[ES] En esta tesis denominada "Estudio modal de antenas integradas en cuerpos geométricos y cavidades", se estudia en primera instancia la teoría de los modos característicos, enfocada en la interpretación física de sus parámetros, y se exponen brevemente diferentes metodologías para el diseño de antenas. A manera de guía inicial de diseño de antenas, se analizan los modos característicos de estructuras simples utilizando la herramienta de simulación FEKO. A continuación, se aplican los criterios de análisis de los modos característicos a cuerpos geométricos 2D y su acoplamiento con estructuras simples de hilo. Entre los cuerpos geométricos planos estudiados se encuentran: una placa cuadrada y su acoplamiento con hilos radiales, un disco y su acoplamiento con discos pequeños en su interior. En base a los resultados de estructuras planas, el estudio continúa con el análisis de los modos característicos de cuerpos geométricos tridimensionales, como un cubo y un cilindro, así como versiones alargadas de estas estructuras. Además, se analiza el cubo con radiales en diferentes orientaciones. También se estudian cavidades abiertas cuadradas y cilíndricas. Estas estructuras se examinan con elementos de alimentación, y se observan sus efectos en la respuesta modal. Por otro lado, se estudian las estructuras 3D compuestas para lograr, dependiendo el caso, antenas multipuerto con uno o múltiples haces, gran ancho de banda, buen aislamiento entre puertos, diversidad de polarización o polarización circular. En varios casos, se sintetizan o combinan modos para alcanzar los objetivos deseados. Con el propósito de aplicar los estudios modales de cuerpos geométricos y cavidades, se realiza un análisis completo utilizando onda completa con el software de simulación CST Studio Suite. Estas propuestas se centran en aplicaciones de 5G y IoT. Además, la estructura cúbica con radiales se enfoca en aplicaciones de CubeSat. Varios de estos prototipos se fabrican y se llevan a cabo mediciones. Los resultados de las simulaciones y las mediciones se comparan para validar las propuestas. Para concluir, se resumen las conclusiones de los resultados más relevantes obtenidos durante el desarrollo de esta tesis. Asimismo, se plantean posibles líneas de investigación futuras relacionadas con este trabajo. / [CA] En aquesta tesi anomenada "Estudi modal d'antenes integrades en cossos geomètrics i cavitats", s'estudia en primera instància la teoria de les maneres característiques, enfocada a la interpretació física dels seus paràmetres, i s'exposen breument diferents metodologies per al disseny d'antenes. A manera de guia inicial de disseny d"antenes, s"analitzen els modes característics d"estructures simples utilitzant l"eina de simulació FEKO. A continuació, s'apliquen els criteris d'anàlisi de les maneres característiques a cossos geomètrics 2D i el seu acoblament amb estructures simples de fil. Entre els cossos geomètrics plans estudiats hi ha: una placa quadrada i el seu acoblament amb fils radials, un disc i el seu acoblament amb discos petits a l'interior. En base als resultats d'estructures planes, l'estudi continua amb l'anàlisi de les maneres característiques de cossos geomètrics tridimensionals, com ara un cub i un cilindre, així com versions allargades d'aquestes estructures. A més, s'analitza la galleda amb radials en diferents orientacions. També s'hi estudien cavitats obertes quadrades i cilíndriques. Aquestes estructures s'examinen amb elements d'alimentació i se n'observen els efectes en la resposta modal. D'altra banda, s'estudien les estructures 3D compostes per aconseguir, segons el cas, antenes multiport amb un o múltiples feixos, gran amplada de banda, bon aïllament entre ports, diversitat de polarització o polarització circular. En diversos casos, se sintetitzen o combinen maneres per assolir els objectius desitjats. Amb el propòsit d'aplicar els estudis modals de cossos geomètrics i cavitats, es fa una anàlisi completa utilitzant ona completa amb el programari de simulació CST Studio Suite. Aquestes propostes se centren en aplicacions de 5G i IoT. A més, l'estructura cúbica amb radials s'enfoca a aplicacions de CubeSat. Diversos d'aquests prototips es fabriquen i es fan mesuraments. Els resultats de les simulacions i els mesuraments es comparen per validar les propostes. Per concloure, es resumeixen les conclusions dels resultats més rellevants obtinguts durant el desenvolupament daquesta tesi. Així mateix, es plantegen possibles línies de recerca futures relacionades amb aquest treball. / [EN] In this thesis entitled "Modal Investigation of Antennas Integrated into Geometric Bodies and Cavities," the theory of characteristic modes is explored