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Least upper bounds of the powers extracted and scattered by bi-anisotropic particles
(IEEE, 2014) Liberal Olleta, Íñigo; Ra'di, Younes; Gonzalo García, Ramón; Ederra Urzainqui, Íñigo; Tretyakov, Sergei A.; Ziolkowski, Richard W.; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
The least upper bounds of the powers extracted and scattered by bi-anisotropic particles are investigated analytically. A rigorous derivation for particles having invertible polarizability tensors is presented, and the particles with singular polarizability tensors that have been reported in the literature are treated explicitly. The analysis concludes that previous upper bounds presented for isotropic particles can be extrapolated to bianisotropic particles. In particular, it is shown that neither nonreciprocal nor magnetoelectric coupling phenomena can further increase those upper bounds on the extracted and scattered powers. The outcomes are illustrated further with approximate circuit model examples of two dipole antennas connected via a generic lossless network.
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Fe-rich ferromagnetic wires for self-sensing materials
(IEEE, 2012) Liberal Olleta, Íñigo; Ederra Urzainqui, Íñigo; Gonzalo García, Ramón; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
The possibility of using Fe-rich wires in mechanical stress self-sensing materials is investigated. To this end, a retrieval technique aimed to characterize the high-frequency magnetoimpedance effect in ferromagnetic wires under mechanical stresses is proposed. The technique is based on the measurement of the wires inside a metallic rectangular waveguide, and it is validated through numerical simulations and tested with already published experimental data. In addition, the studied Fe-rich wires are characterized by the occurrence of the natural ferromagnetic resonance, whose frequency position increases from 7 GHz to 8.25 GHz for elongations ranging from 0 μm to 60 μm.
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A water content continuous monitoring of grapevine xylem tissue using a portable low-power cost-effective FMCW radar
(IEEE, 2019) Quemada Mayoral, Carlos; García González, Cebrián; Iriarte Galarregui, Juan Carlos; Marín Ederra, Diana; Gastón Beraza, Diego; Miranda Jiménez, Carlos; Gonzalo García, Ramón; Maestrojuán Biurrun, Itziar; Santesteban García, Gonzaga; Ederra Urzainqui, Íñigo; Agronomia, Bioteknologia eta Elikadura; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio Ingeniaritzaren; Institute of Smart Cities - ISC; Agronomía, Biotecnología y Alimentación; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Gobierno de Navarra / Nafarroako Gobernua, PI025 VITHZ; Gobierno de Navarra / Nafarroako Gobernua, 0011-1365-2016-000084 RAFF
This paper presents the real-time monitoring of a grapevine’s water content that flows up through the xylem tissue by means of a frequency-modulated continuous-wave (FMCW) radar. The application of an optimization process, based on the super-resolution multiple signal classification (MUSIC) algorithm, has enabled the reduction of the bandwidth required to discern the xylem water content, and thus the operating frequency, achieving a depth resolution of at least 3 mm. This design advantage has resulted in a significant step forward towards a real life application, allowing the use of fully-integrated off-the-shelf components in order to implement a completely portable low-power cost-effective radar at 23.1 GHz with a 3.4 GHz bandwidth. The sensor performance has been evaluated by means of three different experiments: irrigation cycles, day/night cycles and comparison between irrigation cycles at different temperatures. From the experimental results, it is possible to assert that the contactless sensor presented in this work is very sensitive to changes in the plant’s water content, differentiating between daytime and nighttime. In addition, it has been proved that temperature has a noticeable influence over the evapotranspiration, observing negative drying slopes of 5.62 mV/cycle and 6.28 mV/cycle at 23ºC and 26ºC respectively.
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A multipolar analysis of near-field absorption and scattering processes
(IEEE, 2013) Liberal Olleta, Íñigo; Ederra Urzainqui, Íñigo; Gonzalo García, Ramón; Ziolkowski, Richard W.; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
A multipolar formulation is adopted to investigate the absorption and scattering processes involved in near-field interactions. This approach allows one to determine the upper bounds for the absorbed and radiated powers that would be achieved by an ideal lossless sensor, which are of particular interest, for example, to wireless power transfer (WPT), wireless sensors and near-field coupled radiators. The multipolar formulation also helps to extricate the fundamental compromises that must be addressed in the design of such systems, as well as to identify strategies that could approach their best possible performances. The general theory is illustrated with an example consisting of a coated sensor illuminated by a Hertzian dipole, which is a representative example of any scattering or radiating system based on small resonators. The example also serves to compare the performance characteristics obtained with different phenomena such as multipolar resonances, phaseinduced interference effects and cloaking.
