[ES] La presente tesis doctoral tiene como principal objetivo el estudio, diseño, desarrollo y fabricación de nuevos dispositivos pasivos de microondas, tales como filtros y multiplexores con respuestas avanzadas para aplicaciones de alto valor añadido (i.e. comerciales, militares, espacio); orientados a distintos servicios, actuales y futuros, en sistemas inalámbricos de comunicación. Además, esta investigación se centrará en el desarrollo de filtros encapsulados de montaje superficial y con un elevado grado de miniaturización. Para ello, se propone investigar distintas técnicas que consigan respuestas muy selectivas o con unas características exigentes en rechazo (mediante la flexible introducción de ceros de transmisión), así como una excelente planaridad en banda (aplicando técnicas tales como la mejora del Q o el diseño de filtros con pérdidas, lossy filters), obteniendo de este modo respuestas mejoradas, con respecto a soluciones conocidas, en los componentes de microondas desarrollados. De forma general, la metodología seguida se iniciará con una búsqueda y conocimiento del estado del arte sobre cada uno de los temas que se acometerán en esta tesis. Tras ello, se establecerá un procedimiento de síntesis que permitirá acometer de forma teórica los objetivos y especificaciones a conseguir en cada caso. Con ello, se establecerán las bases para iniciar el proceso de diseño, incluyendo co-simulación circuital/electromagnética y optimización que permitirán, en última instancia, implementar la solución planteada en cada caso de aplicación concreto. Finalmente, la demostración y validez de todas las investigaciones realizadas se llevará a cabo mediante la fabricación y caracterización experimental de distintos prototipos. / [CA] La present tesi doctoral té com a principal objectiu l'estudi, disseny, desenvolupament I fabricació de nous dispositius passius de microones, com ara filtres i multiplexors amb respostes avançades per a aplicacions d'alt valor afegit, (comercials, militars, espai); orientats a oferir diferents serveis, actuals i futurs, en els diferents sistemes sense fils de comunicació. A més, aquesta investigació es centrarà en el desenvolupament de filtres encapsulats de muntatge superficial i amb un elevat grau de miniaturització. Per a això, es proposa investigar diferents tècniques que aconsegueixin respostes molt selectives o amb unes característiques exigents en rebuig (mitjançant la flexible introducció de zeros de transmissió), així com una excel·lent planaritat en banda (aplicant tècniques com ara la millora de l'Q o el disseny de filtres amb perdues, lossy filters), obtenint d'aquesta manera respostes millorades, respecte solucions conegudes, en els components de micrones desenvolupats. De forma general, la metodologia seguida s'iniciarà amb una recerca i coneixement de l'estat de l'art sobre cadascun dels temes que s'escometran en aquesta tesi. Després d'això, s'establirà un procediment de síntesi que permetrà escometre de forma teòrica els objectiusi especificacions a aconseguir en cada cas. Amb això, s'establiran les bases per iniciar el procés de disseny, amb co-simulació circuital / electromagnètica i optimització que permetran, en última instància, implementar la solució plantejada en cada cas d'aplicació concret. Finalment, la demostració i validesa de totes les investigacions realitzades es durà a terme mitjançant la fabricació i caracterització experimental de diferents prototips. / [EN] The main objective of this doctoral thesis is the study, design, development and manufacture of new passive microwave components, such as filters and multiplexers with advanced responses for commercials, military and space applications; oriented to other different services, in current and future wireless communication systems. In addition, this research will focus on the development of surface-mounted encapsulated filters with a high degree of miniaturization. With this purpose, it is proposed to investigate different techniques that achieve highly selective responses or with demanding characteristics in rejection (through the flexible introduction of transmission zeros), as well as an excellent in-band planarity (applying techniques such as the Q enhancement or lossy filters), thus obtaining improved responses, with respect to known solutions, in the developed microwave components. In general, the followed methodology will begin with a search and knowledge of the state of the art on each of the topics addressed in this thesis. After that, a synthesis procedure will be established, which will allow the achievement of the objectives and specifications in a theoretical way, for each case. With this, the bases will be established to start the design process, with circuital and electromagnetic co-simulations and optimizations that will allow, ultimately, to implement the proposed solution, in every application case, specifically. Finally, the demonstration and validity of all the investigations will be carried out through the manufacture and experimental characterization of different prototypes. / Marín Martínez, S. (2022). Microwave Filters in Planar and Hybrid Technologies with Advanced Responses [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/188943

