Multi-frequency printed dipoles based on antipodal printed dipoles loaded with metamaterial particles are presented. Split Ring Resonators (SRRs) are used as metamaterial particles in order to obtain fully printed and planar antennas. First, a simplified model of these antennas is developed. This model is based on a printed dipole loaded with the equivalent circuit of the SRRs. This model shows that the working frequencies are very close to the self-resonant frequencies of the dipole and the SRRs. Moreover, a dualfrequency printed dipole is designed, manufactured and measured. This dipole works simultaneously at 1.32 GHz and 2.82 GHz. Finally, the previous idea is extended to increase the bandwidth of the dual-band dipoles and develop multifrequency printed dipoles (printed dipoles which work simultaneously at three or more frequencies). This is made by using SRRs with different dimensions

García Muñoz, Luis Enrique

González Posadas, Vicente

Herraiz Martínez, Francisco Javier

Segovia Vargas, Daniel

Spanish

Servicio de Coordinación de Bibliotecas de la Universidad Politécnica de Madrid

  
 
Dipolos Impresos Multifrecuencia 
Cargados con Partículas Metamateriales 
Francisco Javier Herraiz Martínez(1), Luís Enrique García Muñoz(1), Vicente González Posadas(2), 
Daniel Segovia Vargas(1) 
fjherraiz@tsc.uc3m.es, legarcia@tsc.uc3m.es, vgonzalz@diac.upm.es, dani@tsc.uc3m.es 
(1) Dpto. de Teoría de la Señal y Comunicaciones. Universidad Carlos III de Madrid. Avenida de la 
Universidad 30, 28911, Leganés (Madrid). 
(2) Dpto. de Ingeniería Audiovisual y Comunicaciones. Universidad Politécnica de Madrid. Carretera de 
Valencia Km. 7, 28031, Madrid. 
 
 
Abstract- Multi-frequency printed dipoles based on antipodal 
printed dipoles loaded with metamaterial particles are 
presented. Split Ring Resonators (SRRs) are used as 
metamaterial particles in order to obtain fully printed and 
planar antennas. First, a simplified model of these antennas is 
developed. This model is based on a printed dipole loaded with 
the equivalent circuit of the SRRs. This model shows that the 
working frequencies are very close to the self-resonant 
frequencies of the dipole and the SRRs. Moreover, a dual-
frequency printed dipole is designed, manufactured and 
measured. This dipole works simultaneously at 1.32 GHz and 
2.82 GHz. Finally, the previous idea is extended to increase the 
bandwidth of the dual-band dipoles and develop multi-
frequency printed dipoles (printed dipoles which work 
simultaneously at three or more frequencies). This is made by 
using SRRs with different dimensions. 
I. INTRODUCCIÓN 
Las antenas multifrecuencia son dispositivos radiantes 
que funcionan de forma simultánea en varias bandas de 
frecuencia. Hoy en día, este tipo de antenas resultan 
especialmente interesantes debido a la gran demanda que 
existe de servicios de telecomunicaciones inalámbricos. 
Además, tanto la industria como los usuarios de los 
terminales móviles valoran muy positivamente que las 
antenas sean de dimensiones reducidas. Por estas razones se 
está realizando un gran esfuerzo en el desarrollo de antenas 
impresas que satisfagan estos requisitos. 
El empleo de dipolos impresos como elementos radiantes 
de terminales inalámbricos (ordenadores portátiles, PDAs, 
teléfonos móviles, …) supone una opción bastante adecuada. 
Sin embargo, en la literatura no existen muchos ejemplos de 
dipolos impresos que funcionen de forma simultánea en más 
de una frecuencia con características de radiación similares. 
El procedimiento más simple para conseguir un dipolo 
impreso de doble banda consiste en emplear dos dipolos de 
dimensiones distintas alimentados por un único puerto (por 
ejemplo [1]), pero evidentemente esta solución trivial supone 
un aumento de las dimensiones del elemento radiante. Las 
otras propuestas que encontramos en la literatura ([2]-[3]) sí 
consiguen una doble resonancia a partir de un único dipolo. 
En [2] se propone la realización de unas ranuras con forma 
de U dentro de cada brazo del dipolo, mientras que en [3] se 
introducen unos resonadores compactos. En ambos casos, la 
relación entre las frecuencias de funcionamiento es siempre 
superior a 2.17 y la frecuencia de la resonancia adicional la 
fija el motivo que se incorpora dentro de cada brazo del 
dipolo. Por tanto, es poco probable que se puedan conseguir 
ratios entre las frecuencias de funcionamiento más pequeños, 
puesto que para ello habría que aumentar el tamaño de los 
motivos, con lo que no se podrían introducir dentro del 
dipolo. 
En esta comunicación se propone un novedoso 
procedimiento para obtener antenas multifrecuencia a partir 
de un dipolo impreso cargado con partículas metamateriales. 
Estas partículas se imprimen al lado del dipolo o en la cara 
opuesta del sustrato y de este modo se acoplan al mismo. 
Esto permite que el dipolo impreso permanezca inalterado y 
que las frecuencias de resonancia dependan de las 
dimensiones de las partículas y del dipolo casi de forma 
independiente. De esta forma, se pueden diseñar antenas 
multifrecuencia con una relación de funcionamiento 
arbitraria. 
Hasta la fecha, los autores tienen conocimiento de un 
único trabajo en el que se empleen las características 
extraordinarias de los metamateriales para mejorar las 
prestanciones de los dipolos impresos [4]. En dicho artículo, 
se proponen dipolos basados en líneas zurdas consiguiendo 
una reducción de tamaño importante respecto a los 
convencionales. Sin embargo, no se conocen trabajos en los 
que se propongan los metamateriales para conseguir dipolos 
multifrecuencia. 
  Los autores de esta comunicación ya han demostrado 
anteriormente la posibilidad de conseguir elementos radiantes 
con múltiples frecuencias de funcionamiento a partir de 
antenas impresas cargadas con partículas metamateriales. En 
[5] se presentan antenas de tipo parche multifrecuencia 
mediante el rellenado de las mismas con partículas 
metamateriales. En ese caso, se proponían estructuras de tipo 
champiñón de Sievenpiper, que consisten en parches 
metálicos con vías al plano de masa. Sin embargo, en este 
trabajo se propone el empleo de partículas del tipo Split Ring 
Resonator (SRR) consiguiendo antenas impresas totalmente 
planas. 
La estructura de esta comunicación es la siguiente: en la 
siguiente sección se presenta un modelo equivalente de las 
antenas propuestas. A partir de este modelo, se diseña un 
dipolo impreso de doble frecuencia. Además, se presentan los 
resultados experimentales obtenidos mediante simulación de 
onda completa y las medidas experimentales de un prototipo. 
       Actas del XXIII Simposium Nacional de la Unión Científica Internacional de Radio (URSI 2008). Madrid, 22-24 Septiembre 2008. ISBN: 978-84-612-6291-5
  
