El principal objetivo de esta tesis es demostrar que la Teoría de los Modos Característicos puede ser empleada de forma sistemática para diseñar antenas de hilo y antena planas. La gran ventaja de los modos característicos, frente a otros métodos de diseño, es la clara visión física que proporcionan de los fenómenos que contribuyen a la radiación de la antena. A través de numerosos ejemplos se demostrará como los modos característicos permiten comprender mejor el funcionamiento de una antena, de forma que el diseño de la misma se puede realizar de forma justificada y coherente. También se mostrará como la información proporcionada por los modos característicos puede ser aprovechada para seleccionar la forma más apropiada para el elemento radiante, al igual que para elegir una configuración de alimentación óptima que maximice el ancho de banda de impedancia. La Teoría de los Modos Característicos fue inicialmente formulada por Garbacz en 1968, y posteriormente refinada por Harrington y Mautz en 1971. Tradicionalmente, los modos característicos han sido empleados para sintetizar formas de antena, y para controlar la difracción de objetos mediante carga reactiva. Sin embargo, en la actualidad, la Teoría de los Modos Característicos ha caído prácticamente en el olvido, a pesar de que permite obtener una solución modal para la corriente, que es de gran utilidad a la hora de analizar problemas de análisis, síntesis y optimización de antenas y difractores. La Teoría de los Modos Característicos parte de la definición de un problema de autovalores que involucra la matriz de impedancia generalizada de la estructura, y que tras ser resuelto proporciona un conjunto de modos de corriente reales, que son los denominados modos característicos. Estos modos se corresponden con las resonancias naturales de la estructura y pueden ser obtenidos numéricamente para cuerpos conductores de forma arbitraria. Por otra parte, los modos característicos forman un conjunto de funciones cer / Cabedo Fabrés, M. (2007). Systematic design of antennas using the theory of characteristic modes [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/1883

