Metamaterial-loaded printed antennas : design and application

Wireless communication systems have grown dramatically during the last few years. Moreover, these systems have achieved a great popularity in society. Several examples can be mentioned: cellular communications (GSM, DCS, UMTS), personal area networks (Bluetooth), local area wireless networks (WiFi), radionavigation systems (GPS), etc. The current trend consists of using only one user terminal for several standards (e. g. GSM and UMTS terminals) and for more than one service (e. g. cellular communications, radionavigation systems and personal area networks). In addition, it is also important to note that current user terminals are more and more compact. For these reasons, it would be desirable to use only one antenna for all the standards and/or services covered by the terminal. However, it is important to note that each standard or service requires different antenna characteristics in terms of operating frequency and optimal radiation performance (radiation pattern, polarization, etc.). Hence, compact antennas with multifrequency (simultaneous operation over two or more bands) and multifunction performance (radiation pattern or polarization diversity, frequency reconfigurability, etc.) are a good solution as the radiating element of hanheld terminals. Furthermore, similar arguments can be made to justify the huge demand on multifrequency and multifunction compact antennas for the network elements such as base stations, hot-spots and other access points. Additionally, novel proposals, such as Cognitive Radio, and emerging radio applications like RFID are challenging from antenna engineering point of view. It is important to take into account that the antennas with the optimal characteristics stated above are very difficult to achieve by using conventional techniques. Thus, novel approaches are being developed to obtain radiating elements with the desired characteristics. One of these techniques is the use of metamaterial structures. Metamaterials can be broadly defined as electromagnetic structures engineered to achieve exotic or unusual properties. These features have been used in microwave engineering to develop devices with extraordinary properties such as miniaturization or operation over multiple frequency bands. On the other hand, the effort in the antenna field has been put on the use of metamaterials for travelling-wave antennas and as substrates and superstrates for antennas. Recently, there has been a great effort on miniaturized antennas based on metamaterial concepts. Nevertheless, from the author's point of view, the possibility of achieving multifrequency and/or multifunction antennas based on metamaterials has not been fully explored. The main goal of the proposed Thesis is the development of a novel design approach called metamaterial-loaded printed antennas. This solution consists of loading a conventional printed antenna with a set of metamaterial particles. Hence, the bene ts of printed antennas (low cost, compactness, low pro le, light weight, simplicity to integrate with circuitry and usefulness as elements for antenna arrays) are kept. Furthermore, the desired additional characteristics such as multifrequency and multifunction performance are obtained thanks to the proper design of the metamaterial loading elements. Several metamaterial-loaded printed antennas are proposed to provide solutions for a broad range of applications. In particular, two types of printed antennas are considered: printed wire antennas and microstrip patch radiators. The methodology used throughout the Thesis is the following: firstly, approximate models based on transmission line theory and equivalent circuits are developed to analyse and design the proposed antennas with low computational cost. Then, a full-wave study is carried out by making use of commercial and home-made solvers. Finally, the designed antennas are manufactured and measured to check their performance. Two different classes of wire antennas are proposed: printed dipole antennas loaded with metamaterial particles and printed wire antennas over ground plane with Left-Handed (LH) metamaterial loading. Regarding the dipole antennas, a multifrequency performance is achieved because these antennas have additional working bands close to the self-resonance frequencies of the metamaterial loading particles. Moreover, miniaturization is achieved when the additional modes are placed below the resonance frequency of the unloaded dipole. On the other hand, the use of LH loading allows developing antennas over ground plane (the monopole and half-loop antenna over ground plane) with additional features and small dimensions. The second type of antennas is microstrip patch antennas filled with metamaterial structures. Multifrequency and multifunction microstrip patch antennas are developed using this approach. In addition, this technique is extended to achieve multifunction patch antennas with polarization diversity and multifrequency performance. In particular, two applications are proposed: quad-frequency patch antennas with polarization diversity and dualfrequency circularly polarized patch antennas. Finally, it is proposed the application of the metamaterial-loaded antennas not as isolated radiating elements, but integrated into systems or antenna arrays. Specifically, the proposed dipole antennas are used to enhance the performance of log-periodic antenna arrays. Moreover, it is shown that metamaterial-loaded antennas are a good solution to fulfil the requirements of future communications systems (Cognitive Radio) and emerging applications such us RFID.