1. INTRODUCCIÓN

En el desarrollo de este artículo de revisión documental, se estudiará a fondo los metamateriales, desde el estado del arte (sus antecedentes) hasta la aplicación de estos elementos en diferentes investigaciones de ingeniería,con el fin de facilitar la implementación de estos dispositivos en la vida diaria.

Particularmente, se centrará en el resultado de las aplicaciones de los metamateriales, su implementación en antenas textiles, su aporte a la medicina y también a la creación de placas para dispositivos tecnológicos que proveen mejor rendimiento en transmisión y recpeción de ondas electromagnéticas.

Estas antenas respondenel requerimiento de los usuarios parala adaptación a nuevos protocolos de comunicación:desde redes PAN hasta las nuevas redes WBAN. En consecuencia, en esta revisión documental,se compendianlas actuales aplicaciones tecnológicasde estos dispositivos ylos materiales subyacentes que permiten el desarrollo de su tecnología.[1].

2. ESTADO DEL ARTE: METAMATERIALES Y SU APLICACIÓN EN ANTENAS TEXTILES

Los materiales conocidos como “metamateriales” son masas estructuradas que contienenelementos de composición inusuales, estos compuestos no se hallan en la naturaleza.En efecto, sus propiedades intrínsecasson derivadas de la distribución de su estructura, más que de sus componentes elementales.

Décadas atrás, en el año 1968, Víctor Veselago, quien fuera físico de la antigua Unión Soviética,impulsó la idea de materiales electromagnéticos doblemente negativos, lo que se denomina hoy día“metamateriales”; estos, proveen de permitividad eléctrica y permeabilidad magnética negativas[2]. Para aquel entonces, seconocía que la permitividad y la permeabilidad dependen de la frecuencia.

Con base en ese conocimiento, el científico se cuestionóuna interrogante relevante:¿Quéocurriría si las ondas electromagnéticas se propagaran en un medio con ambos parámetros negativos?[2]. Gracias al resultado de su investigación, hoy día se puede calcular una velocidad de fase negativa, que implica queelcurso de la onda electromagnética se traslade en sentido contrario a la transmisión de la energía.Ello, dio como derivación lo que ahora se conoce como metamaterial con índice de refracción negativo.

Veintiocho añosmás tarde (1996), Sir John Pendry, perteneciente al Imperial College de Londres, fue quien teorizó una maneramás sencilla de implementar un metamaterial electromagnético por vez primera[3].Con la ayuda de sus compañeros, obtuvo un material artificial con permitividad dieléctrica negativa. No obstante, lo que significaba undesafío realmente complicado era cómo obtener metamateriales que presentaran una permeabilidad magnética no positiva, puesto que, en la naturaleza ya existen medios que presentan permitividad dieléctrica negativa: los “ferroeléctricos”.

Tres años después, en 1999, Pendry con ayuda de sus compañeros, idearon una manera de poder conseguiruna permeabilidad negativa mediante resonadores, con forma de “C”[3].

Un año más tarde, en la misma universidad y conbase en la investigación de Pendry, David Smith diseñó por primera vez un metamaterial que presentaba simultáneamente ambos parámetros no positivos; esto permitió laexperimentación de un materialcon índice de refracción negativo (ver Figura 1). Así,se abrió el camino a la creación de grandes fenómenoscomo, por ejemplo: la super resolución y el manto de invisibilidad a nivel molecular[4].

Ahora bien, la aplicación de metamateriales para la fabricación de antenas textiles es un tema reciente, que se inició al alrededor del año 2005. Actualmente, se han diseñado muchas aplicaciones para estos dispositivos; la fabricación de estas antenas textiles, basadas en metamateriales, surge de la necesidad de los usuarios de adoptar nuevas redes de comunicación. Por otro lado, se han conseguido diseñar nuevas alternativas adaptadas a estos elementos que permiten el intercambio de información, incrementando las posibilidades de ser implementadas en nuevos proyectos.

Figura 1
Índice de refracción en rojo y factor de ganancia en amarillo

3. LOS METAMATERIALES

Los metamateriales están definidos como estructuras homogéneas, que proveen características físicas no comunes, e incluso, no presentes en la naturaleza[5]. Según el Instituto Europeo Virtual para Materiales Electromagnéticos Artificiales y Metamateriales son “una disposición artificial de elementos estructurales, diseñada para conseguir propiedades electromagnéticas ventajosas e inusuales”.

Como resultado, solamente pueden conseguirse en laboratorios, y se distinguenpor tener propiedades macroscópicas diferentes a las propiedades sus componentes, las cuales están en función de su estructura fisicoquímica y no de su composición[5].

Desde otra perspectiva, los meta materiales tienen capacidades intrínsecas para curvar la sondas electromagnéticas[6].Aun cuando, todos los compuestos naturales tienen un índice de refracción positivo (el índice de refracción es una medida de cuánto se desvían las ondas electromagnéticas al pasar de un medio a otro), los metamateriales pueden tener un índice de refracción negativo, lo que significa que, las ondas incidentes se desvían simétricamente a la perpendicular de la superficie que separa los medios[7], como se puede visualizar en la Figura 2.

Por esta razón, también se les denomina materiales “zurdos”, dado que poseen un índice de refracción en dirección contraria a la natural: en relación con la normal de la superficie [8].

Figura 2
Representación esquemática de la refracción positiva y negativa.

