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Wideband circularly-polarized gap waveguide-based antenna design
(IEEE, 2025-03-12) Leoz-Beltrán, Iñigo; Iriarte Galarregui, Juan Carlos; Pérez Quintana, Dayan; Teberio Berdún, Fernando; Beruete Díaz, Miguel; Ederra Urzainqui, Íñigo; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoa eta Telekomunikazio Ingeniaritza
This paper presents the design of an all-metal antenna based on Gap Waveguide technology. The antenna, which is realized using a Ridge Gap Waveguide, consists of just two layers, maintaining a compact size. The first layer is made up of two perpendicularly placed arms, which comprise the feeding, and the second layer hosts a diamond shaped slot and a horn, which comprise the radiator. Simulations show that the design achieves a remarkable bandwidth equivalent to the 31.43% of the central frequency in terms of both S11 parameter, being below -10 dB, and Axial Ratio, being below 3 dB.
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Flat lens antenna using gap waveguide technology at millimeter waves
(IEEE, 2021) Pérez Quintana, Dayan; Bilitos, Christos; Ruiz-García, Jorge; González-Ovejero, David; Beruete Díaz, Miguel; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio Ingeniaritzaren
In this paper, a flat lens antenna using Gap Waveguide (GW) technology working in the millimeter waves band was designed. The metamaterial lens is fed using a Groove Gap Waveguide (GGW) horn antenna in order to achieve a plane wavefront at broadside. Both devices, metalens and GGW antenna achieve excellent radiation results when combined together. Due to metallic composition, the structure presents more robustness, low loss, and adaptability to a flat surface, able to be used in millimeter wave application.
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Compact antennas in ridge gap waveguide with circular polarization
(IEEE, 2020) Pérez Quintana, Dayan; Ederra Urzainqui, Íñigo; Beruete Díaz, Miguel; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio Ingeniaritzaren; Institute of Smart Cities - ISC; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación
In this paper, two compact antennas in Ridge Gap Waveguide (RGW) technology, working at 60 GHz, with a high-purity circular polarization (CP) within a broad bandwidth are manufactured and measured. The antennas are fed from the bottom plane with a WR-15 waveguide (V-band), which couples the wave to the RGW. CP is generated in a simple and effective way, by means of two orthogonal feeder arms that excite a CP in a diamond-shaped slot on top. A broadband matching with reflection coefficient magnitude below -10 dB (S-11 < -10 dB) is achieved from approximately 60.3 to 69.6 GHz (> 9 GHz). Applying the axial ratio criterion (AR < 3dB) the bandwidth in CP is 14.48%, with respect to the central frequency (59 to 70 GHz). The maximum gain in both designs is obtained at 67 GHz, with a value of 5.49 and 11.12 dB respectively.
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Fully metallic Luneburg metalens antenna in gap waveguide technology at V-band
(IEEE, 2023) Pérez Quintana, Dayan; Bilitos, Christos; Ruiz-García, Jorge; Ederra Urzainqui, Íñigo; Teniente Vallinas, Jorge; González-Ovejero, David; Beruete Díaz, Miguel; Institute of Smart Cities - ISC
This article presents the design of a flat Luneburg metalens antenna at V-band using gap waveguide (GW) technology. The metalens consists of a parallel plate waveguide (PPW) loaded with metallic pins whose height is modulated to get an effective refractive index that follows the Luneburg equation. A Groove GW (GGW) H-plane horn is used to illuminate the metalens, such that the rays are collimated and a planar wavefront is generated in the direction of propagation. Since the structure at hand is planar, it can be efficiently integrated on flat surfaces. Moreover, the fully metallic structure is mechanically robust and presents lower losses than lenses including dielectric substrates. A prototype has been fabricated and tested, simulations and experimental results are in very good agreement. The metalens yields an input reflection coefficient (S11) below −10 dB from 45 to 70 GHz, whereas the −3 dB gain fractional bandwidth is 26.2% with respect to a center frequency of 60 GHz, with a peak of 22.5 dB at 61 GHz. These features make this design an interesting solution for millimeter-wave (MMW) applications.