initially, with a specific focus on the physical interpretation of its parameters. Various methodologies for antenna design are briefly introduced as well. To provide an initial guidance for antenna design, the characteristic modes of simple structures are analyzed using the FEKO simulation tool. Subsequently, the criteria for examining characteristic modes are applied to 2D geometric bodies and their interactions with simple wire structures. Among the planar geometric bodies investigated are a square plate coupled with radial wires and a disk coupled with smaller disks within it. Building upon the findings from planar structures, the study proceeds to investigate the characteristic modes of three-dimensional geometric bodies, including a cube, a cylinder, and elongated variations of these structures. Additionally, the analysis encompasses cubes with radials oriented in different directions. The study also extends to square and cylindrical open cavities, which are examined with feed elements to observe their impact on modal response. Furthermore, composite 3D structures are examined to achieve various objectives, such as multiport antennas with single or multiple beams, wide bandwidth, strong isolation between ports, polarization diversity, or circular polarization. In several instances, modes are synthesized or combined to meet specific goals. To facilitate the application of modal studies on geometric bodies and cavities, a comprehensive analysis is conducted using full-wave simulations with CST Studio Suite software. These proposals are primarily geared toward 5G and IoT applications, with a particular emphasis on CubeSat applications in the case of the cubic structure with radials. Several prototypes are fabricated, and measurements are carried out to validate the results obtained from simulations. In conclusion, the thesis summarizes the most significant findings obtained throughout its development. Additionally, it proposes potential avenues for future research related to this work. / Llanga Vargas, A. (2024). Estudio modal de antenas integradas en cuerpos geométricos y cavidades [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/203191

Abstract This dissertation presents wideband and multi-element antennas for mobile applications. It is divided into the following main parts: modal theory, wideband antennas, multi-element antennas, and wideband multi-element antennas. The radiating fields are first studied in terms of spherical scalar and vector modes, and it is shown how these modes correlate with the characteristic current modes on a planar mobile ground plane. The theory part shows how it is possible to excite the same modes on a conventional sphere and a rectangular planar mobile ground plane. The theory refers to the novel wideband antenna structures presented in this dissertation, in terms of current and radiating modes. After studying the modes, the dissertation shows how to excite a radiating antenna mode within a wide frequency bandwidth. To gain this, two main approaches are taken. First, a quasi-complementary antenna (QCA) structure with an electric conductor and magnetic slot is presented, and its characteristics are studied. A QCA UWB antenna, and a QCA element excited with a monopole or a dipole, is presented. The QCA structure compensates for the imaginary part of the input impedance on wide frequency bandwidth, when, at the same time, the fundamental mode is excited to ensure good radiating properties. The second approach uses a symmetrical feeding with two antenna elements to gain a wide frequency bandwidth, the relative -6 dB impedance bandwidth between 37.5–80%. When a field is symmetrically coupled to the conducting ground plane, the excitation avoids the awakening of higher order modes which might disturb the performance of the antenna. It is also shown, by using multiple feeding elements, that the excitation of orthogonal higher order modes on a small radiating ground plane is possible. As the modes are orthogonal to each other, they present a very low correlation. By using this kind of approach, radiation pattern diversity can be obtained in mobile applications within a small volume. On the other hand, when combining two QCA elements to a one multi-element antenna structure, a wideband diversity antenna with an 87.5% relative -6 dB impedance bandwidth, and a wideband MIMO antenna with a 95.0% relative -6 dB impedance bandwidth, are presented with excellent radiation and correlation properties. Also mutual coupling is need to be counted when multi-element antennas are designed. When designing an efficient radiator, it is important to consider an antenna feeding in terms of wideband impedance matching and