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Tunable antenna design by metamaterial structures operating at S band

Un “metamaterial” por su definición ampliamente aceptada es una estructura construida artificialmente que obtiene sus propiedades materiales de su estructura en lugar de la composición de su material intrínseco. El ámbito de los materiales ha ganado mucha atención dentro de la comunidad científica en la última década. Con los continuos avances y descubrimientos conducen al camino de las aplicaciones prácticas; los metamateriales han ganado la atención de las empresas de base tecnológica y los organismos de defensa interesados en el uso de dispositivos de próxima generación. Las superficies selectivas en frecuencia (FSS) son una variedad potente de metamateriales que, dependiendo de la geometría de la superficie, se pueden utilizar para diseñar propiedades de radiación específicas tales como la emisión direccional, emisión polarizada circular y lineal, y la selectividad espectral. Los elementos de la FSS pueden ser tanto elementos metálicos sólidos como elementos metálicos con aberturas, y en los diseños tradicionales, la superficie selectiva en frecuencia (FSS) normalmente opera en torno a la resonancia de media longitud de onda de los elementos. En este proyecto se va a utilizar una superficie selectiva de frecuencia (FSS) con el fin de realizar metamateriales sintonizables -una amplia clase de metamateriales controlables diseñados artificialmente, y desarrollar una antena sintonizable que trabaje a 2.4 GHz. La FSS consiste en una serie de elementos rectángulos cargados con varactores y capacitores con una película delgada de material ferroeléctrico sintonizable (BST) para el ajuste externo de los parámetros de medio efectivo. Por lo tanto se diseñan unos varactores BST que son colocados entre los elementos metálicos que conforman la FSS. El efecto de la superficie selectiva en frecuencia es estudiado en dos antenas diferentes – antena ELPOSD (End-Loaded Planar Open-Sleeve Dipole) y una antena de parche microstrip. La antena ELPOSD consiste en un dipolo plano convencional con dos elementos parásitos muy juntos, y una carga en cada extremo del dipolo. Los beneficios principales de este tipo de antenas es que, además del rendimiento similar de la antena POSD (Planar Open-Sleeve Dipole) convencional, las antenas ELPOSD pueden ser miniaturizadas. La antena parche utilizada en este trabajo es un elemento metálico cuadrado plano alimentado a través de una línea microstrip. El material ferroeléctrico Barium Strontium Titanate (BST) es un material muy bien conocido hasta el momento. Para diseñar los varactores se utiliza una película delgada de BST, junto con los capacitores interdigitales (IDCs) que se utilizan en la capa del metal. La antena general consiste en un sustrato de múltiples capas donde en una capa se encuentra la Superficie selectiva en frecuencia (FSS) sintonizable y en otra la antena dipolo o antena de parche. La capacidad de la FSS completa varía introduciendo el material ferroeléctrico BST en el varactor. Como puede verse en los resultados, variando la permitividad del material BST de 200 a 300 se consigue una variación en frecuencia de 4.15 GHz a 3.5 GHz con una distancia alrededor de 100 MHz entre frecuencias resonantes. Esto equivale a una variación de la frecuencia alrededor del 8% entre los valores de permitividad adyacentes.

A “metamaterial” by its widely accepted definition is an artificially engineered structure that gains its material properties from its structure as opposed to its intrinsic material composition. The field of metamaterials has gained much attention within the scientific community over the past decade. With continuing advances and discoveries leading the way to practical applications, metamaterials have earned the attention of technology-based corporations and defense agencies interested in their use for next generation devices. Frequency Selective Surfaces (FSS) are a potent variety of metamaterials that, depending on the surface geometry, can be used to engineer specific radiation properties such as directional emission, linear and circular polarized emission, and spectral selectivity. The elements of the FSS can either be patches or apertures, and in traditional designs, the FSS usually operates around the half-wavelength resonance of the elements. In this project a Frequency Selective Surface (FSS) is used in order to realize tunable metamaterials –a broad class of controllable artificially engineered metamaterials, and develop a tunable antenna operating at 2.4 GHz. The FSS consist of an array of square patches loaded with varactors and tunable ferroelectric thin film capacitors (BST) for external tuning of the effective medium parameters. Therefore a BST varactor is designed and located between the patches of the FSS. The effect of the Frequency Selective Surface is studied in two different antennas –an End-Loaded Planar Open-Sleeve Dipole (ELPOSD) and a Square Patch. An End-Loaded Planar Open-Sleeve Dipole consist of a conventional planar dipole with two closely spaced parasitic elements, or sleeves, and loaded stubs at the end of the dipole. The main benefits of this type of antennas is that in addition to retaining similar performance to that of conventional planar open-sleeve dipole, end-loaded planar opensleeve dipole (ELPOSD) antennas can be miniaturized. The Square Patch antenna used in this work is a conventional planar square patch feed with a microstrip line. Barium Strontium Titanate (BST) is a well-known ferroelectric material and up to now. A BST thin film is used to design the varactors, along with the Interdigital Capacitors (IDCs) geometry used in the metal layer. The overall antenna consists of a multilayer substrate with tunable FSS layer and dipole or patch antenna. The capacitance of the whole FSS changes introducing the BST ferroelectric material into the varactor. As can be seen in the results, by varying the BST permittivity from 200 to 300, a variation in frequency is achieved from 1.98 GHz to 1.717 GHz with a distance around 100 MHz between resonance frequencies, which equals a variation of the frequency about 8% in the adjacent permittivity values.