Para que un metamaterial tenga propiedades de compuesto homogéneo con refracción no positiva, se requiere que la dimensión de sus elementos sea inferior a la longitud de onda de la radiación incidente. De otra forma, no corresponderían a metamateriales sino a «cristales fotónicos» con un índice de refracción positivo[9]. Es decir, que el signo del índice de refracción va a depender de la interacción entre el tamaño máximo de los componentes del metamaterial y la longitud de onda de la radiación incidente.

En definitiva, la facultad de los metamateriales para dirigir el camino de transmisión de las ondas (sean magnéticas, mecánicas, sísmicas, etc.) es el factor que hace posible las diferentesadaptaciones que, incluso hoy,sea difíciles de inferir[10].

Con base en lo anterior, los metamateriales se utilizan para ampliar las diferentes estructuras que son periódicas y que, a su vez, llevan a cabo una combinación de los medios físicos.

3.1. Propiedades y características

A saber, las propiedades electromagnéticas de cualquier material existente pueden ser determinadas a partir de dos parámetros: la permeabilidad y la permitividad [11].Estas características también permiten definir el comportamiento del elemento cuando interactúa con una onda electromagnética.

Así, substancialmente, no está definido un límite para el intervalo de valores que los dos parámetros electromagnéticos puedan tomar[12]. Por tanto, es posible crear a voluntad elementos con propiedades de respuesta electromagnética determinadas no naturales. De ahí, que los elementos “zurdos”, se les atribuye este nombre porque los vectores de campo se rigen en su interior están ligados por la regla de la mano izquierda, análoga a la tradicional ley de la mano derecha (ver Figura 3).

Además, los metamateriales se componen de geometrías periódicas con extensiones menores a la longitud de onda incidente, de forma que su diseño actúe como un medio efectivo y pueda ser modelada. En este punto, el propósito de esta revisión documental es presentar los principios y fundamentos de estos compuestos, tal que despierte el interés de lectores no especializados.

Figura 3
propiedades de los metamateriales

3.2. Aplicaciones de los metamateriales

Con la implementación de los metamateriales, se pueden optimizar las funcionalidades de sistemas electrónicos y ópticos, también facilita la introducción de cambios verdaderamente novedosos favorecedores en sectores relacionados con dichas tecnologías[13].

De forma puntual, las aplicaciones de los metamateriales han ido incrementado en los últimos años; utilización en cristales ópticos, diseño de líneas de transmisión, aprovechamiento de la energía solar, entre otras.

3.2.2. Desarrollo de metamateriales fotónicos tridimensionales

Los compuestos en cuestión están construidos a medida por bloques de longitud de onda metalo-dieléctrica, sea micro o nanoestructurada [15]. Bajo esta teoría, se han desarrollado diferentes propiedades ópticas nuevas e inusuales, como, por ejemplo: el magnetismo en frecuencias ópticas, índice de refracción adaptativo, reflejo cero a través de adaptación de impedancia, absorción perfecta, dicroísmo circular gigante, entre otras propiedades ópticas no lineales.

En este punto, las posibles aplicaciones de los metamateriales incluyen sistemas de imagen de alta resolución (HD), óptica de polarización compacta y dispositivos de camuflaje. Esta revisión describe el progreso reciente en la fabricación de estructuras metamateriales tridimensionales y analiza algunos de los desafíos restantes.

Figura 4
Tarjeta fotónica a base de metamateriales

3.2.3. Sensor de con permitividad dieléctrica relativa

La mayoría de los sensores de microondas diseñados para calcular la permitividad pueden, al tiempo, captar datos acerca de características como temperatura, humedad, concentración, composición, densidad, entre otras [16]. Con base en lo antes descrito, una de las técnicas más utilizadas para dichas mediciones es la utilización de resonadores; puesto que presentan un buen factor de calidad y porque son altamente sensibles a los cambios del medio que los rodea [16].

Para introducir en el tema de la creación de este tipo de sensores, se describe el método electromagnéticoutilizado, que consiste en el uso de antenas de microcinta, que son flexiblesy posibilitan la fabricación de sensores cada vez reducidos en dimensión. Tal alternativa significa una ventaja, puesto que no se requieren mucho volumen de las muestras que se desean analizar, lo que significa que es favorable económicamente;otra ventaja es su sencillez.

De hecho, para la creación de este tipo de sensores, se emplea una línea de microcinta, en la cual el compuesto en cuestión se ubica de modo que atenúe la potencia eléctrica de la antena (Figura 5). Por otra parte, esta opción posibilita la medición del espectro de frecuencias cuando se empleaen resonancia, su metodología métrica se fundamenta en determinar el desfase del espectro al alterar el medio que interactúa con el sensor [17].

En los resultados se muestran en que, cuando se aumenta la permitividad del medio, se reducen las perdidas por retorno. En otras palabras, se irá produciendo un mayor acople de la radiación entre la línea de transmisión y el resonador. Es probable que se generen cambios en la fuerza, lo que permitiría la aplicación de técnicas espectrales o medidores de fuerza para la creación de un sensor basado en dicha estructura.

Figura 5
Representación esquemática del sensor

4. APLICACIÓN DE LOS METAMATERIALES EN LAS ANTENAS TEXTILES

A continuación, se presentan estudios de la aplicación de los metamateriales, en conjunto con otros materiales complementarios, en la fabricación de diferentes antenas textiles.