wideband baluns, not to spoil the antenna performance. The efficient antenna structures and feeding mechanisms are obtained by using commercial 3D electromagnetic simulators to find the desired wideband antenna characteristics. Prototype antennas are measured in most of the presented structures to show their functionality in real. In general, the dissertation presents wideband antenna structures with radiating antenna modes excited on a planar conducting ground plane. The idea is to find structures and feeding mechanisms to excite the fundamental mode, or a certain radiating antenna mode, at a wide frequency bandwidth, by avoiding the excitation of higher order modes which might disturb the antenna performance. It is also shown that, by using multiple feeding elements, it is possible to excite higher order modes on a small antenna. / Tiivistelmä Väitöskirjassa esitetään uusia laajakaistaisia ja monielementtiantenneja matkaviestimiin. Väitöskirja koostuu neljästä pääalueesta: pintavirtojen muototeoria, laajakaistaiset antennit, monielementtiantennit sekä laajakaistaiset monielementtiantennit. Teoriaosassa säteilykenttiä on aluksi tutkittu pallon pinnalla sekä skalaaripotentiaaleina että pintavirtavektoreina, jonka jälkeen niitä on verrattu mobiilin laitteen maatason ominaispintavirtojen synnyttämiin säteilykenttiin. Teoriaosassa osoitetaan, että pallon pinnalla sekä tasomaisella suorakaiteen muotoisella pinnalla on mahdollista herättää samat säteilykentät. Myöhemmin väitöskirjassa esitettävien uudenlaisten antennirakenteiden ominaisuuksia verrataan teoriaosassa esitettyihin pintavirtoihin ja säteilykenttiin. Teoriaosuuden jälkeen osoitetaan miten säteilevä sähkömagneettinen kenttä saadaan herätettyä laajalla taajuusalueella. Tähän on otettu kaksi eri lähestymistapaa, joista ensimmäisessä esitellään ja tutkitaan kvasikomplementaarista antennirakennetta (QCA). Kvasikomplementaarisessa antennirakenteessa sisääntuloimpedanssin imaginaariosa kompensoidaan yhdistämällä sähköinen johde ja magneettinen rako samaan antenniin. Samanaikaisesti perusmuoto herätetään laajalla taajuusalueella, jolla varmistetaan antennin hyvät säteilyominaisuudet koko toimintataajuusalueella. Toisessa lähestymistavassa käytetään kahta symmetrisesti asetettua antennielementtiä, joita syötetään symmetrisesti samalla amplitudilla ja vaiheella. Kun sähkömagneettinen kenttä herätetään symmetrisesti, korkeamman kertaluvun muotojen herättäminen voidaan välttää laajalla taajuusalueella. Symmetrisesti syötetyillä antennirakenteilla saavutettu -6 dB suhteellinen impedanssikaistanleveys on 37.5–80 %. Useita syöttöelementtejä käytettäessä voidaan mobiilin laitteen maatasossa herättää yhdellä pistetaajuudella monta toisistaan riippumatonta säteilykenttää. Koska herätetyt kentät ovat toisistaan riippumattomia, on niiden välinen korrelaatio myös pieni. Kyseisellä rakenteella on mahdollista toteuttaa säteilykuviodiversiteetti erittäin pienessä tilassa, kuten matkapuhelimessa. Toisaalta, kun yhdistetään kaksi QCA-elementtiä yhdeksi monielementtiratkaisuksi, voidaan toteuttaa laajakaistainen diversiteettiantenni, jonka suhteellinen -6 dB impedanssikaistanleveys on 87.5 %. Vastaavasti kahdella laajakaistaisella QCA-elementillä toteutetulla MIMO-ratkaisulla päästään 95 % suhteelliseen -6 dB impedanssikaistanleveyteen. Molemmilla ratkaisuilla on erittäin hyvät säteilyominaisuudet sekä alhainen korrelaatio ja pieni keskinäiskytkentä antennielementtien välillä. Suunniteltaessa toimivaa laajakaistaista antennirakennetta, on tärkeää ottaa huomioon antennisyötön impedanssisovitus, jotta antennin suorituskyky ei heikkenisi. Lisäksi balansoidussa rakenteissa tulee olla laajakaistainen baluni, jolla vältetään säteilykuvion vääristyminen. Väitöskirjan syöttöratkaisuissa on käytetty kaupallisia sähkömagneettisia simulaattoreita, joilla antennirakenne voidaan mallintaa kolmiulotteisesti, ja joilla laajakaistainen syöttö saadaan optimoitua haluttuun antenniin. Suurin osa esitellyistä antennirakenteista on simulointien lisäksi myös mitattu, jolloin niiden toimivuus käytännössä pystytään todentamaan rakentamalla prototyyppiantenni. Yleisesti väitöskirjassa esitellään tasomaisia antenniratkaisuja johtavassa maatasossa, joissa säteilevät pintavirrat herätetään mahdollisimman laajalla taajuusalueella. Ideana on löytää laajakaistaisia antenni- ja syöttörakenteita, joilla saadaan herätettyä perusmuoto tai jokin muu haluttu muoto. Ajatuksena on välttää korkeamman kertaluvun muotojen herättäminen, jotka voivat pilata antennin suorituskyvyn. Väitöskirjassa osoitetaan myös, että pienikokoisella antennilla on mahdollista herättää korkeamman kertaluvun muotoja pistetaajuudella käyttämällä useita heräte-elementtejä.

