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Development of sub-millimetre wave band subsystems and packaging techniques
(2019) Pérez Escudero, José Manuel; Gonzalo García, Ramón; Ederra Urzainqui, Íñigo; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio Ingeniaritzaren
En esta tesis se investigan técnicas de diseño y fabricación de dispositivos, ya sean transmisores o receptores, a frecuencias de THz y submilimétricas y técnicas de empaquetado con el objetivo de que el dispositivo final sea más compacto. Esto es interesante sobre todo pensando en uso comercial o en la integración en satélites, ya que en ambos casos la portabilidad y facilidad de uso son muy importantes. El contenido de la tesis puede dividirse en dos partes bien diferenciadas. La primera de ellas parte de la base de que no hay conectores a tan alta frecuencia y es necesario el uso de equipamiento basado en guía de onda para medir y caracterizar los dispositivos fabricados en estas bandas de frecuencia. Por lo tanto, la primera parte está orientada hacia el diseño de transiciones de tecnología planar con la tecnología en guía de onda partiendo de un análisis teórico y con el objetivo de un ensamblado sencillo. Este método ha sido aplicado a guía de onda rectangular estándar y también a tecnologías novedosas tales como Gap waveguide. Concretamente, en este trabajo se presentan cuatro transiciones en línea cuyo diseño provee ventajas desde el punto de vista computacional, por el ahorro de recursos y tiempo, además de la sencillez desde el punto de vista de fabricación y ensamblado. La segunda parte trata el diseño, análisis y fabricación de dispositivos integrados compactos basados en diodos Schottky. Específicamente, dos mezcladores de frecuencia con ocilador local basado en MMIC y un transmisor optoelectrónico. Uno de los prototipos es un mezclador cuarto armónico y el otro es un mezclador subarmónico, que usa el mismo LO e integra un multiplicador de frecuencia en el mismo substrato. Por medio de esta integración se consigue dispositivos de ensamblado más sencillo y más compactos, cuyo comportamiento es cercano al estado del arte. Además, el transmisor optoelectrónico integra el mismo substrato un fotodiodo UTC y un triplicador de frecuencia basado en diodos Schottky. De esta manera, el rango de operación del fotodiodo UTC puede ser extendido a frecuencias más altas, manteniendo sus ventajas, tales como la posibilidad de integración con fibra óptica para enlaces de alta capacidad. Por último, se ha diseñado un mezclador sexto armónico basado en la tecnología membrana de arseniuro de galio. Esta tecnología permite la integración de los diodos Schottky en la membrana junto con la circuiterí a microstrip, de tal forma que los diodos no tienen que ser soldados. En este diseño, además, un triplicador de frecuencia se integra también en la misma membrana que el mezclador armónico. Por lo tanto, el comportamiento final del mezclador sexto armónico es similar al de un mezclador subarmónico. De esta forma es más fácil encontrar fuentes con bastante potencia dado que el oscilador trabaja a una frecuencia más baja. Asimismo, gracias a la integración, los problemas causados por desalineamiento durante el ensamblado de los componentes individuales se evitan.
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Exploring surface roughness in epsilon-near-zero materials
(IEEE, 2024-10-08) Navajas Hernández, David; Pérez Escudero, José Manuel; Liberal Olleta, Íñigo; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoa eta Telekomunikazio Ingeniaritza; Institute of Smart Cities - ISC
The practical application of materials with epsilon-near-zero (ENZ) characteristics heavily depends on the quality of real-world ENZ materials, considering factors like material losses and surface roughness. These materials have drawn interest due to their strong nonlinear responses and unique behavior. In this study, an experimental examination of how surface roughness affects ENZ substrates is presented. We employed silicon carbide (SiC) substrates deliberately engineered to exhibit different levels of roughness, enabling us to analyze samples spanning from a few to hundreds of nanometers in size scales. Substrates with nanoscale roughness experience adverse effects due to longitudinal phonon coupling and strong ENZ fields, while at larger roughness scales, the ENZ band demonstrates to be more robust compared to dielectric and surface phonon polariton (SPhP) bands.