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Decoupling of multifrequency dipole antenna arrays for microwave imaging applications
(Hindawi Publishing Corporation, 2010) Sáenz Sáinz, Elena; Guven, K.; Ozbay, Ekmel; Ederra Urzainqui, Íñigo; Gonzalo García, Ramón; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
The mutual coupling between elements of a multifrequency dipole antenna array is experimentally investigated by S-parameter measurements and planar near-field scanning of the radiated field. A multifrequency array with six dipoles is analyzed. In order to reduce the coupling between dipoles, a planarmetasurface is placed atop the array acting as superstrate. Themutual coupling of the antenna elements in the absence and presence of the superstrate is presented comparatively. Between 3 and 20 dB mutual coupling reduction is achieved when the superstrate is used. By scanning the field radiated by the antennas and far-field measurements of the radiation pattern, it is observed that the superstrate confines the radiated power, increases the boresight radiation, and reduces the endfire radiation.
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Superbackscattering antenna arrays
(IEEE, 2015) Liberal Olleta, Íñigo; Ederra Urzainqui, Íñigo; Gonzalo García, Ramón; Ziolkowski, Richard W.; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa
This article discusses the theory, design and practical implementation of superbackscattering antenna arrays. In analogy with Uzkov’s maximal directivity theorem, it is demonstrated that the maximal backscattering cross-section, normalized to the wavelength squared, of a linear array of N isotropic scatterers whose separation tends to zero is N2(N + 1)2=(4pi). This analytical result is validated via numerical optimization of the excitation coefficients, and the same procedure is utilized to assess the maximal backscattering of arrays of electric Hertzian dipoles (EHDs). It is found that electrically small arrays of two and three EHDs can enhance the backscattering by factors of 6.22 and 22.01, respectively, with respect to the maximum value generated by a single element. In addition, physical realizations of arrays featuring comparable enhancement factors can be straightforwardly designed by using a simple procedure inspired by Yagi-Uda antenna concepts. The practical implementations of such arrays based on copper wires and printed circuit technologies is also addressed.
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A metamaterial T-junction power divider
(IEEE, 2007) Sáenz Sáinz, Elena; Cantora Álvarez, Alejandro; Ederra Urzainqui, Íñigo; Gonzalo García, Ramón; Maagt, Peter de; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
A metamaterial based compact microstrip T-junction power divider working at 10 GHz is proposed. The metamaterial unit cell consists of microstrip gaps and via holes whose behavior is equivalent to the combination of series capacitors and shunt inductors respectively, that is, a dual TL (high-pass) configuration. By adjusting the parameters of these structures, the characteristics of the Metamaterial-medium can be set to achieve a desired phase shift. To validate the design, a T-junction power divider is fabricated and measured. A 70% reduction of the length of the impedance transformer, without significant performance degradation, has been achieved.
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Dispersion properties of an elliptical patch with cross shaped aperture for synchronized propagation of transverse magnetic and electric surface waves
(MDPI, 2018) Tellechea Pereda, Amagoia; Ederra Urzainqui, Íñigo; Gonzalo García, Ramón; Iriarte Galarregui, Juan Carlos; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa; Institute of Smart Cities - ISC; Ingeniería Eléctrica y Electrónica
This paper presents a novel pixel geometry for the implementation of metasurfaces requiring synchronized phase propagation of transverse magnetic (TM) and transverse electric (TE) modes. The pixel is composed by an elliptical metallic patch with an asymmetric cross-shaped aperture in the center, printed on a grounded slab. A practical implementation of a metasurface was carried out employing such a pixel geometry. Simulation results show similar frequency dispersion properties for both modes within the working frequency band, in agreement with the theoretical basis.