The Theory of Characteristic Modes is being adopted by many research groups around the world in the last decade. This topic and their use in different metallic antenna design is growing very fast. However, most of the applications has been only concentrated on conducting surfaces without any physical knowledge about its limitations and its physical interpretation. As far as dielectric bodies are concerned, there have not been so many published articles. The reason is that there are different integro-differential formulations and the interpretation of their solutions is not as obvious as in conducting bodies. Here, a theoretical interpretation considering loss-less conducting and dielectric bodies is presented. The conclusions drawn in this thesis will allow us to better understand the solutions of the Theory of Characteristic Modes and their limitations. This is important for antenna engineering. In addition, this analysis will allow to develop a novel method for the design of antennas based on dielectric resonators, DRA. This method is called Substructure based-PMCHWT method, and is based on the implementation of the Schur complements of the method of moments matrix operator. This study permits to optimize the radiation bandwidth in the same analysis process for both, the dielectric and the feed, e.g. slot. Moreover, it allows to understand how the slot behaves in the presence of the dielectric resonator and vice versa. This method can also be used to design DRA using low permittivities. This is important in the design of DRA because the feed perturbs the system and produces a shift in the resonances of the characteristic modes. So, therefore, by considering the feed system in the characteristic modes analysis a more realistic results than a conventional analysis is obtained. On the other hand, the resonances of the characteristic modes at low permittivities are displaced from what are the natural resonances of the dielectric resonator and also the corresponding S11 resonance. Thus, designing with this new method it can draw new conclusions about the design of DRA using the Theory of Characteristic Modes. / En la última década, la teoría de los modos característicos está siendo utilizada por muchos grupos de investigación en todo el mundo. Este tema y su uso en diferentes diseños de antenas metálicas está creciendo muy rápido. Sin embargo, la mayoría de las aplicaciones se han concentrado únicamente en antenas metálicas sin ningún conocimiento físico acerca de sus limitaciones y su interpretación física. En lo que se refiere a cuerpos dieléctricos, no han habido tantos artículos publicados como en metales. La razón es que existen diferentes formulaciones integro-diferenciales y la interpretación de sus soluciones no es tan obvia como en cuerpos metálicos. En esta tesis se presenta una interpretación física de las soluciones de la Teoría de Modos Característicos al considerar cuerpos metálicos y dieléctricos sin pérdidas. Las conclusiones de esta tesis nos permitirán comprender mejor las soluciones de la Teoría de Modos Característicos y sus limitaciones. Esto es importante en ingeniería de antenas. Además, este análisis permitirá desarrollar un nuevo método para el diseño de antenas basadas en resonadores dieléctricos, DRA. Este método está basado en la formulación PMCHWT y la función de Green multicapa utilizada en el método de los momentos (MoM). A este nuevo método se le ha denominado "Substructure Characteristic Mode method", y está basado en la implementación de los complementos Schur sobre las submatrices del operador del MoM. Este estudio permite optimizar el ancho de banda de radiación de un DRA en el mismo proceso de análisis tanto para el dieléctrico como para la alimentación, como por ejemplo una ranura. Además, este método permite comprender como se comporta la ranura en presencia del resonador dieléctrico y viceversa. Este método también puede usarse para diseñar DRA usando permitividades bajas. Esto es importante en el diseño de DRA porque la alimentación perturba el sistema y produce un cambio en las resonancias de los modos característicos. Por lo tanto, al considerar la alimentación en el análisis de modos característicos se obtienen resultados más realistas comparándolos con los obtenidos mediante un análisis convencional. Así, diseñando con el "Substructure Characteristic Mode method" se pueden extraer nuevas conclusiones sobre el diseño de DRA mediante la Teoría de Modos Característicos. / En l'última dècada, la teoria dels modes característics està sent utilitzada per molts grups d'investigació en tot el món. Este tema i el seu ús en diferents dissenys d'antenes metàl·liques està creixent molt ràpid. No obstant això, la majoria de les aplicacions s'han concentrat únicament en superfícies conductores sense cap coneixement físic sobre les seues limitacions i la seua interpretació física. Pel que fa a cossos dielèctrics, no hi ha hagut tants articles publicats com en metalls. La raó és que hi ha diferents formulacions integro- diferencials i la interpretació de les seues solucions no és tan òbvia com en cossos conductors. En esta tesi es presenta una interpretació teòrica considerant cossos conductors i dielèctrics sense pèrdues. Les conclusions d'esta tesi ens permetran comprendre millor les solucions de la Teoria de Modes Característics i les seues limitacions. Açò és important en enginyeria d'antenes. Açò és important en enginyeria d'antenes. A més, esta anàlisi permetrà desenrotllar un nou mètode per al disseny d'antenes basades en ressonadors dielèctrics, DRA. Este mètode està basat en la formulació PMCHWT i la funció de Green multicapa utilitzada en el mètode dels moments (MoM) . A este nou mètode se li ha denominat "Substructure Characteristic Mode method", i està basat en la implementació dels complements Schur sobre les submatrius de l'operador del MoM. Este estudi permet optimitzar l'amplada de banda de radiació d'un DRA en el