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Silicon carbide as a material-based high-impedance surface for enhanced absorption within ultra-thin metallic films
(Optical Society of America, 2020) Pérez Escudero, José Manuel; Buldain, Iban; Beruete Díaz, Miguel; Goicoechea Fernández, Javier; Liberal Olleta, Íñigo; Institute of Smart Cities - ISC; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio Ingeniaritzaren
The absorption of infrared radiation within ultra-thin metallic films is technologically relevant for different thermal engineering applications and optoelectronic devices, as well as for fundamental research on sub-nanometer and atomically-thin materials. However, the maximal attainable absorption within an ultra-thin metallic film is intrinsically limited by both its geometry and material properties. Here, we demonstrate that material-based high-impedance surfaces enhance the absorptivity of the films, potentially leading to perfect absorption for optimal resistive layers, and a fourfold enhancement for films at deep nanometer scales. Moreover, material-based high-impedance surfaces do not suffer from spatial dispersion and the geometrical restrictions of their metamaterial counterparts. We provide a proof-of-concept experimental demonstration by using titanium nanofilms on top of a silicon carbide substrate.
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Response of complementary split ring resonators in composite stratified substrate integrated waveguide
(American Institute of Physics, 2017) Pérez Escudero, José Manuel; Jarauta Ayensa, Eduardo; Falcone Lanas, Francisco; Beruete Díaz, Miguel; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa; Institute of Smart Cities - ISC; Ingeniería Eléctrica y Electrónica
In this work, the behavior of a Complementary Split Ring Resonator (CSRR) operating within the quasi-static resonance regime and embedded in a composite stratified Substrate Integrated Waveguide (SIW) with two different dielectric layers is analyzed. In these conditions, the propagating modes within the SIW combined with the imposed non-symmetrical structure lead to the excitation of the CSRR elements inside the SIW at difference with conventional excitation. Several cases of CSRR loaded SIW are proposed, and their electromagnetic field components as well as their frequency response are analyzed, providing insight into the CSRR resonance excitation. A test prototype has been designed, fabricated, and measured, showing a good agreement with simulation results and providing a new alternative for the implementation of compact frequency selective devices compatible with planar technology and without undesired radiation loss.
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A Chebyshev transformer-based microstri-to-groove-gap-waveguide inline transition for MMIC packaging
(IEEE, 2019) Pérez Escudero, José Manuel; Torres García, Alicia E.; Gonzalo García, Ramón; Ederra Urzainqui, Íñigo; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio Ingeniaritzaren; Institute of Smart Cities - ISC; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación
The gap waveguide technology has become an alternative to millimeter- and submillimeter-wave electronic circuit packaging thanks to the loss reduction associated with its use. In this paper, a simplified design of an inline transition between a microstrip and a groove gap waveguide (GGW) operating at the W-band is presented. The transition consists of a tapered microstrip line and a Chebyshev adapter that couple the quasi-TEM mode of the microstrip line to the so-called vertical mode of the GGW. The simplicity of this design makes this transition appropriate for monolithic microwave integrated circuit (MMIC) packaging at millimeter frequencies and above. The simulation results have been experimentally validated in the W-band. A good performance has been achieved, resulting in a return loss better than 10 dB and a mean insertion loss lower than 2 dB.
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Suppressed-scattering spectral windows for radiative cooling applications
(Optica, 2023) Pérez Escudero, José Manuel; Torres García, Alicia E.; Lezaun Capdevila, Carlos; Caggiano, Antonio; Peralta, Ignacio; Dolado, Jorge S.; Beruete Díaz, Miguel; Liberal Olleta, Íñigo; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Institute of Smart Cities - ISC; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio Ingeniaritzaren
The scattering of light by resonant nanoparticles is a key process for enhancing the solar reflectance in daylight radiative cooling. Here, we investigate the impact of material dispersion on the scattering performance of popular nanoparticles for radiative cooling applications. We show that, due to material dispersion, nanoparticles with a qualitatively similar response at visible frequencies exhibit fundamentally different scattering properties at infrared frequencies. It is found that dispersive nanoparticles exhibit suppressed-scattering windows, allowing for selective thermal emission within a highly reflective sample. The existence of suppressed-scattering windows solely depends on material dispersion, and they appear pinned to the same wavelength even in random composite materials and periodic metasurfaces. Finally, we investigate calcium-silicate-hydrate (CSH), the main phase of concrete, as an example of a dispersive host, illustrating that the co-design of nanoparticles and host allows for tuning of the suppressed-scattering windows. Our results indicate that controlled nanoporosities would enable concrete with daylight passive radiative cooling capabilities.
