Tesis por compendio / [ES] La permitividad es una propiedad física de los materiales que describe su comportamiento en presencia de un campo electromagnético. Los sensores de microondas pueden desempeñar un papel esencial en las tareas de detección, supervisión o control de procesos, ya que algunos parámetros fisicoquímicos de los materiales producen cambios medibles en las propiedades dieléctricas. Además, la tecnología de calentamiento por microondas está adquiriendo una relevancia creciente para la transición ecológica y la descarbonización de los procesos industriales, y la permitividad es el parámetro esencial para el desarrollo exitoso de estos nuevos procesos. La permitividad depende de muchos factores, por lo que los métodos de medición de la permitividad deben adaptarse a las necesidades del material y del entorno de medición. El número de aplicaciones que requieren la monitorización o medida de las propiedades dieléctricas, las altas dependencias de esta magnitud bajo diferentes condiciones, y la necesidad de poner esta tecnología al alcance de un usuario más amplio y menos especializado, justifican el desarrollo de este trabajo. Esta tesis pretende desarrollar nuevos dispositivos para la monitorización y caracterización de dieléctricos adaptados a diferentes entornos, cubriendo un amplio rango de formatos, formas y propiedades de los materiales. Las dos primeras publicaciones incluidas en la tesis describen dos enfoques diferentes para abordar las mediciones de permitividad. El primer artículo describe un instrumento versátil, autónomo y fácil de usar para medir la permitividad de materiales dentro de tubos. El diseño de la cavidad logró una excelente sensibilidad, y el estudio de la red de acoplamiento permitió la caracterización de materiales de pérdidas bajas, moderadas y altas con una misma configuración. Este dispositivo incluye un reflectómetro vectorial portátil propio, lo que lo hace portátil y asequible. Las características del instrumento desarrollado permiten un uso sencillo por parte de personal no especializado y proporcionan versatilidad en muchas situaciones. La segunda publicación presenta el diseño específico de una sonda coaxial de extremo abierto con una mayor sensibilidad para determinar la permitividad de productos alimenticios de altas pérdidas en función de la temperatura a frecuencias de RF. Este artículo destaca la importancia de seleccionar la técnica de medición más adecuada, adaptada al entorno y a las particularidades del material, para la determinación apropiada de la permitividad. Los dos artículos siguientes describen el desarrollo y la utilización de un microscopio de microondas de campo cercano con resolución micrométrica para determinar mapas de permitividad de materiales planos heterogéneos a frecuencias de microondas. En ambos trabajos se describen los diferentes elementos que componen el instrumento del microscopio y las técnicas de análisis para determinar los valores de permitividad a partir de las medidas de los parámetros de la resonancia. En el primer trabajo se empleó por primera vez la tecnología de microondas en aplicaciones contra la falsificación, obteniendo la marca dieléctrica de la marca de agua de un billete. Además, este estudio demostró la capacidad de la energía de microondas para detectar marcas ocultas detrás de capas dieléctricas o metálicas, lo que abre nuevas posibilidades para el desarrollo de elementos de seguridad ópticamente opacos e imposibles de rastrear por medios ópticos. El segundo estudio demuestra la versatilidad de este sistema para determinar las propiedades dieléctricas de materiales planos heterogéneos midiendo la respuesta dieléctrica de especímenes de roca. Los métodos desarrollados en esta tesis aumentan la cartera de sistemas de caracterización dieléctrica y pueden ayudar a una amplia gama de sectores científicos e industriales en las tareas de monitorización y caracterización dieléctrica, haciendo estos trabajos más cómodos y accesibles. / [CA] La permitivitat és una propietat física dels materials que descriu el seu comportament en presència d'un camp electromagnètic. Els sensors de microones poden exercir un paper essencial en les tasques de detecció, supervisió o control de processos, ja que alguns paràmetres fisicoquímics dels materials produeixen canvis mesurables en les propietats dielèctriques. A més, la tecnologia de calfament per microones està adquirint una rellevància creixent per a la transició ecològica i la descarbonització dels processos industrials, i la permitivitat és el paràmetre essencial per al desenvolupament reeixit d'aquests nous processos. La permitivitat depén de molts factors i, per tant, els mètodes de mesurament de la permitivitat han d'adaptar-se a les necessitats del material i de l'entorn de mesurament. El nombre d'aplicacions que