Durante los últimos años las tecnologías relacionadas con la fabricación de nuevos materiales se han desarrollado espectacularmente, gracias a lo que se puede diseñar y construir materiales con propiedades exóticas o extremas que no se encuentran en la naturaleza. Entre las nuevas técnicas de fabricación se encuentran la distribución de partículas eléctricamente pequeñas dentro de un medio matriz. La geometría de las partículas y su colocación puede diseñarse para obtener materiales con propiedades electromagnéticas novedosas como refracción negativa, alta permitividad o permeabilidad, gran absorción, actividad electromagnética, etc. En el campo de la ingeniería de microondas se han publicado durante los últimos años cientos de trabajos que están revolucionando la forma de concebir esta disciplina. Los metamateriales electromagnéticos han abierto nuevos caminos hacia la miniaturización, diseños multi-banda, banda ultra ancha, etc. Los nuevos conceptos han encontrado aplicación tanto en dispositivos activos como pasivos, en bandas de frecuencia que van desde los pocos GHz hasta los THz y las frecuencias ópticas. Se han implementado diseños utilizando una gran variedad de tecnologías y su utilidad se ha mostrado en todo tipo de dispositivos, desde las líneas de transmisión hasta las antenas. Los principales logros y el estado científico actual pueden encontrarse en varios libros monográficos de reciente publicación [Marqués, 2007], [Capolino, 2009] y en números especiales de revistas de ingeniería de primer nivel [JSTQE, 2010], [IETMAP, 2010].
La posibilidad de construir metamateriales utilizando estructuras de tipo “panal” (honeycomb), apareció en los años 90 como técnica para implementar absorbentes de microondas [Liying, 1992] o en cristales fotónicos [Sun, 1999]. En la década de los 2000 se utilizan para conseguir índices de refracción negativos [Gajić, 2006]. Más recientemente se ha propuesto la realización de “chiral honeycombs” para realizar absorbentes electromagnéticos, principalmente para aprovechar sus propiedades mecánicas [Bornengo, 2005], [Kopyt, 2010], centrándose en dichas propiedades mecánicas y en sus propiedades dieléctricas. Sin embargo, al ser estructuras bidimensionales, realmente no son quirales en el espacio tridimensional, con lo que no presentan el comportamiento electromagnético característico de los medios quirales (rotación del plano de polarización, dicroísmo,…). Hasta la fecha, a nuestro conocimiento, no se ha propuesto ninguna estructura quiral de tipo honeycomb en tres dimensiones.
Desde hace varias décadas se ha estudiado de forma teórica la propagación en guías de onda con material quiral [Engheta, 1989], [Lindell, 1994], [Janeiro, 2002], [Topa, 2010], aunque es más raro encontrar estudios experimentales. En el proyecto anterior se inició el estudio experimental del efecto de la presencia de material quiral en guía y línea microstrip, de forma similar a como se describe en [Yang, 1999], es decir, no planteamos un problema de propagación en guía quiral al modo de los estudios mencionados, sino cómo afecta la presencia del quiral colocado en la pared de una guía o en el substrato de una línea microstrip. Se han encontrado comportamientos de bandas prohibidas (Electromagnetic Band Gap, EBG) que deben ser estudiados en mayor profundidad.
Las pérdidas en las resonancias asociadas a las partes metálicas de las estructuras podrían disminuir utilizando estructuras dieléctricas. En [Kopyt, 2010] se presenta un “chiral honeycomb” compuesto exclusivamente por dieléctricos, con las características mencionadas anteriormente (bidimensionalidad); en cambio, en [Zhang, 2006] y [Bai, 2009] el material sí muestra propiedades quirales, pero a frecuencias ópticas: la ventaja consiste en utilizar materiales transparentes en la frecuencia de trabajo para así poder medir la transmisión. Hasta donde sabemos, no se han realizado estructuras periódicas quirales a frecuencias de microondas o terahertzios únicamente con dieléctricos. Una elección ineludible a considerar en la fabricación de las muestras es el grafeno, aislado en 2003 [Novoselov 2004]. Su estructura y sus propiedades han sido estudiadas extensamente a nivel químico, deseando aplicarlo en sectores como la microelectrónica, la energía, la aeronáutica o los biomateriales. Los resultados en microondas empiezan a aparecer en la literatura [Padooru 2013].