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Modified Soret lenses for dual band integrated detectors at submillimetre and millimetre wavelengths
(IEEE, 2020) Torres García, Alicia E.; Pérez Escudero, José Manuel; Gonzalo García, Ramón; Ederra Urzainqui, Íñigo; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio Ingeniaritzaren; Institute of Smart Cities - ISC; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación
This paper presents a planar silicon integrated subharmonic mixer on top of a photonic-crystal platform. The local oscillator (LO) power is injected through a 2D photonic crystal (PC) slab to a resonant cavity that effectively couples the signal to a planar bow-tie antenna. The same antenna, which is printed on the top of the PC cavity, contains an antiparallel Schottky diode pair which performs the down-conversion. The proposed design is a simple, easy to integrate, low cost, low profile device. Moreover, the described fabrication process is compatible with active components integration. The performance of the design has been experimentally demonstrated showing good agreement with the simulation and is comparable with the state of-the-art of planar mixers. The work presented here is based on concepts and technologies from electronics and photonics domains and may be a good starting point for the creation of new devices, allowing the integration and upgrading of existing techniques from both worlds.
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Remote sensing for plant water content monitoring: a review
(MDPI, 2021) Quemada Mayoral, Carlos; Pérez Escudero, José Manuel; Gonzalo García, Ramón; Ederra Urzainqui, Íñigo; Santesteban García, Gonzaga; Torres Molina, Nazareth; Iriarte Galarregui, Juan Carlos; Institute of Smart Cities - ISC; Institute for Multidisciplinary Research in Applied Biology - IMAB
Las redes sociales se han convertido en una de las principales fuentes de información, especialmente entre los más jóvenes. Al mismo tiempo, se ha incrementado la producción y circulación de información falsa o fake news a través de las redes. En este contexto, resulta crucial que los jóvenes adquieran estrategias y competencias para realizar una lectura crítica de la información que consumen. Este estudio busca analizar el comportamiento del alumnado de secundaria ante la información falsa y el efecto de una intervención didáctica, realizada online durante la pandemia de la covid-19, cuyo objetivo era que el alumnado desarrollara competencias para detectar noticias falsas. Se trata de una investigación participativa con un diseño de pre-test y post-test. Los resultados muestran que el alumnado incrementó su competencia para identificar algunos tipos de falsedad como la información no probada y la información tergiversada, si bien tuvo problemas para reconocer información descontextualizada o el uso de lenguaje discriminatorio. Las estrategias que más utilizó son la comprobación de datos en internet y el uso de verificadores. Se observaron comportamientos diferenciados entre el alumnado que identificó la información falsa y el que no lo hizo. Las conclusiones apuntan a la necesidad de trabajar en el aula de forma integral, extensiva y transversal la evaluación de la información partiendo de las habilidades que el alumnado ya posee.
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A millimeter-wave 4th-harmonic Schottky diode mixer with integrated local oscillator
(MDPI, 2021) Pérez Escudero, José Manuel; Quemada Mayoral, Carlos; Gonzalo García, Ramón; Ederra Urzainqui, Íñigo; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio Ingeniaritzaren; Institute of Smart Cities - ISC; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación
In this paper the design and experimental validation of a fourth-harmonic mixer based on Schottky diodes working around 300 GHz is presented. The main novelty of this work consists in the integration of an MMIC-based local oscillator, working around 75 GHz, and a mixer in the same metallic block housing. A prototype has been characterized using the Y-Factor method and yields a best measured conversion loss and an equivalent noise temperature of 14 dB and 9600 K, respectively. This performance is comparable to the state-of-the-art for this type of mixer.
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A simplified design inline microstrip-to-waveguide transition
(MDPI, 2018) Ederra Urzainqui, Íñigo; Gonzalo García, Ramón; Pérez Escudero, José Manuel; Torres García, Alicia E.; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio Ingeniaritzaren; Institute of Smart Cities - ISC; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación
A simplified design of an inline transition between microstrip and rectangular waveguide is presented in this paper. The transition makes use of a dielectric filled rectangular waveguide (DFRW) as an intermediate step, which simplifies manufacturing and allows for an analytical design. The behavior of the transition has been experimentally validated in the W-band by means of a back-to-back configuration. Good performance has been achieved: a return loss greaterthan 10 dB and mean insertion loss lower than 1 dB.