requereixen el monitoratge o mesura de les propietats dielèctriques, les altes dependències d'aquesta magnitud sota diferents condicions, i la necessitat de posar aquesta tecnologia a l'abast d'un usuari més ampli i menys especialitzat, justifiquen el desenvolupament d'aquest treball. Aquesta tesi pretén desenvolupar nous dispositius per al monitoratge i caracterització de dielèctrics adaptats a diferents entorns, cobrint un ampli rang de formats, formes i propietats dels materials. Les dues primeres publicacions incloses en la tesi descriuen dos enfocaments diferents per a abordar els mesuraments de permitivitat. El primer article descriu un instrument versàtil, autònom i fàcil d'usar per a mesurar la permitivitat de materials dins de tubs. El disseny de la cavitat va aconseguir una excel·lent sensibilitat, i l'estudi de la xarxa d'acoblament va permetre la caracterització de materials de pèrdues baixes, moderades i altes amb una mateixa configuració. Aquest dispositiu inclou un reflectòmetre vectorial portàtil propi, la qual cosa el fa portàtil i assequible. Les característiques de l'instrument desenvolupat permeten un ús senzill per part de personal no especialitzat i proporcionen versatilitat en moltes situacions. La segona publicació presenta el disseny específic de una sonda coaxial d'extrem obert amb una major sensibilitat per a determinar la permitivitat de productes alimentaris d'altes pèrdues en funció de la temperatura a freqüències de RF. Aquest article destaca la importància de seleccionar la tècnica de mesurament més adequat, adaptada a l'entorn i a les particularitats del material, per a la determinació apropiada de la permitivitat. Els dos articles següents descriuen el desenvolupament i la utilització d'un microscopi de microones de camp pròxim amb resolució micromètrica per a determinar mapes de permitivitat de materials plans heterogenis a freqüències de microones. En tots dos treballs es descriuen els diferents elements que componen l'instrument del microscopi i les tècniques d'anàlisis per a determinar els valors de permitivitat a partir de les mesures dels paràmetres de la ressonància. En el primer treball es va emprar per primera vegada la tecnologia de microones en aplicacions contra la falsificació, obtenint la marca dielèctrica de la marca d'aigua d'un bitllet. A més, aquest estudi va demostrar la capacitat de l'energia de microones per a detectar marques ocultes darrere de capes dielèctriques o metàl·liques, la qual cosa obri noves possibilitats per al desenvolupament d'elements de seguretat òpticament opacs i impossibles de rastrejar per mitjans òptics. El segon estudi demostra la versatilitat d'aquest sistema per a determinar les propietats dielèctriques de materials plans heterogenis mesurant la resposta dielèctrica d'espècimens de roca. Els mètodes desenvolupats en aquesta tesi augmenten la cartera de sistemes de caracterització dielèctrica i poden ajudar a una àmplia gamma de sectors científics i industrials en les tasques de monitoratge i caracterització dielèctrica, fent aquests treballs més còmodes i accessibles. / [EN] Permittivity is a physical property of materials describing their behavior in the presence of an electromagnetic field. Microwave sensors can play an essential role in detecting, monitoring, or process control tasks as some physicochemical parameters of materials produce measurable changes in dielectric properties. Besides, microwave heating technology is gaining increasing relevance for the ecological transition and decarbonization of industrial processes, and permittivity is the essential parameter for the successful development of these new processes. Permittivity depends on many factors and thus, permittivity measurement methods must be adapted to the needs of the material and the measurement environment. The number of applications that require the monitoring or measurement of dielectric properties, the high dependencies of this magnitude under different conditions, and the need to make this technology available to a broader and less specialized user justify the development of this work. This thesis aims to develop new devices for the monitoring and characterization of dielectrics adapted to different environments, covering a wide range of materials' formats, shapes, and properties. The first two publications included in the thesis describe two different approaches to address permittivity measurements. The first paper describes a versatile, stand-alone, and easy-to-use instrument for measuring the permittivity materials inside tubes. The design of the cavity achieved an excellent sensitivity, and the study of the coupling network allowed the characterization of low, moderate, and high-loss materials with the same setup. This device included an in-house portable vector reflectometer, making it portable