4.1. Materiales para la Construcción

Primeramente, es importante conocer cuál antena se pretende diseñar y en base a ello, el material a usar. Se describe la creación de la antena como un proceso donde los materiales deben ser unidos entre sí mediante un procedimiento en particular, de acuerdo con el material seleccionado [18].

En particular, el sustrato es el material que se usa como una base para la creación del tag, el cual sostiene la antena y el microchip. Este componente, es la base fundamental del funcionamiento de la antena, ya que permite la formación de campos electromagnéticos alrededor de él, esto se conoce como polarización del materialy, desarrolla la irradiación de la antena[19].

En virtud de ello, los metamateriales son usados para la fabricación de antenas textiles (Figura 6), ya que poseen la mínima constante dieléctrica, lo que reduce la superficie de las pérdidas de onda y optimiza el ancho de banda de impedancia.

Figura 6
Antena textil

4.2. Tipos de Antenas Textiles

Existen en el mercado varios tipos de antenas, las dos más importantes se describen en la Tabla 1.

Tabla 1

tipos de antenas más comunes

4.3. Alimentación Eléctrica

En este apartado, se describen los tipos de alimentación eléctrica y las ventajas y desventajas de cada uno de ellos.

4.3.1. Cable coaxial rígido

Ventajas: el extremo del cable coaxial puede hacer contacto con cualquier punto de una antena plana.

Desventajas: no es flexible y, por ende, no se adapta a las deformaciones de la tela.

Figura 7
Conector coaxial en antena plana

4.3.2. Línea de alimentación microstrip en el substrato

Ventajas: garantiza estructura plana (no como el caso del coaxial) y permite el montaje de componentes electrónicos directamente en la proximidad de la antena

Desventajas: posibles radiaciones parásitas de la línea de alimentación. Acoplamiento electromagnético parasitario entre la antena, la línea de alimentación y el transceptor.

Figura 8
Línea de alimentación microstrip

5. APLICACIONES DE LOS METAMATERIALES

5.1. Materiales Textiles en el Diseño de Antenas

En el amplio contexto de Wireless Body Sensor Networks para aplicaciones de salud y generalizadas, el diseño de antenas portátiles ofrece:

Figura 10
Beneficios de antenas portátiles

En específico, los requerimientos para las antenas portátiles son: que esté compuesta de una estructura plana y que los materiales para su construcción sean flexibles (con capacidad de adaptación).

Ahora bien, muchas de las propiedades que componen estos materiales influyen en el comportamiento de la antena. Por ejemplo, el ancho de banda y la eficiencia de una antena de micro banda plana se determinan por la permitividad y el grosor del sustrato[22].

En definitiva, la utilización de materiales textiles en antenas portátiles exige la caracterización de sus propiedades. Las telas comunes se han implementado como sustrato, sin embargo, se puede encontrar poca información sobre las propiedades electromagnéticas de los textiles regulares. [23]. Asimismo, las telas son elementos porosos, anisotrópicos y comprensibles en los cuales su espesor y densidad pueden cambiar a bajas presiones [24]. Por ende, es importante conocer cómo estas características influyen en el comportamiento de la antena para minimizar los efectos no deseados. En otras palabras, el uso de materiales textiles en antenas portátiles se basa en la composición de cada una de sus propiedades.

Grosso modo, los materiales textiles contienen una constante dieléctrica significativamente leve, esto disminuye las pérdidas de onda de la zona e incrementa el ancho de banda; y también comparten moléculas constantemente, estas son moléculas de agua con el entorno, factor que incide en sus propiedades electromagnéticas.

5.2. Antenas Textiles Portátiles

El desarrollo de dispositivos portátiles de bajo consumoha impulsado la implementación de protocolos WBAN[25].Y, con el fin dedisminuirel tamaño de dichos dispositivosy suconsumo energético, se diseñanantenas flexibles que puedan integrarse en la ropa.

En contexto, las antenas textiles pueden utilizarse en dispositivos que detecten el movimiento del cuerpo durante la actividad física, monitoreando la frecuencia cardíaca y la presión sanguínea, y ser aplicadas por un personal de respuesta de emergencia como bomberos o agentes de policía[25].

5.2.1. Material de la antena

El material utilizado, para la creación de estas antenas, es un tejido patentado de poliéster recubierto de cobre y níquel (Figura 11) que está destinado principalmente a protegerlas contra la radiación de radiofrecuencia [26].

Tal clase de material es flexible, liviano y fácil de cortar, además tiene una conductividad eléctrica en función de su espesor y resistividad superficial, también es duradero, elástico y de bajo costo.

Figura 11
Atenas textiles usables.

5.3. Electrodos Textiles en Aplicaciones de Detección de Señal Capacitiva

La detección capacitiva de señales tiene ventajas, como, por ejemplo: ya no es necesario la aplicación de gel electro-conductor entre la piel y el electrodo; evitando la posibilidad de irritación en la piel en caso de reacción alérgica al gel [27]. Otra ventaja, es que evita los problemas con el secado del gel a lo largo del tiempo y el cortocircuito entre los electrodos muy cercanos [28].

Por consiguiente, el área del electrodo activo representa una placa de un condensador, mientras que la superficie de la piel actúa como la segunda placa placa virtual del condensador[29].

Para su implementación en prendas de vestir, estas deben estar hechas en base a algodón o mezcla de algodón y poliéster como capa dieléctrica[30].

