This thesis presents Design, Measurement and analysis for size reduction of the Coupled line micro strip Hairpin band pass filters (MHBPF’s). Hairpin filters are an interesting topic for microwave designers. These planar circuits are widely used in wireless transceivers and other microwave projects due to an easy design process. The filter design and analysis described in this paper can be used for wireless transceivers as well as for microwave links. Two techniques have been employed for the size reduction and four different filters have been designed. 1st Technique, Conventional Hairpin configuration uses folding of the normal λ/2 resonators into U shape. 2nd technique exploits the cross coupling of the resonators for further size reduction of the filters.  From 1st to last design, different properties of micro strip and couple lines have been analyzed, observed, and finally exploited to reach to a more compact solution. Agilent ADS have been used for the simulation process of the initial filters. Further on, AWR Microwave office has been used for the EM simulation part of the project and a detailed analysis for the size reduction with respect to the different properties of the materials used. Since insertion loss method is going to be used for the designs, low pass filter prototypes parameters are used for further conversion to band pass. The loaded Q factor and the mix coupling coefficients between resonators have been calculated from standard empirical equations. FR4 substrate is used for manufacturing process. RogersRO3210 has also been used as a substrate for 3-section design in AWR Microwave Office for the illustration of size reduction with respect to substrate properties. The design with FR4 substrate has been manufactured and tested. The results have been analyzed on Vector Network Analyzer and displayed in results sections.

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This dissertation studies and implements highly miniaturized bandpass filter designs for wireless System-in-Package (SiP) applications. Based on the coupling matrix synthesis method, the external quality factors and coupling coefficients can be extracted by selecting the proper tapped-line feeding position and coupling spacing in geometrical configuration. Despite their high performance, most conventional microstrip bandpass filter designs require a bulky area for achieving, making them difficult to implement SiP applications. This dissertation first develops a stacked LC resonator and a stacked spiral resonator (SSR) in an embedded passive substrate (EPS) for realizing miniature single- and multi-band bandpass filters. Moreover, multiple transmission zeros created on both sides of each passband provide high stopband roll-off rates. The designed performance and size are comparable to those of low-temperature co-fired ceramic (LTCC) bandpass filters. As another conventional means of implementing RF passive components, the integrated passive device (IPD) process can produce large-value inductors and high-density capacitors, simultaneously. This dissertation fully utilizes the advantages of IPD technology to implement very compact bandpass filter designs with multiple transmission-zero frequencies at stopband by using a high-density wiring planar transformer configuration. Furthermore, due to the fully symmetric geometry, the transformer-coupled bandpass filter can be easily converted into a balun bandpass filter, capable of providing a superior balance performance with a significantly higher common mode rejection ratio (CMRR) level. The electromagnetic (EM) simulation results, as obtained by using Ansys-Ansoft HFSS, agree with the measurement results for all of the proposed designs in this dissertation.

