Tesis doctorales DIEC - IEKS Doktoretza tesiak

Permanent URI for this collection

http://hdl.handle.net/2454/29504

Browse

Browsing Tesis doctorales DIEC - IEKS Doktoretza tesiak by Author "Beruete Díaz, Miguel"

Now showing 1 - 3 of 3
  • Thumbnail Image
    PublicationOpen Access
    Design of antennas based on metasurfaces at millimeters and terahertz waves
    (2022) Pérez Quintana, Dayan; Ederra Urzainqui, Íñigo; Beruete Díaz, Miguel; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio Ingeniaritzaren
    Esta tesis presenta la evolución de una línea de investigación guiada por el desarrollo de estructuras metálicas para mejorar las propiedades de radiación de dispositivos que operan en ondas milimétricas (mmWaves). Cubre diferentes aspectos de las soluciones de alta frecuencia como la tecnología Gap Waveguide (GW) para guiar ondas con bajas pérdidas y alta eficiencia superando las limitaciones de las guías de onda clásicas. Usando GW como enlace común, se han desarrollado tres antenas diferentes para generar polarización circular (CP) de una manera simple y compacta utilizando una técnica de alimentación basada en la diferencia de longitud de los brazos ortogonales que excitan una ranura en la placa superior. Cada una de estas antenas sigue una evolución natural desde el diseño inicial que presenta los fundamentos básicos de funcionamiento hacia topologías más complicadas con el objetivo de aumentar la directividad. Las metasuperficies (MTS) son otro tema candente en la investigación electromagnética debido a las posibilidades que ofrecen para el control de la radiación de ondas electromagnéticas. En particular, los MTS en ondas milimétricas son elementos clave en el contexto de los sistemas de comunicación modernos (5G, 6G), ya que abren nuevas formas de dirigir los haces en direcciones arbitrarias y, en general, mejoran las características de radiación de los dispositivos inalámbricos. En la tesis, las MTS se han combinado con la tecnología GW para ampliar la funcionalidad de los dispositivos compactos en un diseño totalmente metálico. Se ha diseñado y demostrado experimentalmente una antena de lente Luneburg plana (LL) basada en un lecho de clavos alimentado por una antena de bocina GW. El índice de refracción necesario para modular la ecuación de Luneburg se ha implementado utilizando pequeños pines con diferentes alturas. Este diseño presenta un ancho de banda significativo y buenos valores de directividad en una implementación compacta. También relacionado con las lentes, pero utilizando un concepto diferente, se ha propuesto un reflector doble capa compacto basado en una lente geodésica a 60 GHz. Una lente geodésica se basa en una guía de ondas de placas paralelas que logra las propiedades de enfoque introduciendo una forma curva y, por lo tanto, variando la trayectoria óptica efectiva. El sistema se ha implementado en una guía de ondas de placas paralelas de doble capa. En el diseño propuesto la onda proveniente de la lente geodésica en una primera capa es reflejada por un espejo parabólico que conecta los bordes de las dos capas que dirige la onda hacia la segunda capa donde es radiada. Para hacer que el sistema sea más compacto, la lente está diseñada con un foco virtual para que la fuente real pueda colocarse más cerca de la lente. Un desafío tecnológico abierto es lograr antenas de alta ganancia en el extremo superior de la banda de ondas milimétricas, cerca del rango de los terahercios (300 GHz), donde se dispone de un amplio ancho de banda gracias a la mayor frecuencia de operación. En la tesis se ha dado un paso inicial para cubrir este vacío proponiendo un sistema de antena-lentes basado en una lente hiperbólica plana de metamaterial iluminada por una antena de bocina en plano H diseñada a 300 GHz utilizando tecnología GW. Ambos dispositivos, la metalente y la antena GW logran excelentes resultados de radiación cuando se combinan. Además, se analiza en detalle el proceso de fabricación y se presenta una propuesta realista basada en silicio metalizado micromecanizado. Finalmente, las metasuperficies reconfigurables y activas son un tema disruptivo con múltiples aplicaciones en sistemas inalámbricos inteligentes. Aquí, se ha demostrado numérica y experimentalmente un reflectarray (RA) dinámicamente reconfigurable que utiliza cristal líquido (LC) y que opera por encima de 100 GHz. Este es un resultado relevante y desafiante debido a la marcada diferencia entre la longitud de onda de operación (del orden de milímetros) y el grosor típico de un sustrato LC (algunos micrómetros). El buen desempeño del prototipo allana el camino hacia diseños más ambiciosos alineados con los requerimientos de los modernos sistemas de comunicación en ondas milimétricas.
  • Thumbnail Image
    PublicationOpen Access
    Terahertz and infrared sensing with metasurfaces and spectroscopy techniques