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Liquid crystals in reconfigurable reflectarray antennas for sub-millimeter waves
(IEEE, 2024-08-21) Pérez Quintana, Dayan; Aguirre Gallego, Erik; Olariaga Jauregui, Eduardo; Kuznetsov, Sergei A.; Lapanik, Valeri I.; Sutormin, Vitaly S.; Zyryanov, Victor Ya; Marcotegui Iturmendi, José Antonio; Beruete Díaz, Miguel; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoa eta Telekomunikazio Ingeniaritza; Institute of Smart Cities - ISC
Accelerated technological progress responds to the dynamic evolution of wireless communication systems, fueled by the advent of 5G, the emergence of 6G, and the pervasive integration of the IoT paradigm. Smart antennas play a pivotal role in this advancement, facilitating electronic beam steering to meet escalating demands for enhanced bandwidth and elevated operating frequencies. The spotlight shifts to reconfigurable reflectarray antennas, gaining prominence over conventional phased arrays. Notably, liquid crystals (LCs) emerge as a promising avenue for creating electronically reconfigurable/switchable reflectarrays, specifically tailored for short millimeter and terahertz waves. LCs, as a unique aggregate state combining solid and liquid features, address current technology limitations. Their uniaxial nature and the ability to manipulate molecule orientation enable effective fine-tuning of dielectric permittivity without drawbacks present in existing technologies.
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Compact groove diamond antenna in gap waveguide technology with broadband circular polarization at millimeter waves
(IEEE, 2020) Pérez Quintana, Dayan; Torres García, Alicia E.; Ederra Urzainqui, Íñigo; Beruete Díaz, Miguel; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio Ingeniaritzaren; Institute of Smart Cities - ISC; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación
In this paper, three compact antennas using the Ridge Gap Waveguide (RGW) technology working in the millimeter-wave band (60 GHz), with a high-purity and broadband circular polarization (CP) are numerically and experimentally analyzed. The structure is fed from the bottom by means of a standard WR-15 waveguide (V-band) to make it compatible with standard measurement systems. It is coupled with a miniaturized step transition to a ridgeline that ends in two arms of different lengths. CP is generated in a simple and effective way, by means of two orthogonal feeder arms that excite a CP in a diamond-shaped slot on top. Simulations and measurements have an excellent agreement reaching a matching bandwidth (S11 <-10 dB) from 60.3 to 69.6 GHz (> 9 GHz). Applying the axial ratio criterion (AR < 3 dB) the bandwidth in CP is 14.48%, with respect to the central frequency (59 to 70 GHz). The maximum gain is obtained with the most evolved design incorporating a diamond aperture with a horn taper and a circular groove, reaching a value of 11.12 dB at 67.3 GHz.
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A gap waveguide fed circular polarization antennas in the millimeter wave range
(IEEE, 2020) Pérez Quintana, Dayan; Torres García, Alicia E.; Ederra Urzainqui, Íñigo; Beruete Díaz, Miguel; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio Ingeniaritzaren; Institute of Smart Cities - ISC; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación
In this work, a novel circular polarization (CP) antennas in ridge gap waveguide (RGW) working in the V-band of the millimeter-wave spectrum is presented. CP is generated in a simple and effective way by means of two orthogonal feeder arms that excite a CP in a rotated square-shaped slot placed on top metallic lid. Parametric simulation studies demonstrate that a difference between both arms length of approximately λ/4 leads to high-purity CP within a relatively broad bandwidth. A square-shaped slot antenna is manufactured and experimentally analyzed. A broadband matching with a reflection coefficient magnitude below -10 dB (S11 <; -10 dB) is achieved from 60.5 to 69.3 GHz. Applying the axial ratio criterion (AR <; 3 dB) the bandwidth in CP is 10.74%, with respect to the central frequency. The maximum gain at broadside is 5.49 dB at 66.8 GHz.
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Compact pillbox reflector based on geodesic lens
(IEEE, 2022) Pérez Quintana, Dayan; Chen, Q.; Beruete Díaz, Miguel; Quevedo-Teruel, O.; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Institute of Smart Cities - ISC; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio Ingeniaritzaren
We propose a pillbox antenna in combination with a geodesic lens at 60 GHz. The antenna is implemented in a dual-layer parallel plate waveguide. The waves from a geodesic lens in a first layer, after being reflected by a parabolic mirror connecting the rims of the two layers, enter a second layer and illuminate the radiation aperture. Since the lens produces a virtual focus, the reflector works as if it is fed from that a further location, making the system more compact.
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Hyperbolic lens antenna in groove gap waveguide technology at sub-millimeter waves
(IEEE, 2022) Pérez Quintana, Dayan; Biurrun Quel, Carlos; Ederra Urzainqui, Íñigo; González-Ovejero, David; Beruete Díaz, Miguel; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Institute of Smart Cities - ISC; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio Ingeniaritzaren
In this paper, a flat hyperbolic lens antenna using Groove Gap Waveguide (GGW) technology is designed at 300 GHz. A GGW horn antenna is used to feed the metamaterial lens placed in a parallel plate waveguide (PPW), in order to increase the directivity in the direction of propagation. The combination of both devices, the metalens and the GGW antenna, achieves excellent radiation performance.
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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.