mateix procés d'anàlisi tant per al dielèctric com per a l'alimentació, com per exemple una ranura. A més, este mètode permet comprendre com es comporta la ranura en presència del ressonador dielèctric i viceversa. Este mètode també pot usar-se per a dissenyar DRA usant baixes permitivitats. Açò és important en el disseny de DRA perquè l'alimentació pertorba el sistema i produïx un canvi en les ressonàncies dels modes característics. Per tant, al considerar l'alimentació en l'anàlisi de modes característics s'obtenen resultats més realistes comparant-los amb els obtinguts per mitjà d'una anàlisi convencional. Així, dissenyant amb el "Substructure Characteristic Mode method" es poden extraure noves conclusions sobre el disseny de DRA per mitjà de la Teoria de Modes Característics. / Bernabeu Jiménez, T. (2017). Contribution to the physical interpretation of characteristic mode resonances. Application to dielectric resonator antennas [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86177 / TESIS

[ES] La Teoría de Modos Característicos (TCM), desarrollada por R.F. Harrington a mediados de los años 60, se ha convertido desde los inicios del siglo XXI, en una herramienta fundamental para el diseño sistemático de antenas, gracias a la visión física que aporta de los fenómenos de radiación. Actualmente, numerosos grupos de investigación a nivel mundial han adoptado esta teoría dentro de su metodología de diseño. No obstante, la teoría de modos característicos ha sido utilizada mayormente para el análisis de estructuras planas, existiendo pocos ejemplos de aplicación de la teoría a estructuras 3D, dada la dificultad que implica su análisis. Esta tesis tiene como objetivo diseñar antenas multi-alimentadas con un gran ancho de banda usando la TMC. La principal novedad que aporta, es la aplicación de la teoría de modos característicos al análisis de estructuras 3D y el empleo de multi alimentación para excitar de forma selectiva modos concretos de radiación. Inicialmente se presenta un análisis de estructuras planas que interactúan entre sí, y se utiliza una combinación de puertos para forzar la excitación de ciertos modos con buen comportamiento radiante. Además, se demuestra que las resonancias de una antena, no solamente son causadas por un modo en resonancia, sino que también aparecen como resultado de la combinación de modos magnéticos y eléctricos. En la tesis se proponen diseños de antenas con muy bajo perfil, obtenidas a partir del plegado progresivo de las estructuras planas previamente estudiadas. Con las técnicas de plegado se consiguen antenas compactas y de bajo perfil, fácilmente integrables, que presentan muy buenas características de radiación y una forma de excitación sencilla. Se realiza un estudio sistemático de estructuras canónicas en 3 dimensiones, como las guías de onda rectangular y circular. En primer lugar, las guías de onda y cavidades equivalentes se analizan con un enfoque clásico, obteniendo los modos de campo transversal eléctrico TE y transversal magnético TM. A continuación, se analizan las mismas guías y cavidades aplicando la teoría de modos característicos, unificando y comparando por primera vez los dos tipos de analisis. Las conclusiones extraídas del análisis de las guías de onda rectangular y circular, se han aplicado para diseñar dos tipos de antenas, que proporcionan buen ancho de banda y características de radiación óptimas para aplicaciones 5G. La tesis incluye un capítulo en el que se proponen distintos prototipos de antenas, diseñados a partir de la aplicación de la teoría de modos característicos. Se aprovechan las conclusiones obtenidas en cada uno de los capítulos de la tesis y se aplican a diseños específicos, demostrando que empleando la TCM, es posible diseñar antenas que tengan buenas características de radiación y que pueden integrarse fácilmente en dispositivos que operen con nuevas tecnologías, como 5G o IoT. / [CA] La Teoria de Modes Característics (TCM), desenvolupada per R.F. Harrington a mitjans dels anys 60, s'ha convertit des dels inicis de segle XXI, en una eina fonamental per al disseny sistemàtic d'antenes, gràcies a la visió física que aporta dels fenòmens de radiació. Actualment, nombrosos grups d'investigació a nivell mundial han adoptat aquesta teoria dins de la seva metodologia de disseny. No obstant això, la teoria de modes característics ha estat utilitzada majorment per l'anàlisi d'estructures planes, i hi ha pocs exemples d'aplicació de la teoria a estructures 3D, donada la dificultat que implica el su anàlisi. Aquesta tesi té com a objectiu dissenyar antenes multi-alimentades amb un gran ample de banda usant la TMC. La principal novetat que aporta és l'aplicació de la teoria de modes característics a l'anàlisi d'estructures 3D i l'us de multi alimentació per excitar de forma selectiva modes concrets de radiació. Inicialment es presenta un anàlisi d'estructures planes que interactuen entre si, i s'utilitza una combinació de ports per forçar l'excitació de determinats modes amb bon comportament radiant. A més, es demostra que les ressonàncies d'una antena, no solament són causades per un mode en ressonància, sinó que també apareixen com a resultat de la combinació de modes magnètics i elèctrics. A la tesi es proposen dissenys d'antenes amb molt baix perfil, obtingudes a partir del plegat progressiu de les estructures planes prèviament estudiades. Amb les tècniques de plegat s'aconsegueixen antenes compactes i de baix perfil, fàcilment integrables, que presenten molt bones característiques de radiació i una forma d'excitació senzilla. Es realitza un estudi sistemàtic d'estructures canòniques en 3 dimensions, com les guies d'ona rectangular i circular. En primer lloc, les guies d'ona i cavitats equivalents s'analitzen amb un enfocament clàssic, obtenint els modes de camp transversal elèctric ET i transversal magnètic TM. A continuació, s'analitzen les mateixes guies i cavitats aplicant la