Un modo alternativo de alterar la polarización de la radiación es utilizando estructuras complementarias. En ellas, en lugar de distribuciones de cruces, manivelas, codos, etc. metálicos sobre un substrato dieléctrico, se realiza un “negativo” de la misma, metalizando planos paralelos en los que se practican aberturas con la forma deseada [Li, 2011], [Ding, 2012]. Una ventaja que tiene esta aproximación es que la estructura es opaca fuera de la banda de interés. Por otro lado, la propia naturaleza de dicha estructura podría hacer posible la aparición de otros fenómenos, tipo EBG o Extraordinary Electromagnetic Transmission (EET).
Las geometrías utilizadas para producir EET también han mostrado la posibilidad de controlar la polarización de la onda transmitida mediante el diseño de los agujeros con geometría asimétrica [Pournoury, 2012]. Estos sistemas están constituidos generalmente por una red rectangular de agujeros sublongitud de onda practicados en una lámina metálica. Adicionalmente se han estudiado sistemas de transmisión extraordinaria que presentan comportamiento quiral e incluso de tipo “left handed”; esto se ha logrado, por ejemplo, con conjuntos de planos metálicos paralelos, cada uno de ellos conteniendo redes bidimensionales de agujeros [Beruete, 2007a, 2007b]. También con un solo plano metálico con su red rectangular de agujeros si éstos están diseñados interiormente, por ejemplo, con una estructura roscada [Miyamaru, 2006]. El fenómeno de la transmisión extraordinaria se ha estudiado preferentemente en el rango de los THz, donde se ha explicado en términos de Surface Plasmon Polaritons (SPP). No obstante, este fenómeno de transmisión extraordinaria a través de agujeros sublongitud de onda practicados en láminas metálicas también se presenta en el rango de microondas donde se ha explicado en términos de parámetros circuitales [Medina, 2010].
Las superficies de alta impedancia (High-Impedance Surface o HIS), como su nombre indica, presentan una impedancia muy alta dentro de una banda de frecuencias específica. Suelen consistir en una lámina de circuito impreso conductora con salientes metálicos (que pueden ser de distintos tipos). En 2003, se propone el uso de diodos varactores con el fin de sintonizar la impedancia de la superficie controlando la frecuencia de resonancia y, por tanto, la fase en la reflexión [Sievenpiper, 1999, 2003], siendo una técnica bastante utilizada posteriormente [Luukkonen, 2008]. Las HIS también presentan una banda de supresión de las ondas electromagnéticas propagantes y por tanto tienen una aplicación directa como supresores de frecuencia [Landy, 2008]. Ambos comportamientos dependen del ángulo de incidencia y de la polarización de la onda electromagnética. Por ejemplo, [Hashemi, 2013] realiza un estudio numérico de una estructura AMC (Artificial Magnetic Conductor) para todo el espectro angular y ambas polarizaciones (TE y TM) con una única frecuencia de resonancia, utilizando inclusiones Split Ring Resonators (SRR) sobre un substrato dieléctrico.
Los grupos solicitantes del proyecto vienen trabajando desde hace una década en metamateriales quirales formados a base de inclusiones metálicas en substrato dieléctrico de distintas estructuras conductoras y dieléctricas. Podemos destacar que el grupo de la Universidad de Murcia (UM) ha diseñado, construido y caracterizado experimentalmente muestras con actividad electromagnética basadas en la distribución aleatoria de hélices [Molina-Cuberos, 2005]. Con el objetivo de solventar algunos problemas intrínsecos a la técnica de fabricación, se sustituyeron las hélices por manivelas, demostrando la posibilidad de utilizar estructuras distintas a la hélice [Molina-Cuberos, 2009], [García-Collado, 2010]. En la línea de un proyecto anterior, sustituimos la distribución aleatoria en resina por la localización de las estructuras en redes bidimensionales, aumentando enormemente los efectos de polarización de las estructuras y abriendo un abanico de posibilidades en la experimentación [Barba, 2010], [Molina-Cuberos, 2011].