Figura 12
Representación de electrodos textiles de detección de señal capacitiva

Vale la pena señalar, que otras investigaciones aplican electrodos rígidos de placa metálica para la obtención de señales capacitivas, pero usar electrodos rígidos es incómodo para el paciente cuando se realiza monitoreo a largo plazo. En este aspecto, los electrodos textiles conductores presentan una alternativa más cómoda y flexible, incluida la adaptabilidad a los contornos del cuerpo (Figura 12).

5.4. Antena de Parche Textil de Doble Banda para GSM-WiFi usando EVA-foam como sustrato

Uno de los objetivos de los dispositivos portátiles es la integración con materiales flexibles como sustratos. Por ello, muchos estudios han implementado la unió de elementos radiantes usando diferentes tipos de tejidos como sustrato y usando hilos conductores[31].

En la investigación de otros materiales que pueden usarse como sustratos en dispositivos portátiles, la espuma comercial de acetato de vinilo (EVA) aparece como un buen candidato debido a sus características físicas[32]. La espuma EVA es un polímero elastomérico que produce materiales muy similares al caucho en términos de suavidad y flexibilidad.

5.4.1. Caracterización EVA-foam

Las características del EVA dependen del porcentaje de acetato de vinilo, que generalmente va del 10% al 40%. El objetivo es conectar dispositivos portátiles a la red, la elección de las frecuencias debe tomarse para cubrir bandas comunes para la conexión de red, como las bandas GSM y WiFi [27].

Para la caracterización de la permitividad, se usaun resonador de cortocircuito abierto de un cuarto de longitud de onda para estimar la constante dieléctrica eficazdel sustrato, en función de la frecuencia central y el ancho de banda del resonado.

5.5. Antena de Parche Ranurado con Interconexiones Cosidas y Microchip

La comunicación inalámbrica de datos digitales es una forma única de implementar sensores de antena de encendido remoto y capacidad de ser programables [33]. Las etiquetas UHF-RFID permiten el control remoto más allá de los 20 metros, lo que con lleva un gran potencial para la identificación, detección y el monitoreo. Así, la tecnología de UHF-RFID facilita el seguimiento a distancia de los parámetros de movimiento: camas de hospitales y hogares de enfermos[34].

Cabe agregar, que la materia biológica posee una conductividad eléctrica y una polarizabilidad notable[35]. Convenientemente, las estructuras de varias capas, como el parche de micro banda, las antenas F invertidas y las antenas de guías de onda, al ser integradas al sustrato y con materiales metaméricos tienen ventajas de aislamiento para la piel.

Este tipo de tecnología sería aceptable para la comodidad y las razones estéticas, pero también para la monitorización y consulta de un paciente, por ejemplo: el cuidado de la demencia, donde los pacientes pueden tratar de eliminar dispositivos desconocidos. Sin embargo, otro parámetro importante radica en la fabricación de las interconexiones requeridas por un método que es compatible con el procesamiento de texto regular [36].

Figura 13
Representación de etiqueta RFIUHF pasible con antena microchip.

Es necesario aclarar, que la implementación de etiquetas, para producir comunicación inalámbrica de datos digitales, es una forma única de implementar sensores de antena y plataformas con encendido remoto y programables.

5.6. Antena Multimodo sobre Substrato Textil para Aplicaciones Corporales

Esta aplicación, consiste en diseñar una antena sobre substrato textil que presente comportamiento multimodo operando bajo el estándar ZigBee®[37].

Este tipo de antena proporciona comportamiento “mimo” gracias a la excitación simultánea de varios modos de radiación con diagramas ortogonales, y es adecuada para aplicaciones corporales. [37]. En efecto, se caracteriza el textil empleado como substrato de la antena, con la finalidad de definir las propiedades dieléctricas del material textil [38].

5.7. Antena PIFA para Bandas ISM

Con el paso del tiempo, se han analizado diversas topologías de antena, incluyendo unos parches de micro banda y las antenas planas invertidas (PIFA); estas son antenas de guía de onda integradas de sustrato y antenas basadas en metamateriales[39].

Se han llevado a cabo estudios donde la relación entre la dimensión de la tierra y el ancho de las bandas son elementos claves para la fabricación; se han diseñado diagramas de flujo de diseño basado en la teoría del modo característico[40]. Dicho modelo de implementación se ha utilizado en diversas oportunidades en las llamadas "antenas de chasis" para terminales móviles[41]..

Con base en lo anterior, se creó una antena textil dirigida tanto a las bandas de 433 MHz como a 2.4 GHz:

5.7.1. Topología y mecanismo operativo

El modelo de diseño de esta antena se basa en crear varias ranuras en el suelo para aumentar el ancho de banda. Creando una ranura en forma de L en el parche, para obtener el rendimiento en los 2.4 GHz, el sustrato seleccionado es una capa de fieltro de 6 mm de espesor con una permitividad relativa de 1.3 y la tangente de pérdida de 0.044[42].

La capa metálica está diseñada con una lámina de conductividad de conductos de 0.17 mm de grosor con una conductividad de 1.18×105 S/capa superior de adhesivo secundario en la parte posterior[43].

