Diseño de agrupación de antenas con estructuras metamaterial de tamaño sub-lambda sobre tecnología SIW
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2026-05-11
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Universidad Distrital Francisco José de Caldas
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Gaviria Prieto, David Fernando (2026). Diseño de agrupación de antenas con estructuras metamaterial de tamaño sub-lambda sobre tecnología SIW. Universidad Distrital Francisco José de Caldas. https://hdl.handle.net/11349/101617
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Resumen
This research presents the design, modeling, and experimental validation of a high-directivity radiating element array operating in the X-band (9.25 GHz), based on the integration of Substrate Integrated Waveguide (SIW) technology with subwavelength complementary elliptical metamaterial resonators (CELC), aiming to develop a compact and efficient structure for high-frequency applications. The proposed architecture employs an SIW waveguide that feeds non-resonant slots responsible for exciting the CELC cells, while also incorporating segmented cavities to reduce mutual coupling between elements and suppress higher-order propagation modes, such as TE20. Through a parametric optimization process supported by electromagnetic simulations, the geometric dimensions of the system were adjusted to maximize magnetic coupling, improve power transfer, and enhance radiation efficiency. Experimental validation carried out in the laboratory confirmed the proper operation of the proposed structure, achieving a radiation efficiency greater than 81%, a gain of 10.23 dBi, and a bandwidth of up to 350 MHz, together with an adequate impedance matching reflected by an S11 parameter of -40.68 dB. The discrepancies observed between simulated and experimental results are mainly attributed to manufacturing tolerances, real material losses, and parasitic reactances present in the physical implementation. Overall, the obtained results demonstrate the potential of the SIW-Cavity-CELC structure as a compact and efficient alternative to conventional resonators, while also highlighting its potential for future applications in higher-frequency bands and dynamic metasurface architectures.
Descripción
Esta investigación presenta el diseño, modelado y validación experimental de una agrupación de elementos radiantes de alta directividad operando en la Banda X (9.25 GHz), basada en la integración de tecnología de Guía de Onda Integrada en Sustrato (SIW) con resonadores metamateriales elípticos complementarios (CELC) de tamaño sub-longitud de onda, con el propósito de desarrollar una estructura compacta y eficiente para aplicaciones de alta frecuencia. La arquitectura propuesta emplea una guía SIW que alimenta ranuras no resonantes encargadas de excitar las celdas CELC, incorporando además cavidades segmentadas para reducir el acoplamiento mutuo entre elementos y suprimir modos de propagación superiores, como el TE20. Mediante un proceso de optimización paramétrica apoyado en simulaciones electromagnéticas, se ajustaron las dimensiones geométricas del sistema para maximizar el acoplamiento magnético, mejorar la transferencia de potencia y aumentar la eficiencia de radiación. La validación experimental realizada en laboratorio confirmó el correcto funcionamiento de la estructura, alcanzando una eficiencia de radiación superior al 81%, una ganancia de 10.23 dBi y un ancho de banda de hasta 350 MHz, junto con una adecuada adaptación de impedancias reflejada en un parámetro S11 de -40.68 dB. Las diferencias observadas entre los resultados simulados y experimentales se atribuyen principalmente a tolerancias de manufactura, pérdidas reales de los materiales y reactancias parásitas presentes en la implementación física. En conjunto, los resultados evidencian el potencial de la estructura SIW-Cavidad-CELC como una alternativa compacta y eficiente frente a resonadores convencionales, además de proyectar futuras aplicaciones en bandas de frecuencia superiores y en arquitecturas de metasuperficies dinámicas.