 
En la Sección III se presenta un procedimiento para diseñar 
dipolos con más de dos frecuencias de funcionamiento y 
dicho procedimiento también se propone para aumentar el 
ancho de banda de los dipolos de doble frecuencia. 
Finalmente, las conclusiones de esta comunicación se 
presentan en la Sección IV. 
II. DIPOLO IMPRESO DE DOBLE FRECUENCIA 
A.  Modelo Equivalente 
Las antenas propuestas están basadas en un dipolo 
antipodal impreso en las dos caras de un sustrato FR-4 (εr = 
4.5) con un espesor de 0.50 mm. Cada brazo del dipolo se 
imprime en una cara del sustrato y el dipolo se alimenta 
mediante una línea de transmisión de tipo antipodal. 
Finalmente, se suelda un conector SMA en el extremo de la 
línea. 
 
(a) 
 
(b) 
Fig. 1. Dipolo antipodal impreso cargado con resonadores LC paralelo. 
(Dimensiones en mm). (a) Alzado. (b) Planta. 
El modelo circuital equivalente de las partículas 
metamateriales SRRs es un tanque LC paralelo [6]. Por esta 
razón, proponemos el modelo simplificado de la Fig. 1 para 
estudiar el comportamiento de un dipolo impreso antipodal 
cargado con partículas metamateriales. 
 
Fig. 2. Split Ring Resonator (SRR) y sus parámetros de diseño. 
La Fig. 2 muestra el esquema de un SRR. Inicialmente, 
los valores considerados son: R = 4 mm, W = 0.40 mm y g = 
0.20 mm. De acuerdo con [6], la frecuencia de resonancia de 
estos SRRs es aproximadamente 2.5 GHz. Por esta razón, los 
valores de los componentes LC del dipolo de la Fig. 1 se 
escogen de tal manera que la frecuencia de resonancia de los 
tanques paralelo sea similar a la frecuencia de resonancia de 
las partículas SRRs.   
Los coeficientes de reflexión simulados (CST ®) para el 
dipolo convencional y el cargado con los resonadores LC se 
muestran en la Fig. 3. La frecuencia de resonancia del modo 
fundamental del dipolo convencional es 1.53 GHz. Además, 
se puede observar como el dipolo propuesto presenta el 
deseado comportamiento de doble banda. La primera 
resonancia del dipolo cargado prácticamente coincide con la 
del dipolo convencional, mientras que la segunda resonancia 
aparece en 2.57 GHz, que es aproximadamente la frecuencia 
de resonancia los tanques LC paralelos. Esta es una 
característica importante, puesto que permite diseñar dipolos 
de doble frecuencia de forma muy sencilla. Para ello se parte 
de las frecuencias de resonancia propias del dipolo y las 
partículas. Al combinarlos el desplazamiento en frecuencia 
que se produce es muy pequeño, como se ha demostrado. 
 
