[EN] Nowadays, there is a significant increment in the use of wireless communications. Due to the growing needs for bandwidth, telecommunications increasingly move to the high frequency bands of the spectrum because of the largest available bandwidth, less interference, reduced component sizes, etc. The potential commercial applications at high frequencies include satellite communications, vehicular radars, image and security systems, personal wireless devices, etc. As a result, an important research activity to understand different aspects of communications systems in the millimeter-wave frequency range is currently being done. As the frequency increases, antennas present a higher directivity, so that, in order to transmit/receive with adequate levels to/from a certain direction a radiating system be capable of produce one or more beams in a wide angular range becomes necessary. The feeding system that performs some of these tasks is based in a Beam Forming Networks (BFNs). BFNs have been traditionally manufactured using different types of transmission lines, e.g. microstrip lines or metallic waveguides; however each of them has advantages and limitations depending upon the used technology. Conversely, there are many technological and mechanical challenges when designing systems at high RF frequencies. Among the most important factors are: cost, small size requirements, need for higher system integration densities, low power consumption, low dissipation, etc. Currently, the planar technology has provided the ideal medium for the design and implementation of many circuits and systems in the microwave and millimeter-wave bands. However, this technology presents some disadvantages when used at high frequencies, so that, the search for other technologies that solve the current manufacturing problems becomes necessary. For the above reasons, in this thesis, multibeam antennas fed by Rotman lens have been designed and manufactured in the microwave and millimeter-wave bands using Substrate Integrated Waveguide (SIW) and, the more recent, gap waveguide technology. A prototype of a multibeam antenna system for tracking the POLITECH.1 pico-satellite has been designed and fabricated. This prototype will be useful as a test model for the design and manufacture of a much larger multibeam antenna system, which could be installed in the ground station located at UPV, as an alternative to current mechanical tracking systems. A prototype of a multibeam antenna using the gap waveguide technology has been designed and manufactured. This antenna proves the validity of this technology for the manufacturing of complex devices in microwave and millimeter-wave frequencies. Finally, a prototype of a Rotman lens in LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic) technology, for use in the 60 GHz band has been designed. An important problem of the traditional planar-guiding technologies, such as microstrip or stripline, is the considerable amount of losses they have in the millimeter-wave range. The use of gap waveguide technology in the designed prototype allows the reduction of insertion losses at milimeter-wave frequencies. / [ES] Actualmente existe un significativo interés en el uso de las comunicaciones inalámbricas. Debido a las crecientes necesidades de ancho de banda, las telecomunicaciones se mueven cada vez más a las bandas de altas frecuencias del espectro radioeléctrico por el mayor ancho de banda disponible, menor interferencia, componentes de tamaños reducidos, etc. Las potenciales aplicaciones comerciales en alta frecuencia incluyen comunicaciones satelitales, radares vehiculares, sistemas de imagen y seguridad, dispositivos inalámbricos personales, etc. Como resultado, se está realizando una significativa actividad investigadora para entender diferentes aspectos de los sistemas de comunicaciones en el rango de frecuencias de las ondas milimétricas. A medida que la frecuencia se incrementa, las antenas presentan más directividad, por lo que, para transmitir/recibir con garantía hacia/desde una determinada dirección es necesario que el sistema radiante que sea capaz de producir una más haces que puedan ser apuntados en un amplio margen angular. El sistema de alimentación que realizará alguna de estas tareas estará basado en una red de conformado de haz o BFN (Beam Forming Networks), las cuales tradicionalmente, han sido construidas utilizando diferentes tipos de líneas de transmisión, como por ejemplo líneas microstrip o guías de onda; sin embargo cada una de ellas tiene las ventajas y limitaciones propias de la tecnología empleada. Por otro lado, hay muchos retos tecnológicos y mecánicos para diseñar sistemas de RF en altas frecuencias. Entre los factores más importantes están; coste, requisitos de tamaño reducido, necesidad de mayores densidades de integración del sistema, bajo consumo, baja disipación, etc. Actualmente, las tecnologías planares han suministrado el medio ideal para el diseño e implementación de muchos circuitos y sistemas en la banda de microondas y