teoria de modes característics, unificant i comparant per primera vegada els dos tipus d'anàlisi. Les conclusions extretes de l'anàlisi de les guies d'ona rectangular i circular, s'han aplicat per dissenyar dos tipus d'antenes, que proporcionen bon ample de banda i característiques de radiació òptimes per a aplicacions 5G. La tesi inclou un capítol en el qual es proposen diferents prototips d'antenes, dissenyats a partir de l'aplicació de la teoria de modes característics. S'aprofiten les conclusions obtingudes en cada un dels capítols de la tesi i s'apliquen a dissenys específics, demostrant que emprant la TCM, és possible dissenyar antenes que tinguen bones característiques de radiació i que poden integrar-se fàcilment en dispositius que operen amb noves tecnologies, com 5G o IoT. / [EN] The Theory of Characteristic Modes (TCM), developed by R.F. Harrington in the mid 1960's, has become, since the beginning of the 21st century, a fundamental tool for systematic antenna design, thanks to the physical vision it provides of radiation phenomena. Currently, many research groups worldwide have adopted this theory as part of their design methodology. However, the theory of characteristic modes has been used mainly for the analysis of planar structures, and there are few examples of application of the theory to 3D structures, given the difficulty involved in its analysis. This thesis aims to design multi-fed antennas with high bandwidth using TCM. The main novelty contribution is providing the application of characteristic modes theory to the analysis of 3D structures and the use of multi-feed to selectively excite specific radiation modes. Initially, an analysis of plane structures that interact with each other is presented, and a combination of ports is used to force the excitation of certain modes with good radiant behavior. Furthermore, it is shown that the resonances of an antenna are not only caused by a resonance mode, but also appear as a result of the combination of magnetic and electrical modes. The thesis proposes antenna designs with very low profile, obtained from the progressive folding of the previously studied planar structures. With the folding techniques, compact and low-profile antennas are designed, easily integrated, with very good radiation characteristics and a simple form of excitation. A systematic study of 3-dimensional canonical structures, such as rectangular and circular waveguides, is carried out. First, the waveguides and equivalent cavities with a classical approach are analyzed, obtaining the transverse electric TE and transverse magnetic TM field modes. Then, the same waveguides and cavities are analyzed applying the theory of characteristic modes, unifying and comparing for the first time the two types of analysis. The conclusions drawn from the analysis of the rectangular and circular waveguides have been applied to design two types of antennas, which provide good bandwidth and optimal radiation characteristics for 5G applications. The thesis includes a chapter in which different antenna prototypes are proposed, designed from the application of the characteristic modes theory. The conclusions obtained in each chapters of the thesis are taken advantage of and applied to specific designs, showing that using TCM, it is possible to design antennas that have good radiation characteristics and that can be easily integrated into devices that operate with new technologies. like 5G or IoT. / Peñafiel Ojeda, CR. (2021). Design of Multi-feed UWB Antennas using the Theory of Characteristic Modes [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/175186 / TESIS

No description available.

[ES] La Teoría de los Modos Característicos, formulada originalmente en 1968, permite obtener un conjunto de valores propios reales y modos de corriente reales que se pueden utilizar para expandir la corriente total en un cuerpo conductor o dieléctrico. La información proporcionada por las corrientes características (modos) y los valores propios se puede utilizar para realizar el diseño de la antena de una manera sistemática. La gran ventaja de la Teoría de los Modos Característicos sobre otros métodos de diseño tradicionales es la clara visión física que se proporciona sobre los fenómenos que contribuyen a la radiación de la antena. Esta visión física permite comprender mejor el funcionamiento de la antena, de modo que el diseño y la optimización de la misma se pueden llevar a cabo de forma rápida y coherente. El objetivo de esta Tesis es extender el uso de la Teoría de los Modos Característicos al diseño de antenas reconfigurables de manera sistemática. El uso de antenas reconfigurables se ha vuelto cada vez más importante en los últimos años, como una forma de cumplir con los requisitos impuestos y el rendimiento deseado en los nuevos sistemas de comunicaciones inalámbricas. El enfoque de hacer una antena reconfigurable implica la capacidad de una antena para ajustar sus características, como la frecuencia de operación, el diagrama de radiación y la polarización. Diversos componentes activos como diodos varactor, diodos PIN, MEMS, interruptores de RF, elementos fotoconductores o materiales inteligentes pueden usarse para cambiar estas características básicas de la antena. La reconfiguración dinámica de los parámetros operativos de una antena conduce a un sistema de comunicación flexible. Las antenas reconfigurables por frecuencia permiten el mantenimiento de múltiples estándares mientras se mantienen las mismas características físicas de las antenas. La antena reconfigurable por radiación y la diversidad de polarización permiten aumentar la eficiencia de las comunicaciones interiores al reducir significativamente el nivel de interferencia. En esta tesis, la investigación gira en torno al análisis y diseño de estructuras de antenas con la Teoría de los Modos Característicos de manera que los parámetros de las antenas sean sintonizables, por lo que el