[EN] Microfluidic systems have been emerged as a promising technology for molecular analysis, biodefence and microelectronics. The properties of the microfluidic devices, such as rapid sample processing and the precise control of fluids, have made them attractive candidates to replace traditional experimental approaches. Microfluidic devices are characterized by fluidic channels with dimensions on the order of tens to hundreds of micrometers. Structures with this size enable the integration of lab-on-chip technology, which allows processing miniaturized devices for fluid control and manipulation. Fluid sensing by microwave sensors based on the RF analysis offers new possibilities for the characterization of mediums by non-invasive methods. Dielectric measurement of fluids is important because it can provide the electric or magnetic characteristics of the materials, which proved useful in many research and development fields, such as molecular biology and medical diagnosis. Several techniques are available in the frequency domain for analyzing the dielectric properties of liquids and their composition. We are focused in resonant cavity techniques for fluid characterization in the millimeter-wave range. However, these techniques are incompatible with lab-on-chip process due its dimensions in this frequency range. In this context, a new structure called gap waveguide appears as a good candidate to overcome the principal drawbacks of the classical resonant cavities. This thesis presents the development of the gap waveguide technology in the millimeter-wave band. Other conventional technologies are discussed as well, to compare them with the performance in terms of losses of the gap waveguide. We also present the resonator design based on gap waveguide with the purpose of making the gap waveguide a technology capable of working in the microfluidic sensing domain. In this context, we propose a comparative study between gap waveguide and Substrate Integrated Cavity (SIC) with the aim to characterize the fluid permittivity at 60 GHz. With this purpose, several prototypes have been manufactured with PCB ("Printed Circuit Board") and Low Temperature Co-fired Ceramic (LTCC) technologies. A work in the LTCC laboratory has been done with the purpose of validating some steps in the LTCC process which are key in the gap waveguide manufacturing, especially those related with the creation of cavities (external and internal) using LTCC materials. / [ES] Los sistemas microfluídicos han emergido como una tecnología prometedora para el análisis molecular, biodefensa y microelectrónica. Las propiedades de los dispositivos microfluídicos tales como el procesamiento rápido de las muestras y el control de los fluidos, les han hecho atractivos candidatos para reemplazar los tradicionales métodos experimentales. Los dispositivos microfluídcos están caracterizados por canales fluídicos con dimensiones del orden de decenas a centenares de micrómetros. Las estructuras con estos tamaños permiten la integración de la tecnología "lab-on-chip", la cual permite el procesamiento de dispositivos miniaturizados para el control y la manipulación de fluidos. La detección de fluidos a través de sensores de microondas basados en el análisis de radiofrecuencia ofrece nuevas posibilidades para la caracterización de medios a través de métodos no invasivos. Las medidas dieléctricas de los fluidos son importantes debido a que pueden proporcionar información las características eléctricas o magnéticas de los materiales, siendo útil en muchos campos de investigación y desarrollo tales como biología molecular o para realizar diagnósticos médicos. En el dominio frecuencial, varias tecnologías están disponibles en el mercado para analizar las propiedades dieléctricas y la composición de los líquidos. En esta tesis, estamos enfocados en las técnicas basadas en cavidades resonantes para la caracterización de fluidos en el rango de las ondas milimétricas. Sin embargo, estas técnicas son incompatibles con los procesos "lab-on-chip" debido a sus dimensiones en esta banda de frecuencia. En este contexto, una nueva estructura guía onda denominada "gap waveguide" aparece como un buen candidato para solventar los principales inconvenientes de las clásicas cavidades resonantes. En esta tesis se ha desarrollado la tecnología "gap waveguide" en la banda de ondas milimétricas. Otras tecnologías convencionales serán estudiadas para comparar el rendimiento de todas ellas en