---------------------------------------------------------------------------------------------------Los sistemas de comunicaciones inalámbricos han experimentado un enorme crecimiento en los últimos años. Prueba de ello es que varios de estos sistemas han logrado una gran popularidad. Podemos mencionar los ejemplos de la telefonía móvil (GSM, DCS, UMTS), las redes de área personal (Bluetooth), las redes locales inalámbricas (WiFi), los servicios de radionavegación (GPS), etc. La tendencia actual consiste en emplear un único terminal de usuario para diferentes normas (por ejemplo los terminales que funcionan en GSM y UMTS simultáneamente) y para varios servicios distintos (como los terminales que proporcionan los servicios de telefonía móvil, radionavegación y redes personales). Además, es importante tener en cuenta que los terminales cada vez son más compactos. Por estas razones, sería deseable emplear una única antena para todas las normas y/o servicios en los que funcione el terminal. Sin embargo, hay que tener en cuenta que cada norma o servicio requiere unas características diferentes de la antena tanto desde el punto de vista de la frecuencia de funcionamiento como de las características de radiación (diagrama de radiación, polarización, etc.) De este modo, las antenas compactas con propiedades de multifrecuencia (funcionamiento simultáneo en dos o más bandas de frecuencia) y multifunción (diversidad de diagramas de radiación, reconfigurabilidad en frecuencia, etc.) resultarían una buena solución como elementos radiantes de los terminales de usuario. Además, se pueden considerar argumentos similares para justificar la enorme demanda de antenas multifrecuencia y multifución para los elementos de red como estaciones base, hot-spots y otros puntos de acceso a redes inalámbricas. No podemos obviar tampoco que las nuevas propuestas como los sistemas de radio cognitiva (Cognitive Radio) y otras aplicaciones inalámbricas emergentes como la identificación por radiofrecuencia (RFID) suponen una serie de retos desde el punto de vista de la ingeniería de antenas. Debemos tener en cuenta que es muy difícil diseñar antenas con todas las características mencionadas anteriormente mediante el empleo de las técnicas convencionales. Por esta razón, se están proponiendo nuevas técnicas para el desarrollo de elementos radiantes con las características optimas deseadas. Ona de estas nuevas técnicas está basada en el empleo de las denominadas estructuras metamateriales. Los metamateriales se pueden definir de manera amplia como estructuras electromagnéticas diseñadas para obtener propiedades exóticas o no comunes. Estas características se han empleado en el ámbito de la ingeniería de microondas para el desarrollo de dispositivos con características extraordinarias como son la miniaturización o multifrecuencia. En cambio, en el ámbito de la ingeniería de antenas se han empleado para el diseño de antenas de onda viajera (por ejemplo leaky-wave) y como sustratos o superestratos para antenas. Más recientemente, se ha realizado un gran esfuerzo para obtener antenas miniaturizadas basadas en los conceptos de estructuras metamateriales. Sin embargo, desde el punto de vista del autor, la posibilidad de obtener antenas multifrecuencia y/o multifunción basadas en estructuras metamateriales no ha sido totalmente explotada. El principal objetivo de esta tesis doctoral es el desarrollo de una novedosa técnica de diseño de antenas consistente en cargar una antena impresa convencional con partículas metamateriales. Por este motivo denominamos este conjunto antenas impresas cargadas con partículas metamateriales. Mediante el empleo de esta técnica se mantienen los beneficios de las antenas impresas (bajo coste, antenas compactas y de bajo perfil, bajo peso, simplicidad para integrarlas con circuitería y como elementos en agrupaciones de antenas). Además, se consiguen una serie de características deseadas como multifrecuencia y multifuncionalidad gracias al empleo de las partículas materiales que se emplean para cargar la antena. En concreto, se proponen dos clases de antenas impresas cargadas con partículas metamateriales con el objetivo de cubrir el amplio espectro de aplicaciones que requieren antenas con dichas características. Las dos clases de antenas propuestas son las antenas de hilo impresas cargadas con partículas metamateriales y las antenas de parche parcialmente rellenas de estrucutras metamateriales. La metodología que se sigue durante el desarrollo de esta tesis doctoral es la siguiente: en primer lugar se proponen modelos aproximados de bajo coste computacional basados en la teoría de líneas de transmisión y equivalentes circuitales para el análisis y diseño de las antenas propuestas. A continuación, se realizan simulaciones de onda completa empleando simuladores comerciales y una solución propia del método de los momentos. Finalmente, las antenas diseñadas se fabrican y se miden para comprobar sus prestaciones. Se proponen dos tipos de antenas de hilo impresas: dipolos cargados con partículas metamateriales y antenas de hilo impresas sobre plano de masa cargadas con líneas metamateriales zurdas (conocidas como Left-Handed o LH en la bibliografía técnica). En lo que respecta a los dipolos cargados con partículas metamateriales, se obtiene la característica de multifrecuencia debido a que estas antenas presentan bandas de funcionamiento adicionales próximas a las frecuencias de resonancia de las partículas metamateriales que se emplean para cargarlas. Además, es posible obtener la característica de miniaturización ya que los modos adicionales pueden resonar por debajo de la frecuencia fundamental del dipolo convenconal sin cargar. En cambio, el empleo de estructuras LH en las antenas sobre plano de masa (como son el monopolo y el semilazo sobre plano de masa) proporcionan características adicionales y miniaturización respecto a las antenas convencionales sin cargar. La segunda clase de antenas propuestas son los parches parcialmente rellenos de estructuras metamateriales. El empleo de esta técnica permite el diseño de antenas de parche con las propiedades de multifrecuencia y multifunción. Además, esta técnica se puede emplear también para obtener antenas multifrecuencia con diversidad de polarización. En concreto, se proponen dos aplicaciones distintas: parches de cuádruple frecuencia con diversidad de polarización y parches de doble frecuencia con polarización circular. Finalmente, se propone el empleo de las antenas impresas cargadas con partículas metamateriales no como elementos radiantes aislados, sino integradas en sistemas y agrupaciones de antenas. Por ejemplo, los dipolos impresos multifrecuencia se utilizan para mejorar las características de las agrupaciones log-periódicas. Además, se demuestra que las antenas propuestas son unas buenas candidatas para satisfacer los requisitos de los sistemas de comunicaciones futuros (como Cognitive Radio) y las aplicaciones emergentes como RFID