milimétricas. Sin embargo, esta tecnología presenta algunas desventajas para su uso en altas frecuencias que hacen necesaria la búsqueda de otras tecnologías que permitan solucionar los problemas de fabricación actuales. Por las razones mencionadas, en este trabajo se diseñan y construyen antenas multihaz alimentadas con lente de Rotman para su uso en las bandas de microondas y ondas milimétricas, utilizando nuevas tecnologías de guiado como son: la tecnología de guía de onda integrada en substrato SIW (Substrate Integrated Waveguide) y la más reciente tecnología de guías de onda "gap waveguide". Se ha diseñado y construido un prototipo de antena multihaz para el sistema de seguimiento del pico-satélite POLITECH.1. Esta prototipo de antena servirá como modelo de prueba para el diseño y fabricación de un sistema de antena multihaz mucho mayor, que podría ser instalado en la estación terrena ubicada en la UPV, como una alternativa al sistema mecánico de seguimiento que se tiene actualmente. Se ha diseñado y construido un prototipo de antena multihaz utilizando la tecnología "gap waveguide", que permite demostrar que dicha tecnología es una buena alternativa para la construcción de dispositivos complejos en frecuencias de microondas y ondas milimétricas. Finalmente, se ha diseñado un prototipo de lente de Rotman, en tecnología LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic) para su uso en aplicaciones en la banda de 60 GHz. Un problema importante que tienen las tecnologías tradicionales de guiado, como microstrip y stripline es que presentan demasiadas pérdidas en este rango de frecuencias. Por lo tanto, el prototipo utiliza la tecnología gap waveguide que permite disminuir las pérdidas de inserción en frecuencias de ondas milimétricas. / [CA] Actualment existeix un significatiu interès en l'ús de comunicacions sense fil. Degut a les creixents necessitats d'ample de banda, les telecomunicacions es mouen cada vegada més a les bandes d'altes freqüències de l'espectre radioelèctric pel major ample de banda disponible, menor interferència, components de mida reduïda, etc. Les potencials aplicacions comercials en alta freqüència inclouen comunicacions via satèl·lit, radars vehiculars, sistemes d'imatge i seguretat, dispositius sense fils personals, etc. Com a resultat, s'està realitzant una significativa activitat investigadora para tal d'entendre diferents aspectes dels sistemes de comunicacions en el rang de freqüències d'ones mil·limètriques. A mesura que la freqüència s'incrementa, les antenes presenten més directivitat, raó per la qual, per tal de transmetre/rebre amb garanties cap a/des d'una determinada direcció, és necessari que el sistema radiant continue sent capaç de produir un o més feixos que puguen ser apuntats en un marge angular ample. El sistema d'alimentació que realitzarà alguna d'estes tasques estarà basat en una xarxa de feix conformat o BFN (Beam Forming Networks) les quals, tradicionalment, han sigut construïdes utilitzant diferents tipus de línies de transmissió com, per exemple, línies microstrip o guies d'ona; no obstant això cada una d'elles té els avantatges i limitacions pròpies de la tecnologia empleada. Per altra banda, n'hi ha molts reptes tecnològics i mecànics per tal de dissenyar sistemes de RF a altes freqüències. Entre els factors més importants estan; el cost, els requisits de mida reduïda, la necessitat de majors densitats d'integració del sistema, el baix consum, la baixa dissipació, etc. Actualment, les tecnologies planars han subministrat el medi ideal per el disseny i implementació de molts circuits i sistemes en la banda de microones i mil·limètriques. No obstant, esta tecnologia presenta alguns desavantatges para al seu ús a altes freqüències que fan necessària la recerca d'altres tecnologies que permeten solucionar els problemes de fabricació actuals. Por les raons mencionades, en aquesta tesi es dissenyen i construeixen antenes multifeix alimentades amb lent de Rotman per al seu ús en les bandes de microones i d'ones mil·limètriques, utilitzant noves tecnologies de guiat como són: la tecnologia de guia d'ona integrada en substrat SIW (Substrate Integrated Waveguide) i la més recent tecnologia de guies d'ona gap waveguide. S'ha dissenyat i construït un prototipus d'antena multifeix per al sistema de seguiment del pico-satèl·lit POLITECH.1. Aquest prototipus d'antena servirà com a model de prova per al disseny i fabricació d'un sistema d'antena multifeix molt major, que podria ser instal·lat a l'estació terrena ubicada en la UPV, com alternativa al sistema mecànic de seguiment que es té actualment. Utilitzant la ecnologia gap waveguide, s'ha dissenyat i construït un prototipus d'antena multifeix que permet demostrar que aquesta tecnologia es una bona alternativa per a la construcció de dispositius complexos a freqüències de microones i d'ones mil·limètriques. Finalment, s'ha dissenyat un prototipus de lent de Rotman, en tecnologia LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic) per al seu ús en aplicacions en la banda de 60 GHz. Un problema important que tenen les tecnologies tradicionals de guiat, com microstrip i stripline, és que presenten massa pèrdues en aquest rang de freqüències. Per tant, el prototipus utilitza la tecnologia gap waveguide que permet disminuir les pèrdues d'inserció a freqüències d'ones mil·limètriques. / Carrera Suárez, LF. (2015). Antenas multihaz con lente de Rotman para las bandas de microondas y milimétricas realizadas en diferentes tecnologías [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/58779