La multiplication des besoins des utilisateurs dans le domaine des télécommunications a conduit à une surexploitation du spectre de fréquence. Ceci a engendré la raréfaction des bandes de fréquence conduisant à une nécessité de gestion rationnelle des fréquences. Des contraintes ont été rajoutées aux systèmes d'émission / réception et en particulier sur les filtres pour éviter la saturation des services. Dans cette thèse, les travaux s'orientent surtout vers la conception de résonateurs, de filtres planaires et volumiques (3D) accordables dans le domaine des fréquences millimétriques (>= 30 GHz) en utilisant une nouvelle technique d'accordabilité basée sur des principes microfluidiques. Il s'agit d'une nouvelle approche d'agilité qui consiste à faire circuler de la matière (liquides conducteur, diélectrique ou magnétique) dans un substrat diélectrique par le biais de micro canaux. Le substrat diélectrique utilisé, est une résine SU-8 qui offre une souplesse dans la réalisation des micros canaux et des structures volumiques grâce à son bon facteur de forme (≈ 50%). La circulation de liquides dans le substrat, permet de modifier localement les propriétés électromagnétiques du milieu, ce qui conduit à une modification de la fréquence de résonance du dispositif.

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The Master´s thesis deals with the theoretical design, practical numerical analyses and optimalization of disc-like antenna and disc-like slot antenna. The antennas have relative omnidirectional radiation characteristics in the horizontal plane, respectively in the vertical plane. Antennas exploit the substrate integrated waveguide technology. The antennas themselves are designed for the purpose of making the antenna array that will be work as an antenna unit for access point. The antennas are manufactured and experimentally verified. The program CST Microwave Studio is used for simulation in the thesis.

This master's thesis deals with the basic principles of slot antennas. Models of antennas were simulated in a selected electromagnetic simulator CST MICROWAVE STUDIO (CST MWS). There are several models of slot antennas which are optimized for communication in the car at a frequency 8 GHz.

This thesis presents various integrated antenna solutions for different types of systems and applications, e.g. wireless sensors, broadband handsets, advanced base stations, MEMS-based reconfigurable front-ends, automotive anti-collision radars, and large area electronics. For wireless sensor applications, a T-matched dipole is proposed and integrated in an electrically small body-worn sensor node. Measurement techniques are developed to characterize the port impedance and radiation properties. Possibilities and limitations of the planar inverted cone antenna (PICA) for small handsets are studied experimentally. Printed slot-type and folded PICAs are demonstrated for UWB handheld terminals. Both monolithic and hybrid integration are applied for electrically steerable array antennas. Compact phase shifters within a traveling wave array antenna architecture, on single layer substrate, is investigated for the first time. Radio frequency MEMS switches are utilized to improve the performance of reconfigurable antennas at higher frequencies. Using monolithic integration, a 20 GHz switched beam antenna based on MEMS switches is implemented and evaluated. Compared to similar work published previously, complete experimental results are here for the first time reported. Moreover, a hybrid approach is used for a 24 GHz switched beam traveling wave array antenna. A MEMS router is fabricated on silicon substrate for switching two array antennas on a LTCC chip. A concept of nano-wire based substrate integrated waveguides (SIW) is proposed for millimeter-wave applications. Antenna prototypes based on this concept are successfully demonstrated for automotive radar applications. W-band body-worn nonlinear harmonic radar reflectors are proposed as a means to improve automotive radar functionality. Passive, semi-passive and active nonlinear reflectors consisting of array antennas and nonlinear circuitry on flex foils are investigated. A new stretchable RF electronics concept for large area electronics is demonstrated. It incorporates liquid metal into microstructured elastic channels. The prototypes exhibit high stretchability, foldability, and twistability, with maintained electrical properties. / wisenet