Un modelo PIFA rara vez atraviesa bandas teniendo una topología compacta[44].. El ancho de banda más grande es de 308MHz (simulado) y 309MHz (medido), igual al de la banda ISM (de2.4 a 2.5 GHz)[44]. Una topología sin ranuras en el suelo es igualmente compuesta y se comparó, dando como resultado la coincidencia es mucho más mala en la banda inferior que en la banda superior, la cual casi no se ve afectada por las ranuras de tierra [45].

Figura 14
Modelo de antena PIFA

5.8. Antena Tribanda de baja SAR

Esta aplicación, propone una antena tribanda para una baja SAR (tasa de absorción específica) para redes WBAN (Wireless Body Area Network). Su topología, esta propuesta por ranuras en forma de L que se han diseñado en concordancia con las bandas de frecuencia. Para implementareste modelo, se tomaron en cuenta tres bandas de frecuencia que consisten en las bandas ISM de 2.4 GHz y 5.7 GHz, y la UWB de 3.5 GHz, respectivamente[46].

Cabe señalar, la antena propuesta está diseñada con el propósito de obtener bajo SAR, puesto que, este tipo de radiación es altamente dañino para el cuerpo humano. Investigadores afirman que este tipo de radiaciones pueden influir en el cuerpo humano y producir el desarrollo de células cancerígenas especialmente en el cerebro. Bajo estos criterios, se considera el efecto electromagnético y el modelo de caparazón en los tejidos humanos para el diseño del dispositivo.

5.9. Antenas sobre Sustrato Polimérico, con Flexibilidad y Transparencia,para Sistemasde Transporte Inteligente

Este tipo de dispositivos son bastante comunes hoy en día para el control e identificación de personas y objetos; ha dado pie para el desarrollo de muchas investigaciones con el fin de alcanzar una mejora en tecnología y aplicaciones[47]. Pueden definirse como un terminal que se compone por tres elementos: el microchip, la antena y el sustrato [48] (Figura 15).

Básicamente, este dispositivo se basa en la comunicación inalámbrica que hay entre una antena lectora y el tag RFID. El microchip,ha sido creadocon tecnología CMOS o EEPROM[49].La finalidad principal se basa en la comprobación de la información y almacenamiento temporal o permanente de datos relevante para la identificación dentro del sistema.

El sustrato, es el elemento que se utiliza como una base para la fabricación del tag, este contiene a la antena y al microchip [50]. Dicho elemento, es la base del rendimiento de la antena, puesto que permite la propagación de campos magnéticos alrededor de él.

Teniendo en cuenta que la antena conforma el elemento principal de funcionamiento del tag RFID, esta se encargará de recibir y enviarlos datos en forma de campos electromagnéticos. Además, puede servir como fuente de alimentación para tags RFID pasivos, convirtiendo las señales captadas en corriente eléctrica que pueda ser aprovechada por el microchip.

Figura 15
Antena planar para RFID pasivos

5.10. Antena para Aplicaciones GPS

Este tipo de antena cuenta con un arreglo de polarización circular y doble resonancia, utilizando elementos de baja constante dieléctrica y bajo costo[51]. Están conformadas por un par de parches rectangulares espaciados por aire, consistentes encortes triangulares y parches parásitos contrapuestos; esto provee de un grado de libertad para laobtención de relación axial y acoplamiento de las frecuencias electromagnéticas.

Dicho dispositivo, se estandarizó por medio del análisis paramétrico establecidoendiferentes variables que conforman la geometría. El resultado obtenidofacilita la manipulación simultánea de la antena en las bandas de GPS de 1.227 GHz (banda L2) y 1.575 GHz (banda L1).

Se obtuvo como resultado, que las simulaciones coinciden con los valores empíricos sobre el prototipo demostrando que la antena se comporta conforme con lo esperado (Tabla 2).

Tabla 2

resultados de simulación numérica

5.11. Antena paraDisminución de la Radiación

Hoy en día, el desarrollo de dispositivos electrónicos va directamente ligado a la aproximación con el cuerpo. Dicha cercanía, insta a la disminución de la radiación expuesta al cuerpo que lo porta, por esta razón, esta aplicación se basa en una solución que permita aminorar la radiación trasera[52].

Por otro lado, se analizala interacción de una estructura periódica de forma aislada e integrada con un parche para estudiarla consecuencia que conlleva sobre este.

Estos dispositivos están desarrollados con sustratos textiles y, en efecto, se adhieren a las prendas de vestir. Antes bien, se lleva a cabo el diseño de la estructura en dos versiones distintas, mediante vías y paredes metálicas, y en los dos substratos descritos. Para el primero diseño, se encuentran los diagramas de separación, con estructura infinita; en el segundo diseño, se efectúan simulaciones de onda completa, ejemplificando la transmisión en dos modalidades, con línea microstrip suspendida y sin línea[53].

Como resultado de estas simulaciones, se pudo conocer como la estructura periódica aporta a la disminución de la radiación trasera. Finalmente, para determinar el rendimiento real del diseño, se desarrolló un prototipo de antena sobre fibra de vidrio que concentra una de las configuraciones estudiadas. Dando como producto el funcionamiento similar en adaptación.

En conclusión, este tipo de antenas también tiene la característica de que está realizadas con materiales textiles y, de esta forma, pueden ir adheridas a la ropa formando parte de la vestimenta. Se diseña en fibra de vidrio como aporte al estudio de antenas textiles, este elemento se crea con el objeto de mitigar la radiación en parches y su impacto en el cuerpo humano.