<p>Ubrzan razvoj bežičnih komunikacionih sistema postavlja zahtev za razvojem novih kompaktnih kola visokih performansi, na visokim učestanostima u mikrotalasnom i milimetarskom opsegu, koja će zadovoljiti potrebu za većim brzinama za prenos velike količine podataka. U okviru ove disertacije su predstavljena pasivna kola projektovana u tehnologiji mikrostrip talasovoda na bazi procepa, koja mogu da zadovolje zahteve postavljene od komunikacionih sistema.Predstavljeno je šest filtarskih topologija i jedan sprežnik. Prve četiri filtarske topologije zasnovane su na novim minijaturnim rezonantnim šupljinama u tehnologiji mikrostrip grebenastog talasovoda na bazi procepa. Filtri su projektovani na centralnim učestanostima u okolini 13,5 GHz i pokazali su odlične performanse u poređenju sa filtrima predstavljenim u literaturi. Druge dve filtarske topologije zasnovane su na dual-mod rezonatorima projektovanim za rad na milimetarskom opsegu učestanosti. Predloženim rezonatorima projektovan je filtar sa jednim i sa dva pola, na učestanostima većim od 30 GHz, realizovan u tehnologiji mikrostrip grebenastog talasovoda na bazi procepa. Sve filtarske topologije su fabrikovane u standardnoj tehnologiji štampanih ploča. Takođe, u disertaciji je predložen direkcioni sprežnik sa 0-dB odlaznim talasom realizovan u tehnologiji mikrostrip grebenastog talasovoda na bazi procepa. Sprežnik se odlikuje dobrim osobinama i postavio je osnove za dalja istraživanja.</p> / <p>The rapid changes in wireless communications systems establish the need for devices that operate at high frequencies in microwave and mm-wave region, provide higher performances and utilize higher frequency bands to deliver higher data rates. Within this thesis six bandpass filters have been developed and one forward-wave 0dB coupler has been designed. Firstly, bandpass filters have been designed based on novel cavity resonators with mushroom inclusions in microstrip-ridge gap waveguide technology (MS-RGW). Filters have been designed to operate at the frequencies around 13.5 GHz and have shown excellent performances. Next two bandpass filters have been designed to operate at frequencies above 30 GHz, based on dual-mode resonators designed in MS-RGW technology. The filters have been designed with two and four poles. All filter topologies have been fabricated in standard circuit board technology (PCB). Also, forward-wave 0-dB directional coupler has been designed with good performances.</p>

Research interest: In recent years we have seen the emergence of commercial applications at high frequencies, such as the top part of the microwave band and the millimeter and sub-millimeter bands, and it is expected a big increase in the coming years. This growing demand requires a rapid development of low-cost technology with good performance at these frequencies, where common technologies, such as microstrip and standard waveguides, have some shortcomings. In particular, existing solutions for high-gain planar scanning antennas at these frequencies su er from the disadvantages of these technologies giving rise to high-cost products not suitable for high volume production. Objectives: The main objective of this thesis is to study the feasibility of a new proposal to improve existing solutions to date for low-cost high-gain planar scanning antennas at high frequencies. This overall objective has resulted in another central objective of this thesis, which is the research of new quasi-TEM waveguides that are more appropriate than current technologies for the realization of circuits and components at these frequency bands. These guided solutions make use of periodic or arti cial surfaces in order to con- ne and channel the elds within these waveguides. Methodology: The work follows a logical sequence of speci c tasks aimed at achieving the main objective of this thesis. Chapter 2 presents the proposed guiding solution and shows its performance numerical and experimentally. The optimized design of high-gain antennas based on waveguide slot arrays requires the development of e cient ad-hoc codes. The implementation and validation of this code is presented in Chapter 3, where a new method for the analysis of corrugated surfaces is proposed, and in Chapter 4, which extends this code to the analysis of waveguide slot arrays. The process design and optimization of a two-dimensional array is described in Chapter 5, where a preliminary experimental validation is also described. Moreover, the proposed guiding solution has inspired the development of a new guiding technology of wider bandwidth and more versatile for the realization of circuits and components at high frequencies. Chapter 6 presents the contributions to the study of this technology and its application to the design of circuits. / Alfonso Alós, E. (2011). New quasi-TEM waveguides using artificial surfaces and their application to antennas and circuits [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/11073