Desde el punto de vista numérico, los grupos de la Universidad de Cantabria (UC) y de la Universidad de Valladolid (UVa) acumulan una larga experiencia trabajando tanto en el dominio de la frecuencia como del tiempo. En lo que se refiere a técnicas numéricas en el dominio de la frecuencia, se ha trabajado principalmente con el Método de Modos Acoplados (MMA). De hecho, el grupo de la UC fue pionero en la aplicación de este método para estudiar guías de onda conteniendo ferritas y/o medios quirales [Vegas, 1993], [Solano, 1993], [Gómez, 2010]. El MMA, basado en una técnica del Método de Momentos, resulta especialmente indicado para el cálculo de diagramas de dispersión de guías de onda que contienen medios complejos. En el dominio del tiempo, el método FDTD es un método muy maduro implementado en muchos simuladores comerciales. Sin embargo, presenta el inconveniente de ser un método condicionalmente estable. Esta limitación puede resultar especialmente crítica en el modelado de medios complejos artificiales. En este tipo de problemas, el modelo debe recoger detalles finos de la estructura del material, por lo que el paso temporal resultante de la condición de estabilidad puede ser mucho menor que el demandado simplemente por criterios de exactitud, haciendo que el método FDTD resulte ineficiente o incluso inutilizable. Para solventar las limitaciones del método FDTD convencional se han propuesto métodos incondicionalmente estables, como el método de la Dirección Implícita Alternante (ADI-FDTD). En proyectos anteriores, miembros del GE-UC y del GrECo-UVa desarrollaron extensiones y mejoras del método ADI-FDTD [Pereda, 2009a, 2009b, 2010, 2012], [Grande, 2013, 2014a, 2014b]. No obstante, el método ADI-FDTD sigue presentando serias limitaciones, como pérdida de exactitud, divergencia no nula o propagación asimétrica [García, 2006].
El proyecto coordinado propuesto reúne a tres grupos de investigación reconocidos a nivel nacional e internacional: Grupo de Electromagnetismo de la Universidad de Murcia (GE-UM), Grupo de Electromagnetismo Computacional de la Universidad de Valladolid (GrECo-UVa) y Grupo de Electromagnetismo de la Universidad de Cantabria (GE-UC). La actividad y experiencia conjuntas de los grupos solicitantes se remonta a 15 años atrás y se ha mantenido hasta la actualidad con el desarrollo de diversos Proyectos de Investigación.
Estos grupos presentan capacidades científicas y técnicas singulares en el campo de los medios complejos (quirales, ferritas magnetizadas, metamateriales…): caracterización experimental, modelado numérico de estructuras que contienen este tipo de medios, tanto confinados en guías de onda como en abierto, desarrollo de herramientas numéricas propias, “in house”, en el dominio del tiempo y en el dominio de la frecuencia.
Con el planteamiento de este proyecto coordinado se pretende articular las capacidades anteriores en torno a la generación y desarrollo de soluciones avanzadas en Tecnologías de las Comunicaciones para nuevos dispositivos (pasivos y antenas) susceptibles de ser utilizados en comunicaciones por satélites, sistemas de detección (seguridad, médicas),… los cuales demandan, cada vez más, mayores prestaciones en potencia y frecuencia. En este ámbito concreto de actuación resulta muy complicado lograr objetivos de cierta envergadura trabajando de forma individual.
De acuerdo a estas exigencias se debe dar respuesta a diversas necesidades multidisciplinares que involucran capacidades muy variadas en muy diversos ámbitos (electromagnetismo aplicado, análisis, efectos de alta potencia, nuevas técnicas de fabricación y validación experimental de prototipos).