[ES] En años recientes, el tráfico de datos a nivel mundial está creciendo significativamente. Debido a esto, los nuevos sistemas de telecomunicaciones buscan incrementar las velocidades de transmisión con amplia área de cobertura. Para los retos mencionados, las lentes y sus variantes son soluciones prometedoras. Las lentes tienen propiedades interesantes porque generalmente poseen bajas pérdidas y una gran directividad, que son los requisitos básicos que deben cumplir las antenas para estos nuevos sistemas de comunicaciones. El objetivo de esta tesis es proponer el uso de la Teoría de Modos Característicos para facilitar el diseño, la optimización y el análisis de lentes metálicas con alta ganancia sobre un gran ancho de banda, manteniendo un tamaño compacto en la estructura. El análisis mediante la Teoría de Modos Característicos se ha utilizado como punto de partida para evaluar el comportamiento modal y proporcionar una visión física de las características de radiación de la estructura metálica en un determinado rango de frecuencias. En este trabajo se realiza un estudio de los modos característicos de los principales cuerpos geométricos regulares con simetría de revolución, para ver su potencial en cuanto a ser empleados en el diseño de las lentes metálicas. Específicamente, se investiga la significancia modal, el ángulo característico y la contribución de cada modo a la potencia radiada total cuando incide una onda plana en el cuerpo conductor. Utilizando la información proporcionada por los autovalores, se optimiza la forma y el tamaño de la estructura metálica. Adicionalmente, se selecciona la estructura de alimentación óptima que permita excitar el modo deseado en la estructura. Seguidamente, se propone un método alternativo para el cálculo del punto focal de la estructura metálica. Además, en esta tesis se estudian los alimentadores de lentes más importantes que se han desarrollado en los últimos años y se proponen dos alimentadores prácticos con un bajo nivel de polarización cruzada, para operar en las banda de frecuencias de microondas y milimétricas. Al estudiar las lentes, se comienza comparando y describiendo las técnicas más utilizadas en el diseño de estas estructuras. Seguidamente, se aplica la Teoría de Modos Característicos para el diseño de diversos tipos de lentes metálicas. En primer lugar, se analiza las corrientes modales en diversas estructuras metálicas, para luego con esta información diseñar lentes de bajo perfil. Luego se aplica el mismo enfoque para antenas con estructuras de una sola capa, que tienen dimensiones físicas más grandes. Posteriormente, se estudia y diseña una lente metálica de dos capas, y se analizan diversas combinaciones de estructuras metálicas para conseguir mayor directividad en la antena. Además, se diseña una lente metálica de tres capas y una antena de una sola capa con doble alimentación. Finalmente, se propone una lente para una estación base dual en polarización y con posibilidad de obtener hasta cuatro modos de radiación ortogonales. En el último capítulo de esta tesis, se presentan los prototipos y se evalúan las prestaciones de las siguientes antenas: La lente de una capa formada por un anillo metálico central rodeado por un rodeado por un conjunto de ocho anillos pequeños, la antena formada por dos anillos de diferente diámetro distribuidos en dos capas, una nueva lente de bajo perfil formada por doce anillos metálicos distribuidos en una sola capa y dispuestos a lo largo de un círculo y una lente de bajo perfil formada por dos anillos con tiras metálicas cortocircuitando ambos anillos. En esta parte, se describen las principales medidas realizadas de ganancia, eficiencia y polarización cruzada de las lentes mencionadas. Los diseños son verificados, consiguiendo muy buenos resultados de ganancia en un amplio ancho de banda, validando de esta manera la técnica propuesta. / [CA] En anys recents, el tràfic de dades a nivell mundial està creixent significativament. A causa d'això, els nous sistemes de telecomunicacions busquen incrementar les velocitats de transmissió amb àmplia àrea de cobertura. Per als reptes esmentats, les lents i les seues variants són solucions prometedores. Les lents tenen propietats interessants perquè generalment posseeixen baixes pèrdues i una gran directivitat, que són els requisits bàsics que han de complir les antenes per a aquests nous sistemes de comunicacions. L'objectiu d'aquesta tesi és proposar l'ús de la Teoria de Modes Característics per a facilitar el disseny, l'optimització i l'anàlisi de lents metàl·liques amb alt guany sobre una gran amplada de banda, mantenint una grandària compacta en l'estructura. L'anàlisi mitjançant la Teoria de Modes Característics s'ha utilitzat com a punt de partida per a avaluar el comportament modal i proporcionar una visió física de les característiques de radiació de l'estructura metàl·lica en un determinat rang de frequències. En aquest treball, es realitza un estudi dels modes característics dels principals cossos geomètrics regulars amb simetria de revolució, per a veure el seu potencial quant a ser emprats en el disseny de les lents metàl·liques. Específicament, s'investiga la significança modal, l'angle característic i la contribució de cada mode a la potència radiada total quan incideix una ona plana en el cos conductor. Utilitzant la informació proporcionada pels autovalors, s'optimitza la forma i la grandària de l'estructura metàl·lica. Adicionalment, se selecciona l'estructura d'alimentació òptima que permeta excitar el mode desitjat en l'estructura. Seguidament, es proposa un mètode alternatiu per al cálcul del punt focal de l'estructura metàl·lica. A més, en aquesta tesi s'estudien els alimentadors de lents més importants que s'han desenvolupat en els últims anys, i es proposen dos alimentadors pràctics amb un baix nivell de polarització creuada, per a operar en les banda de frequències de microones i mil·limètriques. En estudiar les lents, es comenca comparant i descrivint les tècniques més utilitzades en el disseny d'aquestes estructures. Seguidament, s'aplica la Teoria de Modes Característics per al disseny de diversos tipus de lents metàl.liques. En primer lloc, s'analitzen els corrents modals en diverses estructures metàl.liques, per a després amb aquesta informació dissenyar lents de baix perfil. Després s'aplica el mateix enfocament per a antenes amb estructures d'una sola capa, que tenen dimensions físiques més grans. Posteriorment, s'estudia i dissenya una lent metàl.lica de dues capes, i s'analitzen diverses combinacions d'estructures metàl·liques per a aconseguir major directivitat en l'antena. A més, es dissenya una lent metàl·lica de tres capes i una antena d'una sola capa amb doble alimentació. Finalment, es proposa una lent per a una estació base dual en polarització, i amb possibilitat d'obtindre fins a quatre modes de radiació ortogonals. En l'últim capítol d'aquesta tesi, es presenten els prototips i s'avaluen les prestacions de les seguents antenes: Una lent metàl·lica d'una capa formada per un anell metàl·lic central envoltat per un conjunt de huit anells xicotets, una antena formada per dos anells de diferent diàmetre distribuits en dues capes, una nova lent de baix perfil formada per dotze anells metàl·lics distribuits en una sola capa i disposats al llarg d'un cercle, i una lent de baix perfil formada per dos anells amb tires metàl·liques curtcircuitant tots dos anells. En aquesta part, es descriuen les principals mesures realitzades de guany, eficiència i polarització creuada de les lents esmentades. Els dissenys són verificats, aconseguint molt bons resultats de guany en una àmplia amplada de banda, validant d'aquesta manera la tècnica proposada. / [EN] In recent years, the worldwide data traffic is increasing significantly. Consequently, the new telecommunications systems seek to increase the data transmission rate with a wide coverage area. To cope with these challenges, lens antennas and their variants are promising solutions. Lenses have interesting properties because they have generally low losses and great directivity, which are the basic requirements that antennas must satisfy for these new communications systems. The aim of this thesis is to propose the use of the Theory of Characteristic Modes to facilitate the design, optimization and analysis of metallic lenses with high gain in a large bandwidth, achieving a compact size for the structure. The analysis with the Theory of Characteristic Modes has been used as a starting point to evaluate the modal behavior and provide a physical insight of the radiation characteristics of the metallic structure in a certain frequency range. In this work, a study of the characteristic modes of the main regular geometric objects with symmetry of revolution is carried out, to investigate its potential to be employed in the design of the metallic lenses. Specifically, the modal significance and characteristic angle is investigated, along with the contribution of each mode to the total radiated power when illuminating the conducting body by a plane wave. Using the information considered by the eigenvalues, the shape and size of the metallic structure is optimized and the optimal feeding is determined, which allows to excite the desired mode in the structure. Then, an alternative method is proposed to calculate the focal point of the metallic structure. Furthermore, in this thesis we study the most important lens feeders that have been developed in recent years, and two practical feeders with low cross polarization level are proposed to operate in microwave and millimeter-wave frequencies. When studying the lenses, we begin to compare and describe the techniques most used in the design of these structures. Then, the Theory of Characteristic Modes is applied to the metallic lenses design. First, the modal currents are analyzed in various metallic structures, and then this information is used to design low profile lenses. The same approach is then applied to antennas with single-layer structures, which have larger physical dimensions. Subsequently, a two-layer metallic lens is studied and designed, and various combinations of the metallic structures are analyzed to achieve greater directivity. In addition, a three-layer metallic lens and a single-layer antenna with double feeder are designed. Finally, a lens is proposed for a dual-polarization base station, with the possibility of obtaining up to four orthogonal radiation modes. The last chapter of this thesis presents the prototypes and the performance of the following antennas: a single-layer lens formed by a central circular metallic ring surrounded by a set of eight metallic rings, an antenna formed by two metallic rings of different diameter distributed in two layers, a new low-profile metallic lens antenna formed by twelve metallic rings distributed in a single layer and arranged along a ring, and a lowprofile lens antenna formed by two metallic rings with strips short-circuiting both rings. In this part, the main measurements of gain, efficiency and cross polarization are presented for the aforementioned lenses. The designs are verified, obtaining good results in a wide bandwidth, thus validating the proposed technique. / Finalmente quiero agradecer a la Universidad Nacional de Chimborazo del Ecuador que a traves del programa de becas, han beneficiado y apoyado mis ´ estudios del doctorado en el exterior, y de esta manera poder desarrollar conocimientos cient´ıficos para colaborar con el progreso del pa´ıs. / Santillán Haro, DA. (2020). Diseño de lentes metálicas usando la teoría de modos característicos [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/140315