and cost-affordable. The features of the developed instrument allow straightforward use by non-specialized personnel and provide versatility in many situations. The second publication presents a specific open-ended coaxial design with increased sensitivity to determine the permittivity of lossy food products as a function of temperature at RF frequencies. This paper highlight the relevance of selecting the most suitable measurement technique, adapted to the environment and particularities of the material, for the appropriate determination of permittivity. The following two papers describe the development and use of a near-field scanning microwave microscope with micrometric resolution to determine permittivity maps of heterogeneous planar materials at microwave frequencies. The different elements comprising the microscope instrument and the analysis techniques to determine permittivity values from the resonance measurements were described throughout both works. In the first paper, microwave technology was employed for the first time in anti-counterfeiting applications by obtaining the dielectric mark of a banknote watermark. Besides, this study showed the ability of microwave energy to detect hidden marks behind dielectric or metallic layers, opening new possibilities for developing optically opaque security features untraceable by optical means. The second study demonstrates the versatility of this system in determining the dielectric properties of heterogeneous planar materials by measuring the dielectric response of rock specimens. The methods developed in this thesis dissertation increase the portfolio of dielectric characterization systems and can help a wide range of scientific and industrial sectors in dielectric monitoring and characterization tasks, making these works more convenient and accessible. / Financial support through the grant reference BES-2016-077296 of the call Convocatoria de las ayudas para contratos predoctorales para la formación de doctores de 2016 by Ministerio de Economía y Competitividad (MINECO) and by European Social Funds (ESF) of European Union is also gratefully acknowledged / Gutiérrez Cano, JD. (2022). Microwave Dielectrometry Adapted to Environments [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/186351 / TESIS / Compendio

Tesis por compendio / [ES] El objetivo de la presente tesis es el de desarrollar y utilizar técnicas basadas en la fotónica de baja frecuencia, como la radiofrecuencia, las microondas y los infrarrojos, para monitorizar de forma no destructiva procesos utilizados en la industria agroalimentaria, desde el punto de vista de la termodinámica irreversible. Estudiar los distintos fenómenos que ocurren durante la operación de deshidratación de patata mediante el secado con aire caliente combinado con microondas, utilizando la termografía infrarroja para monitorizar los perfiles de temperatura superficial que presenta la muestra, la espectrofotometría en el rango de las microondas y la termodinámica irreversible para modelizar el proceso. Desarrollar un sistema de monitorización de la congelación de la carne de pollo, que permita obtener datos del proceso a tiempo real y de forma no invasiva mediante la espectrofotometría en el rango de la radiofrecuencia y la termografía infrarroja. A su vez, con esos datos se modelizará el comportamiento del producto a lo largo del proceso de congelación, utilizando los principios de la termodinámica irreversible para estimar los distintos fenómenos que ocurren. Desarrollar una herramienta de predicción de los distintos estados del agua y la sacarosa durante el proceso de caramelizado de manzanas, basada en las propiedades dieléctricas obtenidas mediante la espectrofotometría en el rango de las microondas. Diseñar y desarrollar un sensor basado en las propiedades dieléctricas en el rango de la radiofrecuencia, capaz de monitorizar en tiempo real y de forma no invasiva con el medio las cinéticas de liberación de compuestos encapsulados en matrices de alginato en un medio líquido. Utilizando este nuevo sensor se pueden modelizar y estudiar las cinéticas de liberación y utilizarse para diseñar la encapsulación de compuestos. / [CA] L'objectiu de la present tesi és el de desenvolupar i utilitzar tècniques basades en la fotònica de baixa freqüència, com ara la radiofreqüència, les microones i els infrarojos, per monitoritzar de forma no destructiva processos utilitzats a la indústria agroalimentària, des del punt de vista de la termodinàmica irreversible. Estudiar els diferents fenòmens que ocorren durant l'operació de deshidratació de patata mitjançant l'assecat amb aire calent combinat amb microones, utilitzant la termografia infraroja per monitoritzar els perfils de temperatura superficial que presenta la mostra, l'espectrofotometria al rang de les microones