Fig. 3. Parámetro de reflexión simulado (CST ®) del dipolo convencional y 
el cargado con resonadores LC.   
B.  Implementación y Resultados Experimentales 
La Fig. 4 muestra la implementación propuesta para el 
dipolo de doble banda. Acoplamos cuatro SRRs en cada 
brazo del dipolo. Estos SRRs se imprimen en la cara opuesta 
a cada brazo del dipolo. De este modo, el dipolo permanece 
inalterado y se pueden diseñar dipolos de doble frecuencia 
con relaciones de funcionamiento arbitrarias. Tanto la 
configuración como las posiciones de los SRRs han sido 
escogidas para obtener una buena adaptación de la resonancia 
adicional. 
 
(a) 
 
(b) 
Fig. 4. Dipolo antipodal impreso cargado con resonadores LC paralelo. 
(Dimensiones en mm). (a) Alzado. (b) Planta. 
El dipolo convencional y el cargado con los SRRs se han 
fabricado (Fig. 5). El parámetro de reflexión medido de cada 
una de estas antenas se muestra en la Fig. 6. Como se puede 
       Actas del XXIII Simposium Nacional de la Unión Científica Internacional de Radio (URSI 2008). Madrid, 22-24 Septiembre 2008. ISBN: 978-84-612-6291-5
  
 
observar, el dipolo convencional presenta una única 
resonancia mientras que el propuesto presenta dos. Además, 
las frecuencias de resonancias se encuentran muy próximas a 
las calculadas mediante el modelo equivalente. La segunda 
resonancia se ha desplazado ligeramente hacia frecuencias 
superiores debido a los acoplos mutuos y a la resolución de 
nuestro laboratorio a la hora de fabricar los prototipos. 
 
Fig. 5. Fotografía de los prototipos fabricados. Arriba: Dipolo cargado con 
SRRs. Abajo: Dipolo convencional. 
 
Fig. 6. Parámetro |S11| medido de los prototipos. 
Los diagramas de radiación simulados con CST ® se 
muestran en la Fig. 7. Es importante destacar que las 
componentes copolares son similares a ambas frecuencias de 
funcionamiento, tal y como se deseaba. Además, se aprecian 
valores de componente contrapolar bastante bajos en ambas 
frecuencias de funcionamiento.    
 
(a) 
 
(b) 
 
(c) 
Fig. 7. Diagramas de radiación simulados (CST ®) del dipolo de doble 
frecuencia. La componente copolar es similar a ambas frecuencias de 
funcionamiento y la contrapolar es despreciable, sobre todo para la primera 
frecuencia. (a) Plano X-Z. (b) Plano Y-Z. (c) Plano X-Y. 
III. DIPOLOS IMPRESOS MULTIFRECUENCIA 
En la Sección anterior todos los SSRs presentaban las 
mismas dimensiones. En esta Sección consideraremos que 
cada brazo del dipolo tiene acoplados un par de SRRs con 
unas dimensiones ligeramente distintas. En concreto, se 
propone que el radio exterior de los SRRs inferiores sea 
ligeramente diferente al de los superiores. De este modo, se 
consiguen dipolos multifrecuencia (dipolos impresos con más 
de dos frecuencias de funcionamiento simultáneas). 
 
Fig. 8. Esquema de los dipolos impresos multifrecuencia. 
De acuerdo con la Fig. 8, consideramos el caso con R2 = 
R1 + 0.4 mm. Entonces, las frecuencias de resonancia de los 
anillos se encuentran separadas 0.22 GHz, lo cual permite 
diseñar un dipolo de triple frecuencia. 
La Fig. 9 muestra el parámetro de reflexión simulado con 
CST ® para el dipolo de triple frecuencia propuesto. Las tres 
resonancias se pueden apreciar claramente. Además, también 
están representados los parámetros |S11| de los dipolos 
cargados con SRRs iguales y de radio exterior R = R1 y R = 
R2. Esta Fig. muestra que las tres resonancias del dipolo de 
triple frecuencia se deben a las resonancias del dipolo y cada 
uno de los pares de SRRs de diferente radio exterior. Hay que 
       Actas del XXIII Simposium Nacional de la Unión Científica Internacional de Radio (URSI 2008). Madrid, 22-24 Septiembre 2008. ISBN: 978-84-612-6291-5
  
 
destacar que esta característica facilita el diseño de estas 
antenas. 
 