[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

El diseño de antenas para los nuevos sistemas de comunicaciones inalámbricas ha suscitado un creciente interés en los últimos años. El principal objetivo de esta Tesis Doctoral es la propuesta de un método general de diseño de antenas para sistemas de comunicaciones inalámbricas que proporcione una visión física del proceso de diseño. Para alcanzar este objetivo, se propone el uso de un método basado en la descomposición modal de la corriente en la superficie del cuerpo conductor. Los modos tienen la ventaja de proporcionar una visión más física del comportamiento radiante de la antena, así como información muy útil para la optimización de la geometría de la antena y para la selección del mecanismo óptimo de alimentación y su localización. En la Tesis se realizará una revisión de los diferentes métodos modales disponibles, así como de los parámetros más importantes a tratar cuando se trabaja con soluciones modales. Además, se investigará un método para obtener expresiones cerradas para las corrientes superficiales en objetos conductores planos abiertos. Como se verá, los objetos planos con formas canónicas se pueden interpretar en muchas ocasiones como deformaciones de objetos tridimensionales cuyas superficies coinciden con las de algunos de los sistemas de coordenadas curvilíneas. De esta forma, se obtendrán expresiones cerradas para los modos vectoriales en un disco conductor circular y una tira plana infinita. Estas funciones se propondrán como funciones base de dominio completo en problemas más complejos que incluyan este tipo de superficies planas. Los modos de corriente definidos a partir de las funciones de onda vectoriales son de naturaleza compleja, lo que dificulta en ocasiones su uso para el diseño de antenas. Por el contrario, la Teoría de los Modos Característicos proporciona una descomposición de la corriente total en la superficie de un cuerpo conductor de forma arbitraria en un conjunto de modos reales, cuyos diagramas de radiación son ortogonales / Antonino Daviu, E. (2008). Analysis and design of antennas for wireless communications using modal methods [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/2188

[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

[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