Con el objeto de avanzar en los objetivos propuestos se plantea un proyecto coordinado, de título "Medios Electromagnéticos Complejos: Modelado, Optimización y Aplicaciones" (MECOMOA), que indica el objetivo global común de todos los equipos e investigadores participantes y que para su consecución de forma realista se organiza en los siguientes tres subproyectos, interrelacionados y con finalidades complementarias.
El Subproyecto 1, a realizar por el GE-UM y titulado “Metamateriales Basados en Redes Complejas: Optimización de Respuesta y Aplicaciones en Microondas” (MOyA), actuará como coordinador del proyecto conjunto y se dedicará a diseñar, fabricar y caracterizar experimentalmente materiales con alta actividad electromagnética y bajas pérdidas tanto en medio libre como guiado con el objetivo final de aplicar los conocimientos adquiridos en el desarrollo y mejora de parámetros de antenas. Además se estudiarán otras aplicaciones en elementos como filtros y dispositivos de generación de superficies de contorno. Para lograrlo colaborará con el Subproyecto 2 (i) desarrollando modelos circuitales y/o fenomenológicos adaptados a las características propias de los medios propuestos y (ii) estudiando las características de propagación de estructuras de guiado que incluyan los medios diseñados. Los análisis numéricos se realizarán mediante simulación electromagnética utilizando CST Microwave STUDIO y algoritmos FDTD (Diferencias Finitas en el Dominio del Tiempo) del GrECo-UVa, mientras que el grupo GE-UM contrastará los resultados con medidas experimentales. Por otro lado, colaborará con el Subproyecto 3 a través de sus conocimientos experimentales en (i) el estudio y caracterización de estructuras metamateriales planas con simetría quiral y (ii) el desarrollo de nuevas técnicas experimentales, para la caracterización de metamateriales quirales, basadas en incidencia sobre los medios con ondas polarizadas circularmente (RCP y LCP, de las siglas en inglés).
En el Subproyecto 2, a desarrollar por GrECo-UVa y titulado “Optimización y Modelado de Medios Complejos Orientados a Aplicaciones en Tecnologías de Comunicaciones” (OMECATEC), se abordará, adicionalmente a lo mencionado en el párrafo anterior, la optimización de las estructuras diseñadas para su aplicación como HIS metamateriales en líneas de transmisión y antenas microstrip. Además de la coordinación con el Subproyecto 1 (ver párrafo anterior), aunará su larga experiencia en el desarrollo de métodos numéricos con GE-UC (Subproyecto 3) para abordar de manera conjunta el desarrollo de extensiones y análisis de métodos FDTD en la resolución de problemas de modelado de medios complejos artificiales.
Finalmente, el Subproyecto 3, “Dispositivos de Altas Prestaciones basados en estructuras con medios complejos y/o metamateriales para propagación guiada y antenas” (DALPRES), será realizado por GE-UC y se centrará en analizar estructuras básicas de dispositivos embarcados en el espacio, desarrollo y mejora de métodos FDTD incondicionalmente estables, en colaboración con el Subproyecto 2, y diseñar y caracterizar estructuras metamateriales quirales planas susceptibles de ser utilizadas en nuevos dispositivos radiantes para controlar tipos de polarización y bandas de frecuencia de funcionamiento (tarea coordinada con el Subproyecto 1).
La vertebración de los tres subproyectos en el ámbito de este Proyecto Coordinado tiene un doble valor añadido. Por un lado permite la especialización de cada grupo en sus líneas de investigación propias (tradicionales): análisis numérico de estructuras metamateriales mediante el uso de herramientas de simulación propias (GE-UC y GrECo-UVa), implementación de modelos circuitales (GrECo-UVa) y caracterización experimental de materiales (GE-UM). Por otro lado, se potencia un flujo de conocimiento entre los grupos que amplía sus campos de actuación y que favorece la realización de las distintas tareas, que de otro modo se verían como mínimo ralentizadas.