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

El efecto multipactor de ruptura en RF ha sido objeto de numerosos estudios desde hace más de 80 años, a partir del desarrollo de los primeros aceleradores de partículas en la primera mitad del siglo XX. A mediados de ese siglo, con el desarrollo de fuentes de alta potencia para aplicaciones radar y la llegada de los satélites artificiales, la investigación del multipactor cobró una considerable relevancia, al convertirse este fenómeno en un riesgo determinante para costosos proyectos comerciales. Las guías de onda con secciones rectas canónicas, como las rectangulares o las coaxiales, han sido tradicionalmente las más utilizadas en dispositivos de microondas. Sus principales ventajas son que sus campos electromagnéticos pueden resolverse analíticamente, lo que permite su aplicación directa en diseños complejos, y la simplicidad de su fabricación. Pero las capacidades de computación y las prestaciones de los algoritmos se han multiplicado con los años, lo que ha permitido ampliar el espectro de posibles topologías a geometrías casi arbitrarias, ofreciendo al diseñador una mayor libertad creativa. En todo caso, gran parte de los dispositivos de microondas actuales siguen confiando en la madurez y fiabilidad de las tecnologías de guía de onda tradicionales, que no requieren una inversión adicional en equipos de fabricación. La supresión del efecto multipactor es la motivación para arriesgarse a probar topologías de guía de onda innovadoras, como la guía en forma de cuña. Es en este contexto donde este trabajo de doctorado pretende ofrecer una contribuci'on. En primer lugar, se ha desarrollado un modelo numérico para predecir el efecto multipactor de ruptura en guías de onda huecas en forma de cuña. Esta herramienta ha permitido la identificación de criterios óptimos de diseño. Así mismo, se ha adaptado un método de síntesis de filtros paso-banda en guía rectangular para poder realizar un diseño similar pero basado en la nueva topología. Como culminación, las estructuras diseñadas se han fabricado y medido, con el fin de comprobar sus prestaciones electromagnéticas y su sensibilidad al efecto multipactor. Se ha registrado además una patente para proteger estos nuevos filtros. En resumen, el trabajo ha abarcado el ciclo de actividades relacionadas con el desarrollo industrial completo de un dispositivo pasivo de microondas: investigación básica, análisis, diseño, fabricación y calificación con medidas en el laboratorio. Estas medidas han comprobado la mejora prevista en los umbrales de multipactor de los filtros de microondas con topología en forma de cu¿na, y han confirmado que pueden ofrecer respuestas en frecuencia similares a aquellas de filtros basados en una guía de onda rectangular equivalente. Las implicaciones de los resultados han sido evaluadas a fondo y resumidas en este documento. Como observación final, se ha intentado redactar esta investigación de manera que refleje el proceso natural de aprendizaje, mostrando los aciertos y errores experimentados en el camino, todos los cuales han conducido al resultado final. Este reto no hubiera sido posible sin el apoyo y compromiso de varios profesionales de diferentes centros de investigación e industrias europeas (Universidad Politécnica de Valencia, Universidad de Valencia, Agencia Espacial Europea, Thales Alenia Espacio Espa¿na, Technische Universit¿at Darmstadt, 'Ecole Polythecnique F'ed'erale de Lausanne, Tesat, Aurora Software and Testing y Val Space Consortium), a los cuales estoy agradecido. / The multipactor RF breakdown effect has been object of numerous studies for over 80 years, since the development of the first particle accelerators in the beginning of the 20th century. Around the middle of that century, with the development of high power sources for radar applications and with the emergence of the artificial satellites, a new impulse was given to the multipactor research, since it became a risk for expensive commercial projects. Traditionally, waveguides with canonical cross sections, like rectangular or coaxial ones, have been the building blocks of most microwave devices. Their main advantages are that their electromagnetic fields can be solved analytically, enabling their direct application in complex designs, as well as their manufacturing simplicity. But over the years the computation capabilities and algorithms have continuously evolved, which has broadened the spectrum of possible topologies to almost arbitrary geometries, offering the designer more room for creativity. However, most of the current microwave devices still trust on the mature canonical waveguide technologies, which do not require an additional investment in manufacturing equipment. The suppression of the multipactor effect is the motivation for considering an innovative waveguide topology, like the wedge-shaped waveguide. It is within this context where this PhD work aims to offer a contribution. On the one hand, a numerical model for predicting the multipactor breakdown effect in wedge-shaped hollow waveguides has been developed. This tool has aided in the derivation of optimised design criteria. On the other hand, a bandpass filter synthesis method for rectangular waveguide has been adapted in order to calculate a similar design based on the new topology. As a culmination, the designed structures have been manufactured and tested, in order to verify their electromagnetic performance and their multipactor sensibility. A patent was also filed to protect these new filters. In short, this work has comprised the cycle of activities related to the whole industrial development of a passive microwave device: basic research, analysis, design, manufacturing and qualification through testing. These measurements have verified the predicted improvement in the multipactor thresholds of microwave filters with wedge-shaped topology, and have confirmed that they can offer similar frequency responses to the equivalent rectangular waveguide ones. The implications of the results have been thoroughly evaluated and summarised in this document. As a final remark, this research document has been drafted to reflect the natural learning process, and to show the rights and wrongs experienced in the way, which all have led to the final result. Such an endeavour would not have been possible without the support and commitment of several professionals from different European research centres and industries (Universidad Polit'ecnica de Valencia, Universidad de Valencia, European Space Agency, Thales Alenia Espacio Spain, Technische Universit¿at Darmstadt, 'Ecole Polythecnique F'ed'erale de Lausanne, Tesat, Aurora Software and Testing and Val Space Consortium), for which I am grateful. / Hueso González, J. (2013). Analysis of wedge-shaped waveguides and design of multipactor-resistant microwave bandpass filters. Análisis de guías de onda en forma de cuña y diseño de filtros de microondas paso-banda resistentes al efecto multipactor [Tesis doctoral]. Editorial Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/33750