This thesis tackles issues of particular interest regarding analysis and design of passive components at the mm-wave and Terahertz (THz) bands. Innovative analysis techniques and modeling of complex structures, design procedures, and practical implementation of advanced passive devices are presented. The first part of the thesis is dedicated to THz passive components. These days, THz technology suffers from the lack of suitable waveguiding structures since both, metals and dielectric, are lossy at THz frequencies. This implies that neither conventional closed metallic structures used at microwave frequencies, nor dielectric waveguides used in the optical regime, are adequate solutions. Among a variety of new proposals, the Single Wire Waveguide (SWW) stands out due to its low attenuation and dispersion. However, this surface waveguide presents difficult excitation and strong radiation on bends. A Dielectric-Coated Single Wire Waveguide (DCSWW) can be used to alleviate these problems, but advantages of the SWW are lost and new problems arise. Until now, literature has not given proper solution to radiation on bends and, on the other hand, rigorous characterization of these waveguides lacks these days. This thesis provides, for the first time, a complete modal analysis of both waveguides, appropriated for THz frequencies. This analysis is later applied to solve the problem of radiation on bends. Several structures and design procedures to alleviate radiation losses are presented and experimentally validated. The second part of the thesis is dedicated to mm-wave passive components. These days, when implementing passive components to operate at such small, millimetric wavelengths, to ensure proper metallic contact and alignment between parts results challenging. In addition, dielectric absorption becomes significant at mm-wave frequencies. Consequently, conventional hollow metallic waveguides and planar transmission lines present high attenuation so that new topologies are being considered. Gap Waveguides (GWs), based on a periodic structure introducing an Electromagnetic Bandgap effect, result very suitable since they do not require metallic contacts and avoid dielectric losses. However, although GWs have great potential, several issues prevent GW technology from becoming consolidated and universally used. On the one hand, the topological complexity of GWs difficulties the design process since full-wave simulations are time-costly and there is a lack of appropriate analysis methods and suitable synthesis procedures. On the other hand, benefits of using GWs instead of conventional structures are required to be more clearly evidenced with high-performance GW components and proper comparatives with conventional structures. This thesis introduces several efficient analysis methods, models, and synthesis techniques that will allow engineers without significant background in GWs to straightforwardly implement GW devices. In addition, several high-performance narrow-band filters operating at Ka-band and V-band, as well as a rigorous comparative with rectangular waveguide topology, are presented. / Esta tesis aborda problemas actuales en el análisis y diseño de componentes pasivos en las bandas de onda milimétrica y Terahercios (THz). Se presentan nuevas técnicas de análisis y modelado de estructuras complejas, procedimientos de diseño, e implementación práctica de dispositivos pasivos avanzados. La primera parte de la tesis se dedica a componentes pasivos de THz. Actualmente no se disponen de guías de onda adecuadas a THz debido a que ambos, metales y dieléctricos, introducen grandes pérdidas. En consecuencia, no es adecuado escalar las estructuras metálicas cerradas usadas en microondas, ni las guías dieléctricas usadas a frecuencias ópticas. Entre un gran número de recientes propuestas, la Single Wire Waveguide (SWW) destaca por su baja atenuación y casi nula dispersión. No obstante, como guía superficial, la SWW presenta difícil excitación y radiación en curvas. El uso de un recubrimiento dieléctrico, creando la Dielecric-Coated Single Wire Waveguide (DCSWW), alivia estos inconvenientes, pero las ventajas anteriores se pierden y nuevos problemas aparecen. Hasta la fecha, no se han encontrado soluciones adecuadas para la radiación en curvas de la SWW. Además, se echa en falta una caracterización rigurosa de ambas guías. Esta tesis presenta, por primera vez, un análisis modal completo de SWW y DCSWW, adecuado a la banda de THz. Este análisis es aplicado posteriormente para evitar el problema de la radiación en curvas. Se presentan y validan experimentalmente