ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES Y DE TELECOMUNICACIÓN Titulación: INGENIERO DE TELECOMUNICACIÓN Título del proyecto: OPTIMIZACIÓN DE SUPERFICIES METAMATERIALES PARA SU APLICACIÓN EN EL DISEÑO DE ESTRUCTURAS SINTONIZABLES REDUCTORAS DE LA SECCIÓN RECTA RADAR Ismael Hernández Gómez Tutor: Juan Carlos Iriarte Galarregui Pamplona, 24 de Julio de 2015 ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES Y DE TELECOMUNICACIÓN Titulación: INGENIERO DE TELECOMUNICACIÓN Título del proyecto: OPTIMIZACIÓN DE SUPERFICIES METAMATERIALES PARA SU APLICACIÓN EN EL DISEÑO DE ESTRUCTURAS SINTONIZABLES REDUCTORAS DE LA SECCIÓN RECTA RADAR Ismael Hernández Gómez Tutor: Juan Carlos Iriarte Galarregui Pamplona, 24 de Julio de 2015 AGRADECIMIENTOS En primer lugar quiero agradecer a Juan Carlos por darme esta oportunidad de hacer el proyecto final de carrera con él. Gracias por todas las cosas que he aprendido “por tu culpa” a los largo de estos once meses. Gracias también por estar disponible casi las 24 horas del día, 7 días a la semana, no todos los profesores hacen esto. También agradecerte la paciencia que has tenido conmigo y por ser una fuente de esperanza cuando los resultados no acompañaban y tú me animabas a seguir adelante y buscar otras alternativas, aunque pensara que no iba a obtener ningún resultado bueno. También quiero dar las gracias a todos los profesores que durante estos 6 años me han formado y me han enseñado un poquito de su conocimiento para convertirme en lo que en pocas horas seré, Ingeniero de Telecomunicación. Mención especial a mi tutor de carrera, Javier Navallas por tener que aguantarme estos 6 largos años, por estar disponible para cualquier consulta en cualquier momento. También nombrar a Ramón Gonzalo por hacer que el mundo de las antenas me haya interesado tanto hasta tal punto de hacer este proyecto. Agradecer a mi compañera y amiga Cristina todo lo que me ha aportado durante estos años. Aunque no lo creas, has sido una fuente de inspiración, me has enseñado a valorar las cosas que tengo y has estado siempre que te he necesitado para hablar, soltar mis frustraciones y darme tu punto de vista de los problemas. Gracias también por tener que aguantarme todos los días y aguantar mis gracias, aunque también te has reído de mí bastantes veces. Espero y deseo que te vaya genial en tu nueva etapa porque realmente te lo mereces. Tampoco puedo olvidarme de mis compañeros de clase, que tantas cosas hemos vivido, tantas frustraciones pero también muchas alegrías. Nuestro cinéfilo Rubén, nuestro cerebrito Aritz, David y sus paranoias y “la chica” de clase Leyre, han sido 6 años con vosotros y al final se os coge cariño. Que os vaya bien en vuestras vidas. Gracias Mike por ser el mejor amigo que tengo. Nunca podré olvidar la infinidad de tardes los dos llorando de la risa por cualquier tontería, ni tampoco las charlas psicológicas que tenemos día sí y día también. Aunque seamos tan diferentes parece mentira que seamos tan buenos amigos. También quiero agradecer a mis padres todo lo que llevan haciendo por mí durante estos 24 años. Muchas veces no valoro todo lo que me dais, pero me doy cuenta que sin vosotros y vuestro apoyo incondicional no sería lo que soy ahora. Tampoco puedo olvidarme de mi hermano Raúl, el chiquitín de la casa, que ya es todo un hombre y que más que un hermano es un amigo, con el que siempre poder contar pase lo que pase. Ismael Hernández Gómez Universidad Pública de Navarra RESUMEN Una estructura chessboard es una superficie metamaterial compuesta por dos tipos de celdas con la que se busca reducir la reducción de la sección recta radar. Esta reducción se consigue generando una interferencia destructiva entre las reflexiones de ambas celdas. Para lograr este objetivo, se puede utilizar celdas PEC (“Perfect Electric Conductor”), que introducen un desfase de 180º a la onda reflejada, y celdas AMC (“Artificial Magnetic Conductor”) las cuales introducen un desfase de 0º para una frecuencia, denominada frecuencia de resonancia. Al combinar estos dos tipos de celdas en una estructura tipo chessboard se obtiene interferencia destructiva en una frecuencia. Si se cambia las celdas PEC por otro tipo de celdas AMC, se obtiene una estructura que funciona en dos frecuencias, coincidiendo con las frecuencias de resonancia de los AMC, debido a que los AMC lejos de la frecuencia de resonancia tienen el comportamiento de un PEC. Se puede conseguir que una estructura chessboard funcione en un ancho de banda si se conforma esta con dos tipos de AMC que mantengan 180º de diferencia entre sus curvas de fase en un ancho de banda amplio. En este Proyecto Final de Carrera se propone una mejora de la estructura chessboard. Se ha estudiado la viabilidad de hacer sintonizable una estructura variando el valor de la permitividad del substrato, para poder aumentar el ancho de banda en el que el chessboard reduce la sección recta radar. Se ha estudiado también que posibles tecnologías de sintonización se podían implementar, como cristales líquidos o BST. El proyecto comienza con un estudio de diferentes tipos de AMC para comprobar si existe una relación directa entre