Ces travaux de thèse portent sur l‟étude de filtres « multi-fonctions » dont l‟objectif serait de réduire les dimensions des circuits réalisant les fonctions de filtrage dans les systèmes aéroportés. Ces travaux ont donc conduit à la réalisation de filtres large bande (2 – 18 GHz) réjecteurs développés en technologie MMIC utilisant la filière GaN, ainsi que des filtres large bande développés suivant la filière AsGa en technologie MMIC. Les différents filtres réjecteurs ont été conçus suivant deux principes :- Le premier basé sur une structure à résonateurs à lignes couplées. Les différents prototypes réalisés ont permis de montrer l‟accordabilité en fréquence grâce à une charge variable placée à l‟extrémité non court-circuité de la ligne couplée. Celle-ci peut être réalisée par une diode varactor ou par un transistor froid. Ces prototypes ont également permis de montrer la possibilité de fonctionner suivant un mode passe-tout ou un mode réjecteur par simple polarisation de transistors chargés à l‟extrémité de la ligne couplée.- Le second est basé sur l‟accordabilité de filtres actifs par commutation entre plusieurs canaux à l‟aide d‟une structure distribuée. Un prototype a été développé et réalisé en technologie AsGa. Cette structure permet à la fois une accordabilité en fréquences, ainsi qu‟en largeur de bande passante (par activation de plusieurs canaux de bandes passantes adjacentes), et une adaptation large bande. Cette structure réunit à la fois des fonctions d‟accordabilité en fréquences (entre 8,7 et 15,6 GHz) par polarisation d‟éléments actifs, ceux-ci permettant même d‟obtenir du gain (de l‟ordre de 10 dB). / The aim of this work is to study “multi-functions” filters with an objective to reduce the dimensions of the circuits used for filtering functions in airborne systems. This work allows to obtain wide band notch filters (from 2 to 18 GHz) developed in MMIC technology using theEtude de Filtres MMIC Hyperfréquences en Technologies GaN et AsGa. 152GaN process and wide band filters developed in GaAs technology. The notch filters have been realized with two principles:- The first one based on coupled lines resonators structure. The prototype manufactured allow to validate the frequency tunability thanks to a variable load placed at the end of the coupled line. This can be realized with a varactor diode or with a cold transistor. These prototypes allow also validating the possibility for the circuit to work as an “allpass” filter or as a notch filter by applying a bias voltage on the transistors placed at the end of the coupled line.- The second one is based on the tenability of active filters by commuting between several channels thanks to a distributed structure. A prototype has been developed and manufactured in GaAs technology. This structure allow a frequency tunability with also the possibility to tune the bandwidth (by activating seeral channels with edge bandwidth), and a wide band matching. This structure allows to obtain frequency tunability (between 8.7 and 15.6 GHz) by applying a bias voltage on the active elements which brin gain (around 10 dB).

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. / The proliferation of user needs in the field of telecommunications, has led to overexploitation of the frequency spectrum. This led to the scarcity of frequency bands leading to a need for efficient management of frequencies. Constraints were added to the transmitting / receiving systems and in particular on the filters to prevent the saturation of the services. In this thesis, work is mainly oriented towards the design of resonators, planar and volumetric (3D) tunable filters in the field of millimeter wave frequencies (> = 30 GHz) using a new tunable technique which is microfluidic. This is a new approach to agility which consists of circulating the material (conductive, dielectric or magnetic liquids) in a dielectric substrate through micro channels. The dielectric substrate used is a resin SU-8 which provides flexibility in the implementation of microchannels and volumetric structures thanks to its good form factor (≈ 50%). The circulation of fluid in the substrate allows to locally modifying the electromagnetic properties of the medium. This leads to a change in the resonant frequency of the device.