5.12. Rendimiento en el Cuerpo Humano

Una antena textil también se caracteriza por su influencia en el cuerpo. Existen tres tipos de modelos para simular el cuerpo humano, con la finalidad de imitar el pecho, el hombro y el brazo. Aplicando el modelo cúbico de tres capas:

Figura 16
Modelo cúbico de tres capas como simulador de cuerpo humano.

El modelo de hombro posee estructura igual en capas que el modelo de cofre, pero su tamaño es de 200 × 100 × 70 mm3[54].

Tabla 3

Composición del simulador del brazo humano

Es decir, se coloca la antena a 10 mm de distancia sobre el área de la piel, para simular la distancia de separación por capas de ropa. Para el modelo de brazo, la antena se tensa en dos direcciones. Los extremos simulados y medidos son los coeficientes de fluencia[55].

La conclusión más notable es que la banda superior casi no está influenciada por el cuerpo humano, incluso en las condiciones de flexión. Por ende, la radiación disminuye casi a un 10% ya que es absorbida por el cuerpo humano. En la banda inferior, el patrón de la antena cambia de un costado a uno omnidireccional. La eficiencia de la radiación cae bruscamente sobre el cuerpo humano.

6. METODOLOGÍA

El presente artículo se realizó bajo la metodología de revisión documental. Se hizo una búsqueda exhaustiva de la teoría de metamateriales, desde su estado del arte hasta su aplicación; pasando por el diseño de diferentes dispositivos –en específico antenas textiles– dando como resultado, productos innovadores para la tecnología y la salud.

Todo ello, proveyendo de flexibilidad, invisibilidad, disminución del consumo de energía y mejora del rendimiento en la obtención de señales inalámbricas. Se analizaron todos y cada uno de los estudios respectivos y se plasma el análisis al final de cada investigación, como aporte de cada resultado.

7. RESULTADOS

En resumen, puede argumentarse que la fabricación de antenas textiles, usando metamateriales, es la mejor alternativa para trasmisión, medición y control remoto. Dependiendo del modo de empleo y de los sustratos que se utilicen para su creación.

Todas las alternativas actuales, sintetizadasen este, han tenido resultados altamente satisfactorios. La selección de los materiales es parte fundamental, y están en función del tipo de antena que se pretende diseñar.

Estas antenas textiles tienen materiales, dimensiones y sustratos diferentes, que permiten que tengan individualidad en su esencia y en su funcionalidad, todo esto lograndoel objetivo buscado con la creación de estos dispositivos: mayor rendimiento, invisibilidad y ahorro del consumo.

8. CONCLUSIONES

La presente revisión documental, logra presentar un análisis completo yexhaustivo dela implementación de los metamateriales para el diseño de antenas textiles.Se evidenció, que los metamateriales tienen un amplio rendimiento estructural y se convierten en la mejora alternativa para aplicaciones electromagnéticas, desde los microondas hasta laóptica. Además, ha sido posible reducir las dimensiones de los dispositivos, mejorado su consumo energético, e integrándose en las prendas de vestir.

Adicionalmente, se muestran los avances de ciertas áreas de la ingeniería y las ciencias, gracias a la implementación de estos dispositivos.

9. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] S. Beyer y R. Manriquez, Antenas Textiles, Valparaiso: Pontificia universidad catolica de valparaiso, 2014.

[2] V. Veselago., «The electrodynamics of substances with simultaneosly negative values of ϵ and µ. Soviet Physics Uspekhi,» 2010.

[3] J. Pendry, A. Holden y W. Stewart, «Extremely low frequency plasmons in metallic mesoestructures.,» Phys. Review., 2011.

[4] S. Cummer, B. Justice, J. Mock, J. Pendry, D. Schuring y D. Smith., «Metamaterial electromagnetic cloack at microwave frequencies.,» 2006..

[5] S. Yan y V. Volskiy, «Compact Dual-Band Textile PIFA for 433-MHz/2.4-GHz ISM Bands,» 2017. [En línea].

[6] F. Pizarro, A. Leiva y M. Rodrıguez, «Dual-Band Textile Patch Antenna for GSM-WiFi Bands Using EVA-Foam as Substrate,» Pontificia Universidad Catolica de Valparaıso, Chile, 2016.

[7] B. Babusiaka, S. Borika y L. Balogovab, «Textile electrodes in capacitive signal sensing applications,» 2017.

[8] J. Virkki, Z. Wei, A. Liu, L. Ukkonen y T. Björninen, «Wearable Passive E-Textile UHF RFID Tag Based on a Slotted Patch Antenna with Sewn Ground and Microchip Interconnections,» Ming-ChunTang, 2017.

[9] D. Ferreira y P. Pires, «Wearable textile Antennas,» Digital Object Identifier, 2017.

[10] E. Asensio, «Estructura EBG para disminución de la radiación en parches,» Universidad Carlos III de Madrid, Leganes, 2012.

[11] R. Marques, F. Mesa, J. Martel y F. Medina, «Comparative analysis of edge- and broadside- coupled split ring resonators for metamaterial design - theory and experiments,» IEEE Trans. Ant. Propagat, pp. 2572-2581, 2003.

[12] Ministerio de Defensa España, «Los metamateriales y sus aplicaciones en defensa,» Monografías del SOPT, pp. 1-142, 2011.

[13] W. Hidalgo, «Diseño de antenas planares para tags RFID pasivos en bandas UHF sobre sustrato polimérico con características de flexibilidad y transparencia para la aplicación en sistema de transporte inteligente,» Universidad Nacional de Colombia , Bogota, 2017.