    (2023) Jáuregui López, Irati; Beruete Díaz, Miguel; Insausti Barrenetxea, Kizkitza; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio Ingeniaritzaren
    Los metamateriales aparecen en los primeros años del siglo XXI como materiales artificiales con parámetros inusuales, que presentan un comportamiento electromagnético exótico, con más posibilidades para el control de la radiación electromagnética. Desde su primera realización experimental, la investigación en el campo del electromagnetismo tuvo un gran impulso y, como resultado, se han propuesto numerosos diseños basados en metasuperficies (la versión plana de los metamateriales) para diversas aplicaciones como las telecomunicaciones, seguridad, espectroscopía, imagen, sensado, etc. En esta Tesis se investiga el uso de dispositivos inspirados en el paradigma de las metasuperficies para aplicaciones de sensado, operando en el régimen frecuencial de los terahercios. El contenido de la Tesis se puede dividir en tres partes diferenciadas que se relacionan con los diferentes estudios que se han llevado a cabo. En primer lugar, el diseño numérico y experimental de metasensores para el sensado de películas delgadas, muestras biológicas, y químicas. Para ello, se presentan dos tipos de estructuras basadas en metasuperficies: un diseño con una geometría complicada que permite obtener resultados con una elevada sensibilidad; y un diseño basado en matrices de agujeros que explota el fenómeno de la transmisión extraordinaria. Por otra parte, se investiga el efecto de la geometría en los patrones de los metasensores y su influencia en la calidad de la detección, mediante la modificación geométrica de un diseño basado en tripolos. Por último, se investiga la aplicación de la espectroscopía de infrarojo medio para el análisis de productos oxidativos en carne de origen animal.
  • Thumbnail Image
    PublicationOpen Access
    Waveplates based on metasurfaces in the THz range
    (2023) Moreno-Peñarrubia, Alexia; Beruete Díaz, Miguel; Orazbayev, Bakhtiyar; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio Ingeniaritzaren
    Los platos de onda basados en metasuperficies son componentes clave en electromagnetismo, ya que permiten un control total de la polarización de las ondas electromagnéticas con la ventaja de presentar estructuras más compactas que los platos de onda convencionales. Además, la aplicación del principio de Pancharatnam Berry (PB) a los platos de media onda (HWP) basados en metasuperficies, permite la manipulación de frentes de onda junto con la conversión de la polarización de las ondas incidentes circularmente polarizadas, simplemente girando los meta-átomos que componen la metasuperficie. Para lograr altos niveles de eficiencia de transmisión con platos de onda basados en metasuperficies, generalmente se requieren diseños multicapa. Esto implica estructuras voluminosas y complica el proceso de fabricación, restando importancia a la ventaja de utilizar metasuperficies. El propósito de esta tesis realizada en la Universidad Pública de Navarra y en L’École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Suiza (EPFL) es ofrecer una ventaja tecnológica tanto para el control de polarización como para la manipulación del frente de onda y contribuir al desarrollo de dispositivos basados en metamasuperficies, incluyendo su fabricación y verificación experimental. Los resultados incluyen lo siguiente: Un plato de media onda operando en transmisión, ultradelgado y basado en una metasuperficie en zigzag de dos capas que opera en la parte baja del espectro del THz con un 90% de eficiencia de transmisión, que se demuestra numérica y experimentalmente. Se lleva a cabo un análisis detallado de la robustez del dispositivo con respecto a los desalineamientos de las capas mediante el diseño y la fabricación de dos dispositivos adicionales con el máximo desalineamiento entre capas en ambas direcciones transversales. Una metalente ultradelgada y compacta basada en el principio Pancharatnam Berry con solo dos capas alcanzando un 90% de eficiencia de transmisión, enfocando el frente de onda de una onda incidente polarizada circularmente y convirtiendo su polarización. La estructura es estudiada semi-analítica y numéricamente y medida experimentalmente, comprobándose un excelente comportamiento como HWP PB metalente a 87 GHz. Una aplicación de ingeniería de frentes de onda para la manipulación de los mismos se demuestra numéricamente en el rango de ondas milimétricas mediante la integración de la metalente en un sistema de antena-metalente, que se estudia semi-analíticamente y se corrobora experimentalmente. El sistema convierte la polarización de las ondas polarizadas circularmente, logrando un incremento de la directividad de antena de 17 dB a ⁓35 dB a 87 GHz con un AR inferior a 0.5 dB. Finalmente, se presentan dos configuraciones extra del sistema para trabajar entre los extremos del rango de frecuencia comprendido entre 75 GHz y 105 GHz, con directividades ⁓32 dB y AR < 3 dB.