diseño final de la estructura es una antena reconfigurable que modifica dinámicamente su rendimiento de una forma razonada y coherente. Se analizarán los modos característicos y sus propiedades para diseñar antenas reconfigurables, que combinarán diferentes modos y producirán diferentes características de radiación. En este trabajo se implementará un método sistemático para obtener las características requeridas de la antena. Además, se analizarán y evaluarán diferentes técnicas de conmutación para evaluar su efecto real en la antena y en los modos característicos. El trabajo se centrará en el diseño de pequeñas antenas reconfigurables para aplicaciones IoT y sistemas 5G. / [CA] La Teoria dels Modes Característics, formulada originalment el 1968, permet obtenir un conjunt de valors propis reals i modes de corrent reals que es poden utilitzar per expandir el corrent total en un cos conductor o dielèctric. La informació proporcionada pels corrents característics (modes) i els valors propis es pot utilitzar per fer el disseny de l'antena d'una manera sistemàtica. El gran avantatge de la Teoria dels Modes Característiques sobre altres mètodes de disseny tradicionals és la clara visió física que es proporciona sobre els fenòmens que contribueixen a la radiació de l'antena. Aquesta visió física permet comprendre millor el funcionament de l'antena, de manera que el disseny i l'optimització de la mateixa es poden dur a terme de forma ràpida i coherent. L'objectiu d'aquesta Tesi és estendre l'ús de la Teoria dels Modes Característics al disseny d'antenes reconfigurables de manera sistemàtica. L'ús d'antenes reconfigurables s'ha tornat cada cop més important en els darrers anys, com una forma de complir amb els requisits imposats i el rendiment desitjat en els nous sistemes.temes de comunicacions sense fil. L'enfocament de fer una antenna reconfigurable implica la capacitat duna antena per ajustar les seves característiques, com la frequ¿ència d'operació, el diagrama de radiació i la polarització. Diversos components actius com va donar dos varactor, díodes PIN, MEMS, interruptors de RF, elements fotoconductors o materials intel·ligents poden utilitzar-se per canviar aquestes característiques bàsiques de l'antena. La reconfiguració dinàmica dels paràmetres operatius duna antena condueix a un sistema de comunicació flexible. Les antenes reconfigurables per frequ¿ència permeten el manteniment de múltiples estàndards mentre es mantenen les mateixes característiques físiques de les antenes. L'antena reconfigurable per radiació i diversitat de polarització permeten augmentar l'eficiència de les comunicacions interiors en reduir significativament el nivell dinterferència. En aquesta tesi, la investigació gira al voltant de l'anàlisi i el disseny de estructures d'antenes amb la Teoria dels Modes Característics de manera que els paràmetres de les antenes siguin sintonitzables, per això que el disseny final de lestructura és una antena reconfigurable que modifica dinàmicament el seu rendiment d'una forma raonada i coherent. S'analitzaran els modes característics i les propietats per dissenyar antenes reconfigurables, que combinaran diferents maneres i produiran diferents característiques de radiació. En aquest tractament baix s'implementarà un mètode sistemàtic per obtenir les característiques requerides de l'antena. A més, s'analitzaran i avaluaran diferents tècniques de commutació per avaluar el seu efecte real a la antena i en les maneres característiques. El treball se centrarà en el disseny de petites antenes reconfigurables per a aplicacions IoT i sistemes 5G. / [EN] The Theory of Characteristic Modes, originally formulated in 1968, allows to obtain a set of real eigenvalues and real current modes that can be used to expand the total current on a conducting or dielectric body. The information provided by characteristic eigencurrents (modes) and eigenvalues can be used to perform antenna design in a systematic way. The great advantage of the Theory of Characteristic Modes over other traditional design methods is the clear physical vision provided about the phenomena that contribute to the radiation of the antenna. This physical vision allows to better understand the operation of the antenna, so that the design and the optimization of it can be carried out quickly and coherently. The objective of this Thesis is to extend the use of the Theory of Characteristic Modes to the design of reconfigurable antennas in a systematic way. The use of reconfigurable antennas has become more and more important during the last years, as a way to meet the imposed requirements and desired performance of novel wireless communication systems. The approach of making an antenna reconfigurable implies the capability of an antenna system to adjust its characteristic such as operating frequency, radiation pattern and polarization. Active components such as varactor diodes, PIN diodes, MEMS, RF switches, photoconductive elements or smart materials can be used to change these base characteristics. The dynamic reconfigurability of the operating parameters of an antenna leads to a flexible communication system. Frequency reconfigurable antennas enable multi-standard performances to be maintained while preserving the same physical characteristics of the antennas. Radiation reconfigurable and polarisation diversity antennas enable to increase the efficiency of indoor communications by significantly decreasing the level of interference. In this thesis, the research is turning around the analysis and design of antenna structures with the Theory of Characteristic Modes in a way that the antenna parameters will be tuneable, so the final design of the structure is a reconfigurable antenna that modifies dynamically its performance in a reasoned and coherent way. Characteristic modes and their properties will be analysed in order to design reconfigurable antennas, which combine different modes and produce