Diseño e implementación de una antena parche rectangular sintonizable en frecuencia usando un material artificial anisotrópico para la banda C

Abstract

En este trabajo de tesis se presenta el diseño, modelado, simulación, fabricación y validación experimental de una antena parche rectangular sintonizable en frecuencia para aplicaciones en la banda C (5–7 GHz). A diferencia de las técnicas convencionales de reconfiguración, que suelen depender de componentes activos como diodos PIN, dispositivos MEMS o cristales líquidos, la solución propuesta se basa en un mecanismo de sintonización puramente mecánico. Este enfoque reduce la complejidad electrónica, elimina pérdidas adicionales y mejora la estabilidad del sistema. La propuesta se fundamenta en el uso de un material dieléctrico artificial anisotrópico, creado a partir de una matriz tridimensional de cilindros metálicos embebidos en un sustrato al vacío. La altura de estos cilindros puede ajustarse mecánicamente, lo que permite modificar la permitividad efectiva del sustrato en la dirección del campo eléctrico aplicado. De este modo, se logra desplazar la frecuencia de resonancia de la antena sin alterar la geometría del parche ni introducir nuevos elementos electrónicos. La metodología de diseño incluyó el modelado de la celda unitaria del material anisotrópico, el cálculo de las dimensiones físicas de la antena mediante el modelo de línea de transmisión, y la simulación electromagnética del sistema completo en CST Studio Suite 2024. A partir de una frecuencia central de 5.8 GHz, se optimizaron las dimensiones del parche (20.4 mm × 15.9 mm) y se definió una matriz de 33 × 38 cilindros con una separación de 1 mm y diámetro de 0.5 mm. La altura de los cilindros se ajustó entre 1 mm y 2 mm, lo que permitió alcanzar valores de permitividad efectiva entre 1.67 y 5.32. Se fabricó un prototipo funcional con una estructura compuesta por un parche de latón, un plano de tierra de cobre y una base deslizante que permite insertar los cilindros a distintas alturas. La antena fue alimentada mediante un conector coaxial tipo SMA, soldado directamente entre el plano de tierra y el parche. Los resultados de simulación y medición fueron consistentes entre sí. Las pruebas experimentales mostraron múltiples resonancias bien definidas a lo largo del rango de operación, con pérdidas de retorno inferiores a -15 dB y un ancho de banda promedio de 365 MHz. En cuanto al comportamiento radiado, la antena alcanzó una ganancia entre 7.3 dBi y 9.2 dBi, con una relación Front-to-Back superior a 18 dB y un patrón de radiación direccional adecuado. En conclusión, esta antena parche rectangular sintonizable demuestra ser una alternativa práctica, eficiente y de bajo costo para aplicaciones que requieren flexibilidad en frecuencia sin el uso de elementos activos. La arquitectura propuesta puede integrarse fácilmente en sistemas modernos de comunicaciones inalámbricas, sensores, laboratorios y plataformas multibanda, especialmente en la banda C.