Parametrización de estructuras metamateriales mediante la aplicación de un algoritmo bioinspirado para filtros en comunicaciones a nivel de simulación
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2024
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Universidad Santo Tomás
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Resumen
Este trabajo busca aprovechar el potencial de nuevas tecnologías como los metamateriales, los
cuales son una propuesta innovadora de cara a los diferentes retos que se presentan en las áreas
de la ingeniería moderna como: óptica, imágenes diagnósticas, ciencia de materiales, ingeniería
eléctrica, sistemas embebidos, invisibilidad, comunicaciones inalámbricas, entre otros. Los
metamateriales son una tecnología que aún sigue en fase de estudio y experimentación, pero
se ha descubierto que es muy prometedora, dada su versatilidad y numerosas posibilidades de
aplicación en el contexto de las ondas electromagnéticas.
Dado que el campo de estudio de los metamateriales aún enfrenta desafíos significativos en
cuanto al diseño y fabricación de sus estructuras, se plantea la parametrización de celdas metamateriales
tipo FSS (Frequency Selective Surfaces) mediante un algoritmo bioinspirado, en
escenarios de filtrado pasabandas para guías de onda. Se optó por este método, ya que no
requiere un modelo matemático de la situación, lo cual los hace adecuados para resolver problemas
con una alta complejidad matemática, en este caso la teoría electromagnética propia de
los metamateriales.
Inicialmente se realizó una revisión bibliográfica para obtener modelos previos de estructuras
FSS, específicamente de tipo anillo complementario (CSRR) y omega (Ω) con características de
filtrado entre 1.7 GHz y 3.3 GHz. Posteriormente, se sintonizaron las geometrías seleccionadas
a una frecuencia central de 2.4 GHz, obteniendo así los parámetros iniciales de cada una de
estas estructuras, incluyendo radio, ancho y distancia, entre otros.
Con el objetivo de simplificar el proceso de diseño del filtro y adaptarlo a requerimientos específicos
de funcionamiento, como el ancho de banda, se empleó un algoritmo bioinspirado. Este algoritmo ajusta dinámicamente los parámetros geométricos de las estructuras metamateriales
utilizando métricas de desempeño que evalúan si la respuesta obtenida en cada caso se
aproxima a la solicitada.
Finalmente, los resultados son validados en escenarios de prueba simulados relacionados con
procesos de filtrado pasabanda en la guía de onda WR340. Este proceso de validación permite
asegurar la eficacia y precisión de los filtros diseñados, demostrando así la viabilidad y utilidad
de la propuesta desarrollada.
Abstract
This work takes advantage of the potential on emerging technologies such as metamaterials,
which are an innovative proposal facing the different challenges presented in areas of modern
engineering such as: optics, diagnosis images, material’s science, electric engineering, embedded
systems, invisibility, wireless communications, among others. Metamaterials are still on
study and experimentation phase, but it has been discovered to be very promising due to its
versatility and numerous possibilities of application in the context of electromagnetic waves.
Given that the field of study of metamaterials still faces significant challenges regarding the
design and fabrication of their structures, the parameterization of Frequency Selective Surfaces
(FSS) metamaterial cells is proposed using a bio-inspired algorithm, in passband filtering scenarios
for waveguides. This method was selected, due to the lack of requirement of mathematical
model for the situation, being appropiated for solving problems with high mathematical
complexity, for this case the electromagnetic theory typical of metamaterials.
Initially, a literature review was performed to obtain previous models of FSS structures, specifically
complementary split-ring resonators (CSRR) and omega (Ω) types with filtering characteristics
between 1.7 GHz and 3.3 GHz. Subsequently, the selected geometries were tuned
to a central frequency of 2.4 GHz, obtaining the initial parameters of each of these structures,
including radius, width and distance, among others.
To simplify the filter design process to be adaptable to different operational settings, such as
bandwidth, a bio-inspired algorithm was used. This algorithm dynamically adjusts the geometric
parameters of the metamaterial structures using performance metrics that evaluate if the
obtained response for each case approximates the requested one. Finally, results are validated in simulated test scenarios related to passband filtering processes
in the WR340 waveguide. This validation process ensures the effectiveness and accuracy of the
designed filters, demonstrating the viability and usefulness of the developed proposal.
Idioma
spa
Palabras clave
Citación
Olivera Dimate, K. G.(2024). Parametrización de estructuras metamateriales mediante la aplicación de un algoritmo bioinspirado para filtros en comunicaciones a nivel de simulación. [Trabajo de Grado, Universidad Santo Tomas]. Repositorio Institucional.
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