diversas estructuras y procedimientos de diseño. La segunda parte de la tesis abarca componentes pasivos de ondas milimétricas. Actualmente, estos componentes sufren una importante degradación de su respuesta debido a que resulta difícil asegurar contacto metálico y alineamiento adecuados para la operación a longitudes de onda tan pequeñas. Además, la absorción dieléctrica incrementa notablemente a estas frecuencias. En consecuencia, tanto guías metálicas huecas como líneas de transmisión planares convencionales presentan gran atenuación, siendo necesario considerar topologías alternativas. Las Gap Waveguides (GWs), basadas en una estructura periódica que introduce un efecto de Electromagnetic Bandgap, resultan muy adecuadas puesto que no requieren contacto entre partes metálicas y evitan las pérdidas en dieléctricos. No obstante, a pesar del potencial de las GWs, varias barreras impiden la consolidación y uso universal de esta tecnología. Por una parte, la compleja topología de las GWs dificulta el proceso de diseño dado que las simulaciones de onda completa consumen mucho tiempo y no existen actualmente métodos de análisis y diseño apropiados. Por otra parte, es necesario evidenciar el beneficio de usar GWs mediante dispositivos GW de altas prestaciones y comparativas adecuadas con estructuras convencionales. Esta tesis presenta diversos métodos de análisis eficientes, modelos, y técnicas de diseño que permitirán la síntesis de dispositivos GW sin necesidad de un conocimiento profundo de esta tecnología. Asimismo, se presentan varios filtros de banda estrecha operando en las bandas Ka y V con altas prestaciones, así como una comparativa rigurosa con la guía rectangular. / Aquesta tesi aborda problemes actuals en relació a l'anàlisi i disseny de components passius en les bandes d'ona mil·limètrica i Terahercis. Es presenten noves tècniques d'anàlisi i modelatge d'estructures complexes, procediments de disseny, i implementació pràctica de dispositius passius avançats. La primera part de la tesi es focalitza en components passius de THz. Actualment no es disposen de guies d'ona adequades a THz causa que tots dos, metalls i dielèctrics, introdueixen grans pèrdues. En conseqüència, no és adequat escalar les estructures metál·liques tancades usades en microones, ni les guies dielèctriques usades a freqüències òptiques. Entre un gran nombre de propostes recents, la Single Wire Waveguide (SWW) destaca per la seua baixa atenuació i quasi nul·la dispersió. No obstant això, com a guia superficial, la SWW presenta difícil excitació i radiació en corbes. L'ús d'un recobriment dielèctric, creant la Dielecric-Coated Single Wire Waveguide (DCSWW), alleuja aquests inconvenients, però els avantatges anteriors es perden i nous problemes apareixen. Fins a la data, no s'han trobat solucions adequades per a la radiació en corbes de la SWW. A més, es troba a faltar una caracterització rigorosa d'ambdues guies. Aquesta tesi presenta, per primera vegada, un anàlisi modal complet de SWW i DCSWW, adequat a la banda de THz. Aquest anàlisi és aplicat posteriorment per evitar el problema de la radiació en corbes. Es presenten i validen experimentalment diverses estructures i procediments de disseny. La segona part de la tesi es centra en components passius d'ones mil·limètriques. Actualment, aquests components pateixen una important degradació de la seua resposta a causa de que resulta difícil assegurar contacte metàl·lic i alineament adequats per a l'operació a longituds d'ona tan menudes. A més, l'absorció dielèctrica incrementa notablement a aquestes freqüències. En conseqüència, tant guies metàl·liques buides com línies de transmissió planars convencionals presenten gran atenuació, sent necessari considerar topologies alternatives. Les Gap Waveguides (GWs), basades en una estructura periòdica que introdueix un efecte de Electromagnetic Bandgap, resulten molt adequades ja que no requereixen contacte entre parts metàl·liques i eviten les pèrdues en dielèctrics. No obstant, tot i el potencial de les GWs, diverses barreres impedixen la consolidació i ús universal d'aquesta tecnologia. D'una banda, la complexa topologia de les GWs dificulta el procés de disseny atés que les simulacions d'ona completa consumeixen molt de temps i no existeixen actualment mètodes d'anàlisi i disseny apropiats. D'altra banda, és necessari evidenciar el benefici d'utilitzar GWs mitjançant dispositius GW d'altes prestacions i comparatives adequades amb estructures convencionals. Aquesta tesi presenta diversos mètodes d'anàlisi eficients, models, i tècniques de disseny que permetran la síntesi de dispositius GW sense necessitat d'un coneixement profund d'aquesta tecnologia. Així mateix, es presenten diversos filtres de banda estreta operant en les bandes Ka i V amb altes prestacions, així com una comparativa rigorosa amb la guia rectangular. / Berenguer Verdú, AJ. (2017). Analysis and design of efficient passive components for the millimeter-wave and THz bands [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/84004