Fig. 9. Parámetro de reflexión simulado del dipolo impreso de triple 
frecuencia. El mismo parámetro para los dipolos cargados con SRRs de las 
mismas dimensiones también se muestra. 
Una de las principales desventajas de los metamateriales 
es su reducido ancho de banda. Este inconveniente se puede 
apreciar en los ejemplos anteriores en los que los anchos de 
banda de las resonancias adicionales son inferiores al de la 
resonancia fundamental del dipolo. El procedimiento de 
emplear SRRs con dimensiones distintas para conseguir 
múltiples resonancias se puede emplear para aumentar el 
ancho de banda de la resonancia adicional que se consigue en 
el dipolo de doble frecuencia presentado en la Sección 
anterior. Para ello, se puede considerar el caso de la Fig. 8 
con R2 = R1 + 0.15 mm. Así, la diferencia entre las 
frecuencias de resonancia de los SRRs es muy pequeña y 
ambas resonancias se juntan produciendo una segunda banda 
de funcionamiento con un mayor ancho de banda. El 
parámetro de reflexión de este ejemplo se muestra en la Fig. 
10. Se puede observar como el ancho de banda es mayor que 
en los dipolos de doble frecuencia presentados en la Sección 
II. 
 
Fig. 10. Coeficiente de reflexión simulado de la antena de doble frecuencia 
con mayor ancho de banda en la segunda banda. 
IV. CONCLUSIONES 
En esta comunicación se han presentado los dipolos 
impresos multifrecuencia cargados con partículas 
metamateriales. Se han empleado SRRs para conseguir 
antenas impresas totalmente planas. En primer lugar, se han 
estudiado los dipolos de doble frecuencia. Se ha propuesto un 
modelo simplificado de estas antenas que ha servido para 
demostrar que las frecuencias de funcionamiento se 
encuentran muy próximas a las del dipolo y los SRRs. Esto 
permite un fácil diseño para cualquier par de frecuencias de 
funcionamiento. Además, se ha diseñado, construido y 
medido un prototipo, con unos resultados similares a los 
obtenidos mediante el modelo equivalente y la simulación de 
onda completa. Finalmente, se ha propuesto cargar los 
dipolos con SRRs de diferentes dimensiones para obtener 
antenas de triple frecuencia. El mismo concepto se ha 
aplicado para aumentar el ancho de banda de la resonancia 
adicional que se obtiene en el dipolo de doble frecuencia.  
AGRADECIMIENTOS 
Este trabajo ha sido parcialmente financiado por el 
proyecto TEC2006-13248-C04-04/TCM del MEC. F. J. 
Herraiz Martínez es becario del programa FPU del MEC.   
REFERENCIAS 
[1] V. Stoiljkovic, S. Suganthan and M. Benhaddou, “A novel dual-band 
centre-fed printed dipole antenna,” IEEE Antennas and Propagation 
Society International Symposium, 2003, vol. 2, pp. 938 - 941. 
[2] C.-M. Su, H.-T. Chen amd K.-L. Wong, “Printed dual-band dipole 
antenna with U-slotted arms for 2.4/5.2 GHz WLAN operation,” 
Electronics Letters, vol. 38, no. 22, pp. 1308-1309, October 2002. 
[3] Y. F. Liu, Q. Xue, C. H. Chan, “A novel dual-band printed-dipole 
antenna using CRR structure,” Microwave and Optical Technology 
Letters, vol. 41, no. 2, pp. 105 – 106, April 2004. 
[4] H. Iizuka, P. S. Hall, “Left-Handed dipole antennas and their 
implementations,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 
vol 55, no. 5, pp. 1246-1253, May 2007. 
[5] F. J. Herraiz-Martínez, L. E. García-Muñoz, V. González-Posadas and 
D. Segovia-Vargas, “Multi-frequency and dual mode patch antennas 
partially filled with Left-Handed structures”, IEEE Transactions on 
Antennas and Propagation, accepted for publication. 
[6] J. D. Baena, J. Bonache, F. Martín, R. Marqués, F. Falcone, T. 
Lopetegui, M. A. G. Laso, J. García, I. Gil and 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, vol. 53, pp. 1451-1461, April 
2005. 
 
       Actas del XXIII Simposium Nacional de la Unión Científica Internacional de Radio (URSI 2008). Madrid, 22-24 Septiembre 2008. ISBN: 978-84-612-6291-5


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