i la termodinàmica irreversible per modelitzar el procés. Desenvolupar un sistema de monitorització de la congelació de la carn de pollastre, que permeti obtenir dades del procés a temps real i de manera no invasiva mitjançant l'espectrofotometria al rang de la radiofreqüència i la termografia infraroja. Alhora, amb aquestes dades es modelitzarà el comportament del producte al llarg del procés de congelació, utilitzant els principis de la termodinàmica irreversible per estimar els diferents fenòmens que ocorren. Desenvolupar una eina de predicció dels diferents estats de l'aigua i la sacarosa durant el procés de caramel·litzat de pomes, basada en les propietats dielèctrics obtingudes mitjançant l'espectrofotometria al rang de les microones. Dissenyar i desenvolupar un sensor basat en les propietats dielèctrics al rang de la radiofreqüència, capaç de monitoritzar en temps real i de forma no invasiva amb el medi les cinètiques d'alliberament de compostos encapsulats en matrius d'alginat en un medi líquid. Utilitzant aquest sensor nou es poden modelitzar i estudiar les cinètiques d'alliberament i utilitzar-se per dissenyar l'encapsulació de compostos. / [EN] The objective of this thesis is to develop and use techniques based on low-frequency photonics, such as radiofrequency, microwaves and infrared, to non-destructively monitor processes used in the agri-food industry, from the point of view of irreversible thermodynamics. To study the different phenomena that occur during the potato dehydration operation by drying with hot air combined with microwaves, using infrared thermography to monitor the surface temperature profiles of the sample, spectrophotometry in the microwave range and thermodynamics. irreversible to model the process. Develop a monitoring system for the freezing of chicken meat, which allows data to be obtained from the process in real time and non-invasively through spectrophotometry in the radiofrequency range and infrared thermography. In turn, with these data, the behavior of the product will be modeled throughout the freezing process, using the principles of irreversible thermodynamics to estimate the different phenomena that occur. To develop a prediction tool for the different states of water and sucrose during the candying process of apples, based on the dielectric properties obtained by spectrophotometry in the microwave range. Design and develop a sensor based on dielectric properties in the radiofrequency range, capable of monitoring in real time and non-invasively with the medium the release kinetics of compounds encapsulated in alginate matrices in a liquid medium. Using this new sensor, release kinetics can be modeled and studied and used to design the encapsulation of compounds. / The authors acknowledge the financial support from THE SPANISH MINISTERIO DE ECONOMÍA, INDUSTRIA Y COMPETITIVIDAD, Programa Estatal de I+D+i orientada a los Retos de la Sociedad AGL2016- 80643-R, Agencia Estatal de Investigación (AEI) and Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER). Juan Ángel Tomás-Egea wants to thank the FPI Predoctoral Program of the Universitat Politècnica de València for its support. This paper is part of the I+D+i PID2020-116816RB-I00 project, funded by MCIN/ AEI/10.13039/501100011033. / Tomás Egea, JÁ. (2022). Fotónica aplicada a la monitorización de procesos y al desarrollo de sensores en la industria agroalimentaria [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/182292 / TESIS / Compendio

[ES] El uso masivo de los sistemas de comunicaciones inalámbricas y móviles ha tenido un impacto significativo en nuestra sociedad. Estas tecnologías han experimentado una amplia adopción en el mercado, volviéndose totalmente indispensables en nuestro día a día y provocando un aumento notable en la demanda de movilidad y ancho de banda. Esto ha llevado a la rápida aparición de nuevos sistemas de comunicación y a la progresiva saturación del espectro radioeléctrico, lo que conlleva un constante aumento en los requisitos de los sistemas de radiofrecuencia. Como resultado, los dispositivos que forman parte de estos sistemas se ven sometidos a especificaciones cada vez más restrictivas. Estas restricciones se han visto fuertemente incrementadas en las comunicaciones espaciales, donde los nuevos sistemas basados en satélite de alta capacidad y grandes constelaciones fuerzan la reducción de costes a la vez que requieren de altas prestaciones. Con el fin de satisfacer las crecientes demandas de los sistemas inalámbricos, se busca el desarrollo de dispositivos de comunicación que ofrezcan altas prestaciones a bajo costo. Estos dispositivos también deben ser compactos, ligeros y fáciles de integrar con diversas tecnologías de guiado de ondas (guías de ondas, cables coaxiales y tecnologías planares). En respuesta a estas