórico de las estructuras EBG/AMC y las estrategias de diseño que tienen una aplicación directa en los diseños que se han estudiado en capítulos posteriores. Un EBG exhibe propiedades de prevención de propagación de las ondas electromagnéticas en unas direcciones y rangos de frecuencias mientras que un AMC presenta una impedancia de superficie alta y propiedades de reflexión en fase. Los nuevos aportes científicos generados por la autora comienzan en el Capítulo 2, en el cual se presenta una estructura AMC sin vías, diseñada sobre sustratos rígidos y flexibles. El AMC que posee un amplio ancho de banda de operación (>7%), independencia con respecto al ángulo de polarización y mayor margen de estabilidad angular (±40°) se analiza y describe en detalle. Por otra parte, la miniaturización de los componentes de microondas y antenas se ha hecho cada vez más importante en aquellas las aplicaciones en las cuales el espacio físico es limitado. Por ejemplo, los nuevos terminales de comunicaciones inalámbricas requieren elementos de tamaño cada vez más reducido para lograr sistemas cada vez más compactos. En este contexto, una estructura AMC miniaturizada dependiente de la polarización de la onda incidente y basada en condensadores interdigitales (la dimensión de la celda unidad es más pequeña que f-0/1 O) se estudia y se compara con otras estructuras AMC ya analizadas en la literatura científica. Es bien conocido que antenas de tipo dipolo funcionan correctamente en el espacio libre, pero cuando se montan sobre objetos metálicos o en la proximidad del cuerpo humano, su rendimiento se degrada notablemente, por ejemplo, se reduce su eficiencia de radiación. Además, la superficie metálica disminuye la impedancia de entrada del dipolo y hace que la frecuencia de resonancia de la antena varíe. Para superar estos problemas y lograr aislar electromagnéticamente el dipolo del objeto metálico/tejido humano, se utiliza una estructura AMC. La estructura periódica diseñada para la implementación del AMC puede también bloquear la propagación de ondas electromagnéticas en ciertas bandas de frecuencia y proporcionar un comportamiento de electromagnetic band-gap (EBG). Las dos bandas de frecuencias (de AMC y de EBG) pueden no coincidir en la ausencia de vías. La banda de gap de la estructura periódica EBG podría ser calculada utilizando el diagrama de dispersión o empleando el método de la línea microstrip suspendida, tal como se presenta en el Capítulo 3. La aplicación de la estructura EBG para ampliar el ancho de banda y mejorar las propiedades de radiación de las antenas se ha analizado también. Por otra parte, aprovechando sus propiedades electromagnéticas (banda prohibida), un filtro paso banda con un tamaño compacto, alta selectividad y supresión del segundo armónico se ha presentado. Una estructura Defected Ground Structure (DGS) se desarrolla y se coloca directamente debajo de las líneas de alimentación de entrada 1 sal ida del filtro paso banda para obtener la supresión del segundo armónico. Varios prototipos han sido fabricados y medidos para la validación experimental de todos los diseños. En el Capítulo 4, se recogen las conclusiones derivadas de la presente Tesis Doctoral así como unas posibles líneas futuras de investigación que pueden seguir.