Para abordar el análisis de estas estructuras de forma altamente eficiente, se pretenden utilizar dos enfoques distintos, que llevarían a dos técnicas distintas y eficientes, pero cada una de ellas con sus ventajas e inconvenientes respecto de la otra, que podremos concluir una vez finalizado el trabajo de investigación. Por un lado, se pretende utilizar el Método de los Momentos, una técnica numérica que convierte las ecuaciones integrales de un problema electromagnético en un sistema linear, expandiendo la magnitud desconocida usando un conjunto de funciones con coeficientes desconocidos. Al forzar las condiciones de contorno, en este caso de potencial eléctrico, en un determinado número de puntos, se obtiene un sistema linear de ecuaciones que será resuelto numéricamente. Por otro lado, según el segundo enfoque, pretende utilizar una expansión en modos cilíndricos del campo, tanto incidente como dispersado. Dada la geometría circular de las vías éstas pueden ser caracterizadas de forma analítica mediante espectros circulares. Posteriormente se resolverá el acoplo entre las vías mediante el método de [1] pero generalizado al caso de objetos inmersos en un medio dieléctrico infinito, y se desarrollará un nuevo método de acoplo modal entre modos cilíndricos y modos guiados proyectando las ecuaciones del acoplo modal tanto sobre modos cilíndricos como sobre modos guiados para evitar las singularidades que aparecen con el método de de [2] cuando los planos de referencia están muy próximos al objeto dispersor. Por tanto, esta técnica caracterizará las vías de forma analítica y resolverá las integrales del acoplo de modos mediante la transformada rápida de Fourier. Para aumentar más aún la eficiencia de ambos métodos se evitará repetir los cálculos para cada punto en frecuencia, y se implementará la técnica de barrido rápido en frecuencia similar descrita en [3], adaptándola al caso particular de cada método de análisis, aunque se prevé que quizá dicho procedimiento sea más difícil de implementar en el segundo método. Se espera que ambas técnicas puedan proporcionar unos tiempos de computación inferiores a los del software comercial de análisis electromagnético más habitual (i.e. HFSS), y también inferiores a otros métodos de análisis recientemente aparecidos en la bibliografía técnica ([4],[5],[6]). En concreto, se espera que los tiempos de computación para barrido discreto en frecuencia sea inferior con el segundo método ya que usa únicamente expresiones analíticas y transformada rápida de Fourier, pero, dado que el primer método es más susceptible de realizar barrido rápido en frecuencia, éste puede ser muy útil a la hora de realizar muchos análisis consecutivos. Una vez se disponga de métodos eficientes para el análisis de dispositivos SIW, se abordará el diseño de varios dispositivos pasivos en esta tecnología (filtros de diferentes topologías, diplexores, multiplexores, híbridos, acopladores, etc.). Como se dispone de una vasta experiencia en el grupo de investigación en el diseño de dispositivos en guía de onda rectangular, se puede como primera aproximación realizar el diseño en guía, y luego transformar esta estructura guiada en otra en tecnología SIW mediante unas reglas empíricas que relacionan ambas tecnologías [7]. Posteriormente se debe ajustar el diseño en el dispositivo SIW ya que estas reglas empíricas no consiguen que la respuesta sea idéntica a la del dispositivo guiado original, principalmente debido al hecho de que los irises rectangulares de la guía son transformados en vías metalizadas con geometría circular, no rectangular. Para minimizar este ajuste, se diseñará el dispositivo guiado con irises con esquinas redondeadas en la cavidad (método de [8] pero con un simulador más eficiente [9]), haciendo que el radio de esas esquinas redondeadas coincida con el de las vías metalizadas que se van a utilizar en el dispositivo SIW. Esto permitirá [...] (Ver documento anexo) / Díaz Caballero, E. (2013). Efficient analysis and design of devices in Substrate Integrated Waveguide (SIW) technology [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/34627

[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