términos de pérdidas. También se presenta en esta tesis, el diseño de resonadores basados en la tecnología "gap waveguide" con el propósito de hacer esta tecnología compatible con la detección microfluídica. En este contexto, proponemos un estudio comparativo entre las tecnologías "gap waveguide" y "Substrate Integrated Cavity" (SIC) con el objetivo de caracterizar la permitividad de los fluidos a 60 GHz. Con este propósito, varios prototipos han sido fabricados usando las tecnologías PCB ("Printed Circuit Board") y LTCC ("Low Temperature Co-fired Ceramic". Un importante trabajo en el laboratorio LTCC se realizó para validar algunas de las etapas del proceso LTCC que eran la clave para la fabricación de prototipos basados en "gap waveguide", como la creación de cavidades (externas e internas) usando materiales LTCC. / [CA] Els sistemes microfluídics han emergit com una tecnologia prometedora per a l'anàlisi molecular, biodefensa i microelectrònica. Les propietats dels dispositius microfluídics com el processament ràpid de les mostres i control dels fluids, els han fet atractius candidats per a reemplaçar les tradicionals aproximacions experimentals. Els dispositius microfluídcs estan caracteritzats per canals fluídics amb dimensions de l'orde de desenes a centenars de micròmetres. Les estructures amb estes grandàries permeten la integració de la tecnologia "lab-on-chip", la qual permet el processament de dispositius miniaturitzats per al control i la manipulació de fluids. La detecció de fluids a través de sensors de microones basats en l'anàlisi de radiofreqüència oferix noves possibilitats per a la caracterització de sistemes a través de mètodes no invasius. Les mesures dielèctriques dels fluids són importants pel fet que poden proporcionar informació sobre les característiques elèctriques o magnètiques dels materials, sent útil en molts camps d'investigació i desenvolupament com biologia molecular o per a realitzar diagnòstics. En el domini freqüencial, diverses tecnologies estan disponibles en el mercat per analitzar les propietats dielèctriques i la composició dels líquids. En aquesta tesi, estem enfocats en les tècniques basades en cavitats ressonants per a la caracterització de fluids en el rang de les ones mil·limètriques. No obstant això, aquestes tècniques són incompatibles amb els processos "lab-on-chip" a causa de les seues dimensions en aquesta banda de freqüència. En aquest context, una nova estructura guia onda denominada "gap waveguide" apareix com un bon candidat per a resoldre els principals inconvenients de les clàssiques cavitats ressonants. En aquesta tesi s'ha desenvolupat la tecnologia "gap waveguide" en la banda d'ones mil·limètriques. Altres tecnologies convencionals seran estudiades per a comparar el rendiment de totes elles en termes de pèrdues.També es presenta en esta tesi el disseny de ressonadors basats en la tecnologia "gap waveguide" amb el propòsit de fer esta tecnologia compatible amb la detecció microfluídica. En aquest context, proposem un estudi comparatiu entre les tecnologies "gap waveguide" i "Substrate Integrated Cavity" (SIC) amb l'objectiu de caracteritzar la permitivitat dels fluids a 60 GHz. Amb aquest propòsit, diversos prototips han sigut fabricats usant les tecnologies PCB ("Printed Circuit Board") i LTCC ("Low Temperature Co-fired Ceramic". Un important treball en el laboratori LTCC es va realitzar per a validar algunes de les etapes del procés LTCC que eren la clau per a la fabricació de prototips basats en "gap waveguide", com la creació de cavitats (externes i internes) usant materials LTCC. / Arenas Buendia, C. (2016). Enhanced fluid characterization in the millimeter-wave band using Gap Waveguide Technology [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/62781

This thesis discusses Slot antennas that are based in gap waveguide technology, which allows them to work with high frequency signals. It contains theoretical findings about antennas and waveguides, which are later used in the design. The practical section of this thesis concentrates on designing a specific gap waveguide for 10 and 24 GHz frequencies, starting with modeling and parameter optimalization. This gap waveguide is then used as a base for slot antenna design. The final antenna is designed for frequency of 10 GHz, for both linear and right-handed circular polarizations. With right-handed circular polarization, the achieved band was approximately 1.41 GHz, while the gain was 7,6 dB.