[14] L. Wang y J. Li, «A Novel Metamaterial Microstrip Antenna of Broadband and High-Gain,» Proceedings of ISAP2012, pp. 806-809, 2006.

[15] B. Wu, W. Wang, J. Pacheco, X. Chen, T. Grzegorczyk y J. Kong, «A study of using metamaterials as antenna substrate to enhance gain,» Progress In Electromagnetics Research., pp. 295-328., 2005.

[16] X. Cheng, J. Shi, P. Jao y Y.-K. Yoon, «Reconfigurable split ring resonator array loaded waveguide for insitu tuning,» IEEE International Symposium on Antennas and Propagation (APSURSI), pp. 2947-2950, 2011.

[17] R. Zhou, H. Xin y H. Zhang, «Liquid-based dielectric resonator antenna and its application for measuring liquid real permittivities,» Microwaves, Antennas Propagation, p. 255–262, 2014.

[18] M. Stoppa y A. Chiolerio, «Wearable Electronics and Smart Textiles: A Critical Review,» Sensors, 2014.

[19] H. Kaschel, «Design of a tri-band antenna microstrip for a WBAN the low SAR,» Universidad de Santiago de Chile, 2016.

[20] J. Santiso, «Diseño de una antena multimodo sobre substrato textil para aplicaciones corporales,» Universidad Politecnica de Valencia, Valencia, 2010.

[21] L. Castellanos y F. López, «Metamateriales: principales características y aplicaciones,» Rev. Acad. Colombia, 2016.

[22] R. Ouedraogo, E. Rothwell, A. Diaz, K. Fuchi y A. Temme, «Miniaturization of Patch Antennas Using a Metamaterial-Inspired Technique,» IEEE Transactions on Antennas and Propagation, pp. 2175-2182, 2012.

[23] R. Marqués, F. Medina y R. Rafii-El-Idrissi, ««Role of bianisotropy in negative permeability and left-handed metamaterials,»,» Physical Review B, vol. 6, pp. 144-440, 2002.

[24] R. Marqués, J. Martel, F. Mesa y F. Medina, «Left-handed-media simulation and transmission of EM waves in sub-wavelength split-ring resonator loaded metallic waveguides,» Physical Review Letters, pp. 18-28, 2002

[25] F.-Y. Meng, Q. Wu, B.-S. Jin y H. Wang, «Comments on “Waveguide Miniaturization Using Uniaxial Negative Permeability Metamaterial,» IEEE Transactions on Antennas and Propagation, p. 55, 2007.

[26] Z. Jacob, L. Alekseyev y E. Narimanov, «Optical Hyperlens: Far-field imaging beyond the diffraction limit.,» Optics Express, p. 14, 2006.

[27] S. Chaimool, K. L. Chung y P. Akkaraekthalin, «Simultaneous gain and bandwidths enhancement of a single-feed circularly polarized microstrip patch antenna using a metamaterial reflective surface,» Progress In Electromagnetics Research B, pp. 23-37, 2010.

[28] Y. Chen, I. Chang y L. Chen, «Spiral hyperlens with enhancements of image resolution and magnification,» Journal of Modern Optics, pp. 1029-1034, 2016.

[29] X. Cheng, D. E. Senior, C. Kim y Y. Yoon, «A Compact Omnidirectional Self-Packaged Patch Antenna With Complementary Split-Ring Resonator Loading for Wireless Endoscope Applications.,» IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, pp. 10: 1532-1535, 2011.

[30] M. Domínguez, D. Cataño y E. Reyes, «Design a sensor of relative dielectric permittivity of a medium using an antenna microstrip with metamaterial structures,» Actas de Ingeniería, pp. 110-114, 2015.

[31] C. Caloz y T. Itoh, «Electromagnetic Metamaterials: Transmission Line Theory and Microwave Applications.,» I. John Wiley & Sons, Ed.) (First.). Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, Inc., 2005.

[32] D. Catano-Ochoa, D. E. Senior, F. Lopez y E. Reyes-Vera, «erformance Analysis of a Microstrip Patch Antenna loaded with an Array of Metamaterial Resonators.,» IEEE International Symposium on Antennas and Propagation/ USNC-URSI National Radio Science, pp. 1-3, 2016.

[33] E. Úbeda, A.Heldring, J.parrón, J.Romeu y J. Rius, ««Radiation pattero of composite finite arrays of conductingelements with anexcitingelementary dipole»,» IEEE Ante/mas Propagat. Sociery Int. Symp, pp. 379-382, 2003.

[34] A. Ebrahimi, W. Withayachumnankul, S. Al-Sarawi y D. Abbott, «High-Sensitivity Metamaterial-Inspired Sensor for Microfluidic Dielectric Characterization.,» IEEEA Sensors Journal., p. 14, 2014.

[35] F. Martin, J. Bonache, F. Falcone, M. Sorolla y R. Marqués, «Split ring resonator-based left-handed coplanar waveguide,» Applied Physicssics Letters, vol. 83, p. 4652–4654, 1 Diciembre 2003.

[36] F. Falcone, T. Lopetegi, M. Laso, J. Baena, J. Bonache, M. Beruete y M. Sorolla, «Babinet Principle Applied to the Design of Metasurfaces and Metamaterials,» Physical Review Letters, p. 93, 2004.