necesidades, han surgido dos soluciones tecnológicas: los circuitos integrados en sustrato (SIC) y la fabricación aditiva (AM). La tecnología SIC permite combinar tecnologías de guiado planares y no planares en un mismo sistema, lo que resulta en unas prestaciones híbridas entre ambas tecnologías. Además, ofrece una notable reducción de peso y una gran miniaturización y su naturaleza planar permite una integración nunca vista. Por otro lado, la fabricación aditiva permite crear dispositivos con geometrías complejas y bajo peso, lo que proporciona menos limitaciones en el diseño. Esto permite el desarrollo de dispositivos con características avanzadas y la integración de los diferentes bloques de una cadena de radiofrecuencia en un único dispositivo, mejorando así las especificaciones del sistema y reduciendo su complejidad. Tanto la tecnología SIC como la fabricación aditiva son de gran interés para el sector espacial. Sin embargo, la aplicación de estas tecnologías en el agresivo entorno espacial aún no ha sido estudiada. Por ello, el objetivo principal de esta tesis es precisamente investigar la aplicación de estas tecnologías al diseño de dispositivos de microondas para aplicaciones espaciales. Con este estudio, se busca obtener un mayor conocimiento de las capacidades y limitaciones de estas tecnologías en el contexto espacial, y así explorar su potencial para mejorar y optimizar los dispositivos utilizados en este tipo de sistemas. En primer lugar, se ha llevado a cabo una comparación de diferentes topologías de filtros implementados en tecnología SIC, los cuales han sido sometidos a pruebas ambientales que simulan las condiciones reales de operación en el espacio. En segundo lugar, se ha estudiado la aplicación de técnicas de fabricación aditivas al desarrollo de dispositivos de microondas. Para ello, se ha desarrollado un novedoso método de metalización y un sistema de integración de filtros de montaje superficial. Con estas tecnologías se han desarrollado una serie de filtros paso banda que han sido sometidos a pruebas de ambiente espacial, incluyendo: ciclado térmico, pruebas de vibración y test de efecto multipactor. Por último, se ha estudiado el uso de cristal líquido para agregar capacidades de reconfigurabilidad a dispositivos SIC. Se han analizado las características mecánicas y electromagnéticas de estos materiales mediante dos métodos de caracterización basados en elementos resonantes. Además, se ha desarrollado un demostrador tecnológico basado en la tecnología ESICL. / [CA] L'ús massiu dels sistemes de comunicacions sense fils i mòbils ha tingut un impacte significatiu en la nostra societat. Aquestes tecnologies han experimentat una àmplia adopció en el mercat, perquè s'han tornat totalment indispensables en el nostre dia a dia i han provocat un augment notable en la demanda de mobilitat i amplada de banda. Al seu torn, això ha portat a la ràpida aparició de nous sistemes de comunicació i a la progressiva saturació de l'espectre radioelèctric, la qual cosa comporta un constant augment en els requisits dels sistemes de radiofreqüència. Com a resultat, els dispositius que formen part d'aquests sistemes es veuen sotmesos a especificacions cada vegada més restrictives. Aquestes restriccions s'han vist fortament incrementades en les comunicacions espacials. Amb la finalitat de satisfer les creixents demandes dels sistemes sense fils, se cerca el desenvolupament de dispositius de comunicació que oferisquen altes prestacions a baix cost. Aquests dispositius també han de ser compactes, lleugers i fàcils d'integrar amb diverses tecnologies de guia d'ones (guies d'ones, cables coaxials i tecnologies planar). En resposta a aquestes necessitats, han sorgit dues soluciones tecnològiques: els circuits integrats en substrat (SIC) i la fabricació additiva (AM). La tecnología SIC permet combinar tecnologies de guiatge planars i no planars en un mateix sistema, la qual cosa resulta en unes prestacions híbrides. A més, ofereix una notable reducció de pes i una gran miniaturització i la seua naturalesa planar permet una integració no vista mai abans. D'altra banda, la fabricació additiva permet crear dispositius amb geometries complexes i baix pes, la qual cosa proporciona menys limitacions en el disseny. Això permet el desenvolupament de dispositius amb característiques avançades i la integració dels diferents blocs que conformen la cadena de radiofreqüència, que millora així les especificacions del sistema i en redueix la complexitat. Tant la tecnologia SIC com la de fabricació additiva són de gran interès per al sector espacial. Tanmateix, l'aplicació d'aquestes tecnologies en l'agressiu entorn espacial encara no ha sigut estudiada. Per això, l'objectiu principal d'aquesta tesi és investigar l'aplicació d'aquestes tecnologies en el disseny de dispositius de