Over the last few years, the ever-increasing use of the new emerging wireless communication systems has imposed a considerable challenge in the development of novel microwave devices that can support the high bit rates and wide bandwidths demanded by the society. Moreover, other of the main goals of the current microwave components' designers is the fact that these devices can withstand the increasingly higher RF power requirements that must be considered at the output stages of transmitters. In this context, several physical phenomena should be analyzed in order to maximize the so-called power handling capability (PHC) in microwave components. In particular, this thesis focuses on the study of the corona discharge breakdown, since it is a physical effect that may limit the peak power thresholds (also known as peak power handling capability or PPHC) of microwave devices. In this regard, the main aim of this work is the proposal of several design strategies to achieve a considerable improvement of the PPHC in different filtering structures. In this sense, this dissertation is divided into two main parts. On the one hand, the study of the corona discharge breakdown will be first focused on microstrip bandpass filters, where the variation of the maximum electric field strength will be analyzed, and different solutions based on dielectric covers, rounded open-circuit terminations, an anticorona lacquer or a commercial adhesive will be thoroughly investigated and compared. The main objective will be the maximization of the peak power levels, while the degradation of the unloaded quality factor of the resonators will be minimized as far as possible. On the other hand, the second part of this thesis dissertation deals with a similar exhaustively analysis in groove gap waveguides (GGWs). Furthermore, different topologies of bandpass filters based on this technology will be studied, focusing also on the type of the electric field's polarization. In a similar way, several design criteria will be proposed for improving the PPHC of these components, thereby achieving a significant enhancement and reaching the same peak power thresholds of the counterpart rectangular waveguide devices. Finally, all the solutions described above will be experimentally validated in diverse measurement campaigns carried out at the European High Power RF Space Laboratory to corroborate the proper and good performances of all of them. / A lo largo de los últimos años, el uso cada vez mayor de los nuevos sistemas de comunicación inalámbricos emergentes ha impuesto un reto considerable en el desarrollo de novedosos dispositivos de microondas que puedan soportar las altas tasas de bits y amplios anchos de banda demandados por la sociedad. Además, otro de los principales objetivos de los actuales diseñadores de componentes de microondas es el hecho de que estos dispositivos puedan soportar los requisitos de potencia RF cada vez más elevados que se deben considerar en las etapas de salida de los transmisores. En este contexto, diversos fenómenos físicos deben ser estudiados para maximizar la denominada capacidad de manejo de potencia (PHC, por sus siglas en inglés) en componentes de microondas. En particular, esta tesis doctoral se centra en el estudio de la descarga de corona, ya que es un efecto físico que puede limitar los umbrales de potencia de pico (también conocido como capacidad de manejo de la potencia de pico o PPHC, por sus siglas en inglés) de dispositivos de microondas. Por ello, el principal objetivo de este trabajo es la propuesta de varias estrategias de diseño para conseguir una mejora considerable de la PPHC en diferentes estructuras filtrantes. En este sentido, esta tesis se divide en dos partes principales. Por un lado, el estudio del efecto corona se centrará en primer lugar en filtros paso banda en tecnología microstrip, donde se analizará la variación de la intensidad máxima del campo eléctrico, así como también se investigarán y compararán a fondo diferentes soluciones basadas en cubiertas dieléctricas, terminaciones en circuito abierto redondeadas, una laca anticorona o un adhesivo comercial. El objetivo principal será maximizar los niveles de potencia de pico, mientras se minimizará en la medida de lo posible la degradación del factor de calidad de los resonadores. Por otro lado, la segunda parte de esta tesis doctoral aborda un análisis exhaustivo parecido en guías de onda groove-gap (GGWs, por sus siglas en inglés). Además, se estudiarán distintas topologías de filtros paso banda basados en esta tecnología, centrándose también en el tipo de polarización del campo eléctrico. Del mismo modo, se propondrán varios criterios de diseño para mejorar la PPHC de estos componentes, consiguiendo así una mejora significativa y alcanzando los mismos umbrales de potencia de pico que los dispositivos equivalentes en guía de onda rectangular. Finalmente, todas las soluciones descritas serán validadas experimentalmente en diversas campañas de medidas realizadas en el