cómo de resonantes son las estructuras y cómo afecta el cambio del valor de la permitividad del substrato a estas celdas, para encontrar la que presente una mayor variación. Una vez escogida la estructura AMC, se ha hecho un estudio para encontrar dos tipos de celdas variando sus parámetros de diseño, con las que obtener interferencia destructiva en un ancho de banda. Una vez obtenidos estos dos AMC, se ha estudiado cúal es el comportamiento de una estructura chessboard conformada por estos dos tipos de celdas unitarias, ante un cambio del valor de la permitividad del substrato. Una vez que se ha demostrado que al cambiar el valor de la permitividad el rango de frecuencias en el que la estructura reduce la sección recta radar varía, se ha realizado un estudio para poder fabricar, con otro tipo de estructuras AMC, un chessboard para dos valores de permitividad, utilizando dos tipos de materiales de distinto valor de permitividad. Se ha comprobado que existe dicho desplazamiento frecuencial, siendo este un paso intermedio a la implementación de la tecnología de cristales líquidos. Para finalizar, una vez comprobado que la misma estructura con dos substratos diferentes funciona en distintos rangos de frecuencia, se ha adaptado este chessboard a Resumen I Ismael Hernández Gómez Universidad Pública de Navarra la tecnología de cristales líquidos. Al ser necesario alimentar las estructuras AMC para aplicar un voltaje y así polarizar los cristales para que cambie su valor de permitividad, se ha tenido que ajustar el tamaños de los AMC e incluir líneas de alimentación. Se ha simulado este chessboard para los valores de permitividad que tiene el cristal líquidos GT3-23001. Al final de la memoria se encuentran las conclusiones que derivan de este Proyecto Final de Carrera, junto con las posibles líneas futuras. Resumen II Ismael Hernández Gómez Universidad Pública de Navarra ABSTRACT A chessboard structure is a metamaterial surface composed by two types of cells which reduce the radar cross-section, by creating a destructive interference in between reflected fields in both cells. The phase difference that must exist between the two types of cells is 180º. Using PEC cells ("Perfect Electric Conductor"), which introduce a phase shift of 180° to the reflected wave, and AMC cells ("Artificial Magnetic Conductor”) which introduce a phase shift of 0º in one frequency, called resonant frequency, the destructive interference can be generated. If the PEC cells is changed by another AMC cell, a structure that works in two frequencies, one for each resonance frequency of the AMC, since the AMC away from the resonance frequency having behavior of a PEC is obtained. A broadband chessboard structure can be designed by keeping the 180º difference between phase reflection curves in a large bandwidth. In this Final Degree Project an improved chessboard structure is proposed. The feasibility of designing a tunable structure by varying the value of the permittivity of the substrate to increase the bandwidth in which the chessboard reduces the radar cross section has been studied. Also, tuning technologies that could be implemented, such as liquid crystals or BST, have been studied. The project begins with a study of different types of AMC to check if there is a direct relationship between how resonant structures are and how the change of the permittivity value of the substrate to these cells affects, to find which one has a greater variation. After selecting the AMC structure, a study to find two types of cells which present a broadband destructive interference has been done. Once these two AMC have been obtained, the behavior of a chessboard structure formed by these two types of unit cells, before a change in the value of the permittivity of the substrate has been studied. Once it has been shown that by changing the value of the permittivity the frequency range in which the structure reduces the radar cross section varies, a study to manufacture, a chessboard for two permittivity values has been done, using two types of materials with different permittivity value. It has been probed that there is a frequency shift by changing the permittivity value. This design is a preliminary step before implementing the structure in liquid crystals technology. The final liquid crystal design has been the permittivity variation given by the commercial liquid crystal GT3-23001. Finally, after checking that the same structure with two different substrates operates in different frequency ranges, it has been adapted to liquid crystals technologies. It has been necessary to feed the AMC structures to allow applying a voltage and polarizing the crystals to change the value of permittivity. Therefore, the sizes of the AMC need to be readapted and power lanes had to be included. The memory finishes with the conclusions derived from the Final Degree Project together with the future lines. Abstract III Ismael Hernández Gómez Universidad Pública de Navarra ÍNDICE RESUMEN I ABSTRACT III INDICE FIGURAS VI CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN 1 1.1. Estado del Arte 1 1.2. Objetivos del Proyecto 2 1.3. Estructura del Proyecto 