microones per a aplicacions espacials. A través d'aquest estudi, se cerca obtenir un major coneixement sobre les capacitats i limitacions d'aquestes tecnologies en el context espacial. En primer lloc, s'ha dut a terme una comparació de diferents topologies de filtres implementats en tecnologia SIC, els quals han sigut sotmesos a proves ambientals que simulen les condicions reals d'operació a l'espai. En segon lloc, s'ha estudiat l'aplicació de tècniques de fabricació additives al desenvolupament de dispositius de microones. Per a això, s'ha desenvolupat un nou mètode de metal·lització autocatalític i un sistema d'integració de filtres de muntatge superficial. Aquestes tecnologies s'han combinat per a desenvolupar una sèrie de filtres passabanda de muntatge superficial. Finalment, aquests filtres han sigut sotmesos a proves d'ambient espacial, incloent-hi: ciclatge tèrmic, proves de vibració i test d'efecte multipactor. Finalment, s'ha estudiat l'ús de cristall líquid per a agregar capacitats de reconfigurabilitat a dispositius de microones integrats en substrat. S'han analitzat les característiques mecàniques i electromagnètiques d'aquests materials mitjançant dos mètodes de caracterització basats en elements ressonants. A més, s'ha desenvolupat un demostrador tecnològic basat en la tecnologia ESICL. / [EN] The widespread use of wireless and mobile communication systems has had a significant impact on our society. These technologies have been widely adopted in the market, becoming essential in our daily lives and leading to a notable increase in the demand for mobility and bandwidth. Consequently, new communication systems are rapidly emerging, and the radio frequency spectrum is becoming increasingly crowded, resulting in continuously rising requirements for radio frequency systems. As a result, radio frequency devices are subjected to ever more stringent specifications. These restrictions are particularly heightened in space communications. To meet the growing demands of wireless systems, there is a need to develop communication devices that offer high performance at a low cost. Additionally, these devices should be compact, lightweight, and easily integrable with various waveguide technologies (waveguides, coaxial cables, and planar technologies). In response to these needs, two technological solutions have emerged: Substrate Integrated Circuits (SIC) and Additive Manufacturing (AM). SIC technology combines planar and non-planar guiding technologies in a single system, resulting in hybrid performance between both technologies. It significantly reduces weight and miniaturisation, and its planar nature allows for unprecedented integration. On the other hand, additive manufacturing enables the creation of devices with complex geometries and low weight, providing fewer design limitations. This allows for the development of devices with advanced features and the integration of different blocks of the radio frequency chain, thereby enhancing the performance of the entire system and reducing its complexity. Both SIC and AM are of great interest to the space sector. However, the application of these technologies in the harsh space environment has not been thoroughly studied. The main objective of this thesis is to investigate the application of these technologies in the design of microwave devices for space applications. This study aims to gain a deeper understanding of the capabilities and limitations of these technologies in the space context and explore their potential for improving and optimising devices used in such systems. The thesis first involves the design and comparison of different filter topologies implemented using SIC technology, which has been subjected to environmental tests simulating real space operation conditions. Secondly, the application of additive manufacturing techniques to the development of microwave devices has been studied. For this purpose, a novel metallisation method and a system for surface-mounted filter integration have been developed. These technologies were combined to develop a series of surface-mounted bandpass filters. Finally, these filters were subjected to space environmental tests, including thermal cycling, vibration tests, and multipactor effect tests. Lastly, the use of liquid crystal to add reconfigurability capabilities to substrate-integrated microwave devices has been investigated. The mechanical and electromagnetic characteristics of these materials have been analysed using two resonant element-based characterisation methods. Additionally, a technological demonstrator based on ESICL technology has been developed. / Nova Giménez, V. (2024). Development of Non-Conventional Microwave Devices Based on Substrate-Integrated Technology for Advanced Applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/202844