Laboratorio Europeo de Alta Potencia en RF para corroborar el correcto y buen funcionamiento de todas ellas. / Al llarg dels últims anys, l'ús cada vegada major dels nous sistemes de comunicació sense fils emergents ha imposat un repte considerable en el desenvolupament de nous dispositius de microones que puguen suportar les altes taxes de bits i grans amplades de banda demandades per la societat. A més, un altre dels principals objectius dels actuals dissenyadors de components de microones és el fet que aquests dispositius puguen suportar els requisits de potència RF cada vegada més elevats que s'han de considerar en les etapes d'eixida dels transmissors. En aquest context, diversos fenòmens físics han de ser estudiats per a maximitzar la denominada capacitat de maneig de potència (PHC, per les seues sigles en anglès) en components de microones. En particular, aquesta tesi doctoral se centra en l'estudi de la descàrrega de corona, ja que és un efecte físic que pot limitar els llindars de potència de pic (també conegut com a capacitat de maneig de la potència de pic o PPHC, per les seues sigles en anglès) de dispositius de microones. Per això, el principal objectiu d'aquest treball és la proposta de diverses estratègies de disseny per a aconseguir una millora considerable de la PPHC en diferents estructures filtrants. En aquest sentit, aquesta tesi es divideix en dues parts principals. Per un costat, l'estudi de l'efecte corona se centrarà en primer lloc en filtres passabanda en tecnologia microstrip, on s'analitzarà la variació de la intensitat màxima del camp elèctric, així com també s'investigaran i compararan a fons diferents solucions basades en cobertes dielèctriques, terminacions en circuit obert arredonides, una laca anticorona o un adhesiu comercial. L'objectiu principal serà maximitzar els nivells de potència de pic, mentre es minimitzarà en la mesura que siga possible la degradació del factor de qualitat dels ressonadors. Per l'altre costat, la segona part d'aquesta tesi doctoral aborda una anàlisi exhaustiva similar en guies d'ona groove-gap (GGWs, per les seues sigles en anglès). A més, s'estudiaran diferents topologies de filtres passabanda basats en aquesta tecnologia, centrant-se també en el tipus de polarització del camp elèctric. De la mateixa manera, es proposaran diversos criteris de disseny per a millorar la PPHC d'aquests components, aconseguint així una millora significativa i els mateixos llindars de potència de pic que els dispositius equivalents en guia d'ona rectangular. Finalment, totes les solucions descrites seran validades experimentalment en diverses campanyes de mesures realitzades en el Laboratori Europeu d'Alta Potència en RF per a corroborar el correcte i bon funcionament de totes elles. / Work supported by the Spanish Ministry of Science and Innovation (MCIN) and the State Agency of Research (AEI) through the Sub-Project C43 of the Coordinated Project PID2019-103982RB [MCIN/AEI/10.13039/501100011033]. Aitor Morales-Hernández has received a fellowship grant from the University of Alicante [UAFPU2018-054].

Wireless sensors are used widely for condition monitoring in electric machines. The metal enclosure of an electric motor restricts the signal from sensors to radiate outside. The signal from the metal cavity needs to be guided to the only opening in the enclosure, through a narrow gap between the stator and the rotating rotor. Gap waveguide technology is proposed as a solution by texturing the stator surface with electromagnetic band gap (EBG) structures. Arrays of periodic holey structures are used to realize the metasurface waveguide. Two Bravais lattice structures – square and hexagonal, are explored for guiding waves along a desired path in a parallel plate waveguide. Simulations are carried out to study the influence of various dimensions of the unit cells. A waveguide with hexagonal hole-type unitcell is designed and manufactured for experimental verification. The possibility of extending the same technology to cylindrical surface is confirmed by simulations. / Trådlösa sensorer används allmänt för tillståndsövervakning i elektriska maskiner. Metallhöljet hos en elektrisk motor begränsar signalen från sensorerna från att stråla utåt. Signalen från metallhåligheten behöver styras till den enda öppningen i höljet, genom ett smalt mellanrum mellan statorn och den roterande rotorn. Gap-vågledarteknik föreslås som en lösning genom att strukturera statorytan med elektromagnetiska bandgap-strukturer (EBG). Arrayer av periodiskt håliga strukturer används för att realisera metayt-vågledare. Två Bravais gitterkonstruktioner –kvadratiska och sexkantiga, undersöks för styrning av vågor längs en önskad väg i en parallellplattvågledare. Simuleringar utförs för att studera påverkan av olika dimensioner hos enhetscellerna. En vågledare med hexagonal håltypsenhetscell är konstruerad och tillverkad för experimentell verifiering. Möjligheten att utvidga samma teknik till cylindrisk yta bekräftas genom simuleringar.