different radiation characteristics. A systematic method to obtain the required characteristics of the antenna will be implemented during this work. Moreover, different switching techniques will be analysed and evaluated in order to asses their real effect on the antenna and on the characteristic modes. In this work, small reconfigurable antenna prototypes will be designed for IoT applications and 5G systems. / This study was supported by the Spanish Ministry of Science and Innovation (Ministerio Ciencia e Innovación) under project no. PID2019-107885GB-C32 and Generalitat Valenciana under project no. AICO/2019/018. This work has also been supported by the Spanish Ministry of Science, Innovation and Universities (Ministerio Ciencia, Innovación y Universidades) under the project TEC2016- 78028-C3-3-P and by “Centre National pour la Recherche Scientifique et Technique (CNRST, Maroc)” as part of the research excellence scholarships program / Mahlaoui Boudallaa, Z. (2023). Analysis and Design of Reconfigurable Antennas Using the Theory of Characteristic Modes [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/201555

Characteristic modes (CMs) provide deep insight into the electromagnetic behaviour of any arbitrarily shaped conducting structure because the CMs are unique to the geometry of the object. We exploit this very fact by predicting a perhaps surprising number of important antenna metrics such as resonance frequency, radiation efficiency and antenna Q (bandwidth) without needing to specify a feeding location. In doing so, it is possible to define a collection of objective functions that can be used in an optimizer to shape-synthesize antennas without needing to define a feed location a priori. We denote this novel form of optimization “feedless” or “excitation-free” antenna shape synthesis. Fundamentally, we are allowing the electromagnetics to dictate how the antenna synthesis should proceed and are in no way imposing the physical constraints enforced by fixed feeding structures. This optimization technique is broadly applied to three major areas of antenna research: electrically small antennas, multi-band antennas and reflectarrays. Thus, the scope of applicability ranges from small antennas, to intermediate sizes and concludes with electrically large antenna designs, which is a testament to the broad applicability of characteristic mode theory. Another advantage of feedless electromagnetic shape synthesis is the ability to synthesize antennas whose desirable properties approach the fundamental limits imposed by electromagnetics. As an additional benefit, the feedless optimization technique is shown to have greater computational efficiency than traditional antenna optimization techniques.

Characteristic modes (CMs) provide deep insight into the electromagnetic behaviour of any arbitrarily shaped conducting structure because the CMs are unique to the geometry of the object. We exploit this very fact by predicting a perhaps surprising number of important antenna metrics such as resonance frequency, radiation efficiency and antenna Q (bandwidth) without needing to specify a feeding location. In doing so, it is possible to define a collection of objective functions that can be used in an optimizer to shape-synthesize antennas without needing to define a feed location a priori. We denote this novel form of optimization “feedless” or “excitation-free” antenna shape synthesis. Fundamentally, we are allowing the electromagnetics to dictate how the antenna synthesis should proceed and are in no way imposing the physical constraints enforced by fixed feeding structures. This optimization technique is broadly applied to three major areas of antenna research: electrically small antennas, multi-band antennas and reflectarrays. Thus, the scope of applicability ranges from small antennas, to intermediate sizes and concludes with electrically large antenna designs, which is a testament to the broad applicability of characteristic mode theory. Another advantage of feedless electromagnetic shape synthesis is the ability to synthesize antennas whose desirable properties approach the fundamental limits imposed by electromagnetics. As an additional benefit, the feedless optimization technique is shown to have greater computational efficiency than traditional antenna optimization techniques.

Characteristic modes (CMs) provide deep insight into the electromagnetic behaviour of any arbitrarily shaped conducting structure because the CMs are unique to the geometry of the object. We exploit this very fact by predicting a perhaps surprising number of important antenna metrics such as resonance frequency, radiation efficiency and antenna Q (bandwidth) without needing to specify a feeding location. In doing so, it is possible to define a collection of objective functions that can be used in an optimizer to shape-synthesize antennas without needing to define a feed location a priori. We denote this novel form of optimization “feedless” or “excitation-free” antenna shape synthesis. Fundamentally, we are allowing the electromagnetics to dictate how the antenna synthesis should proceed and are in no way imposing the physical constraints enforced by fixed feeding structures. This optimization technique is broadly applied to three major areas of antenna research: electrically small antennas, multi-band antennas and reflectarrays. Thus, the scope of applicability ranges from small antennas, to intermediate sizes and concludes with electrically large antenna designs, which is a testament to the broad applicability of characteristic mode theory. Another advantage of feedless electromagnetic shape synthesis is the ability to synthesize antennas whose desirable properties approach the fundamental limits imposed by electromagnetics. As an additional benefit, the feedless optimization technique is shown to have greater computational efficiency than traditional antenna optimization techniques.