2 CAPITULO 2. CONCEPTOS FUNDAMENTALES 5 2.1. RCS 5 2.1.1. Técnicas de Reducción de la RCS 6 2.1.2. Desventajas de la RCSR 9 2.2. Metamateriales 9 2.3. Estructuras Metamateriales 11 2.3.1. Estructuras EBG 12 2.3.2. Estructuras AMC 12 2.4. Chessboard 14 2.4.1. Grating Lobes 16 2.5. Tecnologías de Sintonización 18 2.5.1. Cristales Líquidos 18 2.5.2. BST 19 CAPITULO 3. ESTUDIO DE ESTRUCTURAS AMC 21 3.1. Introducción 21 3.2. Estructuras Simuladas 21 3.2.1. Cruces de Jerusalén 21 3.2.2. Parches metálicos 25 3.2.3. Esvástica 27 3.2.4. Parche Interdigital 29 Índice IV Ismael Hernández Gómez Universidad Pública de Navarra 3.3. Comparativa de las estructuras 33 CAPITULO 4. ESTUDIO DEL AMC ESVÁSTICA Y SIMULACIÓN DE LA ESTRUCTURA CHESSBOARD 36 4.1. Introducción 36 4.2. Esvástica 36 4.2.1. Estudio Estructura AMC 36 4.2.2. Simulación estructura chessboard 45 CAPITULO 5. SIMULACIÓN, FABRICACIÓN Y MEDIDA DE UNA ESTRUCTURA CHESSBOARD Y SU ADAPTACIÓN PARA EL USO DE CRISTALES LÍQUIDOS 51 5.1. Introducción 51 5.2. Estructura AMC con parches 51 5.2.1. Estudio estructura AMC 52 5.2.2. Simulación estructura chessboard 55 5.2.3. Fabricación de la estructura chessboard 60 5.2.4. Medidas y comparación de datos teóricos y experimentales 62 5.3. Diseño estructura con parches para LC 65 5.3.1. Estudio estructuras AMC 65 5.3.2. Simulación estructura chessboard 67 5.3.3. Implementación de cristales líquidos 70 CAPITULO 6. CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS 72 ANEXO I. OTROS TIPOS DE ESTRUCTURAS AMC ESTUDIADAS 75 1. Parrilla 75 2. Parche invertido 75 3. Parche circular 75 4. Parche circular con brazos 76 5. Esvástica modificada 76 PUBLICACIONES 77 Conferencias Nacionales 77 REFERENCIAS 82 Índice V Ismael Hernández Gómez Universidad Pública de Navarra INDICE FIGURAS Figura 2.1. Diferentes modos de medir la RCS, modo monoestático y modo biestático. 6 Figura 2.2. Método “Shaping” [Iri08]. ..................................................................................... 6 Figura 2.3. a) Material de carbono absorbente y b) recubrimiento interior de una cámara anecoica utilizando estos materiales (foto de la cámara anecoica de prueba Maxwell de la ESA). ........................................................................................................... 8 Figura 2.4. Estructura 3D metamaterial [REME, Red Española de Metamateriales]. ..... 10 Figura 2.5. Clasificación de los materiales [Eng06]. ............................................................ 11 Figura 2.6. Estructura EBG en 3D, Universidad Macquarie (Sydney, Australia)............ 12 Figura 2.7. Comportamiento de los campos en un a) PEC y un b) PMC y sus imágenes correspondientes. .............................................................................................................. 13 Figura 2.8. a) La capacidad en superficies de alta impedancia es debida a la proximidad de las placas y la inductancia es debida a la corriente entre las placas. b) La impedancia la superficie puede modelarse como un circuito paralelo resonante LC [Eng06]. .............................................................................................................................. 14 Figura 2.9. Fase de reflexión de una estructura AMC y su frecuencia de resonancia [Sie99b]. .............................................................................................................................. 14 Figura 2.10. Estructura chessboard. Celdas negras representan elementos PCE y las celdas blancas elementos AMC. El zoom muestra la celda unidad (2x2) [Paq07]. . 15 Figura 2.11. Modelo esquemático usado para el análisis teórico de la estructura chessboard [Iri08].............................................................................................................. 16 Figura 2.12. Características de radiación de la configuración presentada en la Fig. 2.11. En rojo los planos YZ y XZ y en verde el plano =45º [Iri08]. .................................... 17 Figura 2.13. Permitividad perpendicular y paralela con respecto a la dirección N [Jak04]. ................................................................................................................................ 18 Figura 2.14. Curva característica C-V del BST [Cur14]. ...................................................... 19 Figura 2.15. Representación esquemática de las aplicaciones del BST en circuitos integrados [Jul15]. ............................................................................................................. 20 Figura 3.1. Par de estructura AMC Cruz de Jerusalén y sus dimensiones (en mm) [Iri13]. ................................................................................................................................. 22 Figura 3.2. Curvas de fase para los valores de permitividad 7 (rojo), 10.2 (violeta) y 15 (azul) para la cruz de la figura 3.1 a)............................................................................. 22 Figura 3.3. Curvas de fase para los valores de permitividad 7 (rojo), 10.2 (violeta) y 15 (azul) para la cruz de la figura 3.1 b). ........................................................................... 23 Índice figuras VI