Automotive radars have gained considerable interest in recent years for applications of road safety for vulnerable road users. The use of multipleinput and multiple-output (MIMO) technology in automotive radar has helped in realising a virtual aperture greater than the physical aperture of the antenna which has reduced the size of the overall radar module. But increasing the number of MIMO channels for greater angular resolution can introduce increased computational complexity, processing time and latency. A new type of radar using the multiple input multiple steered output (MIMSO) radar can alleviate these concerns by replacing the angle-FFT with beamforming by means of a lens. A double-layer lens with a beamforming layer and a radiating layer with a radiating aperture on the 2-D footprint of the lens is proposed as an antenna system for this new radar technique. This work focuses on the radiating aperture which has been realised as a travelling wave planar slotted array in gap waveguide technology due to its benefit of low losses and ease of manufacturing. A ridged gap waveguide is chosen for the reduction of the waveguide size and to avoid the appearance of grating lobes in the visible range for large scan angles. The planar slotted array is synthesised in the travelling wave configuration and reflection cancelling notches are used in the ridge to cancel the reflections from the slots. The aperture is chosen to be of a circular shape for a compact design and to maximise aperture efficiency. The planar array is verified with a full-wave simulation with a bandwidth of 76 to 81 GHz and a realised gain of 27.7 dBi at the centre frequency. The array can be scanned up to ±50◦ with a scan loss of 2.4 dBi. / Fordonsradarer har fått stort intresse under de senaste åren för tillämpningar av trafiksäkerhet för utsatta trafikanter. Användningen av MIMO-teknik (multipleinput och multiple-output) i bilradar har hjälpt till att realisera en virtuell bländaröppning som är större än antennens fysiska bländaröppning, vilket har minskat storleken på den totala radarmodulen. Men att öka antalet MIMOkanaler för större vinkelupplösning kan introducera ökad beräkningskomplexitet, bearbetningstid och latens. En ny typ av radar som använder MIMSO-radarn (multiple input multiple steered output) kan lindra dessa problem genom att ersätta vinkel-FFT med strålformning med hjälp av en lins. En dubbelskiktslins med ett strålformande skikt och ett strålande skikt med en strålande bländare på linsens 2D-fotavtryck föreslås som ett antennsystem för denna nya radarteknik. Detta arbete fokuserar på strålningsöppningen som har realiserats som en plan slitsad array i gap-vågledarteknologi på grund av dess fördel med låga förluster och enkel tillverkning. En vågledare med räfflade gap väljs för att minska vågledarstorleken och för att undvika uppkomsten av gitterlober i det synliga området för stora avsökningsvinklar. Den plana uppsättningen syntetiseras i den vandringsvågkonfigurationen och reflektionsupphävande skåror används i åsen för att eliminera reflektionerna från slitsarna. Bländaren är vald för att ha en cirkulär form för en kompakt design och för att maximera bländareffektiviteten. Planar arrayen verifieras med en helvågssimulering med en bandbredd på 76 till 81 GHz och en realiserad vinst på 27, 7 dBi vid mittfrekvensen. Arrayen kan skannas upp till ±50◦ med en skanningsförlust på 2, 4 dBi.