[37] M. Domínguez, D. Cataño y E. Reyes, «Design a sensor of relative dielectric permittivity of a medium using an antenna microstrip with metamaterial structures,» Actas de Ingeniería, vol. 1, pp. 110-114, 2015.

[38] S. Rao, D. Wilton y A. Glisson, «Electromagnetic scattering by surfaces of arbitrary shape,» IEEE Trans Antennas Propagar, pp. 409-418, 2016.

[39] D. Smith, W. Padilla, D. Vier, S. Nemat-Nasser y S. Schultz, «Composite Medium with Simultaneously Negative Permeability and Permittivity,» Physical Review Letters., vol. 84, pp. 4184-4187, 2015.

[40] H. Chen, W. Padilla, J. Zide y A. Gossard, «Active terahertz metamaterial devices,» Nature, p. 597–600, 2006.

[41] Y. Dong, «Metamaterial-Based Antennas,» IEEE, pp. 2271 - 2285, 2012.

[42] T. Almoneef y O. Ramahi, «Split-ring resonator arrays for electromagnetic energy harvesting.,» Progress In Electromagnetics Research B, 62 (January), pp. 167-180, 2015.

[43] J. D. Baena, J. Bonache, F. Martin, R. M. Sillero, F. Falcone, T. Lopetegi y M. Sorolla, «Equivalent-circuit models for split-ring resonators and complementary split ring resonators coupled to planar transmission lines,» IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, p. 53, 2005.

[44] M. Bogosanovich, «Microstrip patch sensor for measurement of the permittivity of homogeneous dielectric materials,» IEEE Transaction Instrument Measurement, p. 1144–1148., 2000.

[45] O. Büyüköztürk, Y. Tzu-Yang y J. Ortega, «A methodology for determining complex permittivity of construction materials based on transmission-only coherent, wide-bandwidth free-space measurements,» Cement and Concrete Composites, p. 349–359, 2006.

[46] M. Tauseef-Asim y M. Ahmed, «Metamaterial Inspired Microstrip Antenna Investigations Using Metascreens,» International Journal of Antennas and Propagation, pp. 1-9, 2015.

[47] J. Lesnikowski, «Dielectric Permittivity measurement methods of textile substrate of textile transmission lines,» Przeglad Elektrotechniczny, p. 148–151, 2012.

[48] L. Li, Y. Li, T. Soon-Yeo, J. Mosig y O. Martin, «Addendum: A broadband and high-gain metamaterial microstrip antenna,» Applied Physics Letters, 2011.

[49] S. Linden, «Magnetic Response of Metamaterials at 100 Terahertz,» Science, pp. 1351-1353., 2004.

[50] S. Linden, C. Enkrich, G. K. M. Dolling, J. Zhou, T. Koschny y M. Wegener, «Photonic Metamaterials Magnetism at Optical Frequencies,» IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 12, pp. 1097-1105, 2013.

[51] V. Veselago, «The Electrodynamics of substances with simultaneously negative values of ε and μ.,» Soviet Physics Uspekhi, pp. 509-514, 2012.

[52] G. Lipworth, J. Ensworth, K. Seetharam, D. Huang, J. Lee, P. Schmalenberg y Y. Urzhumov, «Magnetic metamaterial superlens for increased range wireless power transfer,» Scientific Reports, p. 4: 3642, 2014.

[53] L. Castellanos, F. López y E. Reyes-Vera, «Metamateriales: principales características y aplicaciones,» Facultad de Ingenierías, Instituto Tecnológico Metropolitano, Medellín, Colombia, 2016.

[54] C. Caloz, C. Chang y T. Itoh, ««Full-wave verification of the fundamental properties of left-handed materials in waveguide configurations,» Journal of Applied Physics, p. 5483–5486, 2001.

[55] C. Cheng y R. Ziokolwsky, «Tailoring double-negative metamaterial responses to achieve anomalous propagation effects along microstrip transmission lines,» IEEE Trans. Microwave Theory & Tech., pp. 2306-2314, 2003.

[56] R. Salvado, C. Loss, R. Gonçalves y P. Pinho, «Textile Materials for the Design of Wearable Antennas,» Sensors, 2012.

[57] C. Suárez, J. López y G. P. Leguizamón, «Antena plana para aplicaciones en las bandas L1 y L2 de GPS,» Revista Científica Ingeniería y Desarrollo, 2016.

[58] B. Kapilevich y B. Litvak, «Application of resonant monopole antenna for determination of complex permittivity of liquids, powdered and granular materials,» Measurement, p. 1964–1969, 2013.

[59] J. González-Arbesú, E. Úbeda y J. Romeu, «Metamateriales en microondas y antenas,» Universitat Politecnica de Cataluña, Campus, pp. 32-38, Diciembre 2003.

Notas de autor

marcela230108@gmail.com

Información adicional

Cómo citar este artículo: Cómo citar este artículo: C. Herrera, M. Restrepo, L. Sanchez “Estudio de la aplicación de los metamateriales en el diseño de atenas textiles”, Revista Politécnica, vol. 15, no.29 pp.108-127, 2019. DOI: 10.33571/rpolitec.v15n29a9

Enlace alternativo

https://revistas.elpoli.edu.co/index.php/pol/article/view/1382/1228 (html)

https://revistas.elpoli.edu.co/index.php/pol/article/view/1382/1218 (pdf)