[ES] Esta tesis aborda temas de especial interés en el diseño de antenas en la banda de milimétricas. Hui en dia, implementar components passius per a operar en la banda de mil·limètriques i assegurar el contacte i l'alineament metàl·lic apropiat entre peces, resulta un desafiament complex. Habitualment les línies de transmissió i les guies d'ones metàl·liques són les solucions adoptades, però en el primer cas es presenten pèrdues al ser solucions impreses i en el segon cas un mal contacte metàl·lic comporta fugues de camp. Per tant, s'estan explorant nous conceptes que solucionen estos problemes. La tecnología Gap Waveguide (GW) resulta adecuada ya que no requiere de contactos metálicos. En los últimos años han surgido las agrupaciones de antenas basadas en la tecnología Gap Waveguide y son un candidato prometedor para satisfacer algunas de las necesidades mencionadas. La tecnología GW ha demostrado ser atractiva para dispositivos de milimétricas porque permite redes de distribución completamente metálicas de una manera más simple que las guías de onda convencionales. Por tanto, estas redes tienen muy bajas pérdidas pero además son simples de fabricar. Esto es posible gracias a la capacidad de las GW de confinar de forma segura la propagación de ondas electromagnéticas por medio de una estructura que no requiere de contacto. Durante la última década, se han hecho avances importantes en la tecnología GW y en la literatura se pueden encontrar un buen número de antenas basadas en GW. Esta tesis va un paso más allá en la contribución de este tipo de antenas. Aquí, no solo se presentan antenas con polarización lineal, como suelen ser las desarrolladas hasta ahora, sino también con polarización dual, circular y duales en banda. Estas aportaciones son especialmente atractivas dentro del campo de las comunicaciones por satélite en movimiento (SATCOM on-the-move). Además, se han explorado nuevas redes de distribución que permiten antenas planas más compactas, más ligeras. / [CA] Esta tesi aborda temes d'especial interés en el disseny d'antenes en la banda de mil.limètriques. Hui en dia, implementar components passius per a operar en longituds d'onda tan xicotetes (de l'orde de mil.límetres) i assegurar el contacte i l'alineament metàl-lic apropiat entre peces, resulta un desafiament complex. Habitualment les línies de transmissió i les guia d'ones metàl.liques són les solucions adoptades, però en el primer cas es presenten pèrdues al ser solucions impreses i en el segon cas un mal contacte metàl.lic comporta fugues de camp. Per tant, s'estan explorant nous conceptes que solucionen estos problemes. La tecnologia Gap Waveguide (GW) resulta adequada ja que no requerix de contactes metàl.lics. En els últims anys han sorgit les agrupacions d'antena basades en la tecnologia Gap Waveguide i són un candidat prometedor per a satisfer algunes de les necessitats mencionades. La tecnologia GW ha demostrat ser atractiva per a dispositius de banda d'ones mil-limètriques perquè permet xarxes de distribució completament metàl-liques d'una manera més simple que les guies d'onda convencionals. Per tant estes xarxes tenen baixes pèrdues peró, a més, són simples de fabricar. Açò és possible gràcies a la capacitat de les GW de confinar de forma segura la propagació d'ones electromagnètiques per mitjà d'una estructura que no requerix de contacte. Durant l'última dècada, s'han fet avanços importants en la tecnologia GW i en la literatura es poden trobar un bon nombre d'antenes basades en GW. Esta tesi va un pas més enllà en la contribució d'este tipus d'antenes. Ací, no sols es presenten antenes amb polarització lineal com solen ser les desenrotllades fins ara, sinó també antenes amb polarització dual, circular i inclús antenes duals en banda. Estes aportacions són especialment atractives dins del camp de les comunicacions per satèl.lit en moviment (SATCOM on-the-move). A més també s'han explorat noves xarxes de distribució que permeten obtindre antenes planes més compactes, més lleugeres. / [EN] This thesis deals with topics of special interest regarding the design of antennas at the mm-wave band. Today, implementing passive components that operate in the mm-wave band and to ensure the appropriate metallic contact is challenging. Commonly, conventional planar transmission lines and hollow metallic waveguides are the usual solutions but they present high losses or they do not ensure a good metallic contact. So, new concepts must be explored. Gap Waveguides (GWs), result suitably since they do not require metallic contact for shielding. Antenna arrays in Gap Waveguide Technology (GW) emerges as one promising candidate to naturally meet some of the mentioned needs. GW technology has demonstrated to be effective for mm-wave band devices because it enables full-metal distribution networks in a much simpler way than conventional waveguides. Very low distribution losses can be achieved preserving at the same time the assembly simplicity of multilayer microstrip feeding networks. This unique feature is a consequence of gap waveguides ability to safely confine the electromagnetic wave propagation through a contactless structure. During the last decade, there have been important advances in GW technology and a good number of gap waveguide-based arrays can be found in the literature. This thesis goes a step further in the contribution to mm-wave gap waveguide antennas. Here, antennas with linear polarization as well as circular or dual polarization are proposed. Dual band antennas has also been explored. These contributions have been carried out with a focus on satellite communications on-the-move. In addition, new distribution networks have also been explored to obtain more compact, low-profile and lighter antennas. / Ferrando Rocher, M. (2018). Gap Waveguide Array Antennas and Corporate-Feed Networks for mm-Wave band Applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/115933