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Electromagnetic band gap technology for millimetre wave applications
(2004) Ederra Urzainqui, Íñigo; Gonzalo García, Ramón; Maagt, Peter de; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
En esta tesis se ha estudiado el uso de estructuras Electromagnetic Bandgap (EBG) para frecuencias en la banda de las millimétricas. Estas frecuencias son muy apropiadas para aplicaciones de generación de imágenes (“imaging”) debido a las diferentes propiedades de los materiales con respecto a las que presentan a frecuencias ópticas. El uso de antenas planas para estas aplicaciones, el cual sería la opción preferida en cuanto a coste y complejidad de fabricación puede verse limitado debido a las pérdidas causadas por la excitación de ondas de sustrato. Estos problemas se pueden superar mediante el uso de la tecnología EBG, dado que dichos modos son inhibidos en estas estructuras periódicas. A pesar de que algunas demostraciones preliminares del uso de la tecnología EBG para aplicaciones de antenas ya han tenido lugar, ´estas pueden considerarse como meras pruebas de concepto. El propósito de esta tesis ha sido tratar de superar este estado inicial y utilizar configuraciones basadas en esta tecnología para el diseño de receptores. En particular, se han estudiado varios aspectos relacionados con el diseño de receptores a frecuencias de milimétricas implementando tecnología EBG. Primeramente se han estudiado las características principales de los sustratos basados en tecnología EBG. Para ello, se han considerado dos estructuras EBG, el “woodpile” y la estructura de Fan. Con respecto a los materiales dieléctricos utilizados para su construcción, se han utilizado silicio y Titanato de Zr/Sn, ZTT. El uso de un material de elevada constante dieléctrica es de gran interés, ya que permite la reducción del tamaño del EBG y el aumento de su ancho de banda. Se han estudiado tanto la impedancia de entrada como el diagrama de radiación de las configuraciones para las diferentes posiciones de un dipolo sobre el substrato EBG. Se ha encontrado que ambas características dependen fuertemente de la posición y de la orientación del dipolo con respecto de las zonas dieléctricas y de aire en la superficie de la estructura EBG. Así mismo, nuestros estudios han mostrado que el uso de materiales de alta constante dieléctrica no conlleva una disminución del tamaño de los elementos radiantes. Basándonos en estos resultados, varias configuraciones han sido estudiadas con más detalle, siendo alimentadas por una línea Coplanar Stripline (CPS). Solamente aquellas configuraciones que presentan alta impedancia de entrada pueden ser adaptadas apropiadamente, dado que la línea CPS presenta alta impedancia característica. Así mismo, el efecto de la las pérdidas de los materiales ha sido estudiado para estas configuraciones, resultando ser despreciables. Los resultados anteriores mostraron que es difícil encontrar una configuración de dipolo sobre “woodpile” que presente simultáneamente buenas características de radiación y adaptación. Por tanto, se ha propuesto una modificación de esta estructura EBG que mejora notablemente tanto el diagrama de radiación como la adaptación de la configuración inicial. Esta modificación es fácil de implementar, dado que se basa en el desplazamiento de las barras de la capa superior del woodpile. Finalmente se han diseñado dos configuraciones de receptor implementando tecnología EBG: un detector directo y un mezclador subharmónico. En ambos casos el elemento radiante consiste en un dipolo colocado sobre un “woodpile” de silicio. En el caso del detector directo, el diseño trató de conseguir la máxima sensibilidad, manteniendo al mismo tiempo un diagrama de radiación no distorsionado. Se han fabricado diversos prototipos de estas configuraciones cuyas medidas están de acuerdo con las predicciones. Con respecto al mezclador subharmónico, se diseñó para minimizar su temperatura de ruido. En este caso la mínima temperatura de ruido medida fueron 950K, a pesar de que se detectaron ciertos problemas debido a la presencia de mezclado harm´onico.
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Manufacture and characteristics of wide bandwith, 3-D, EBG crystals for sub-millimetre antenna substrates
(2004) Azcona, L.; Alderman, B.; Huggard, P.G.; Gonzalo García, Ramón; Martínez Pascual, Beatriz; Ederra Urzainqui, Íñigo; Río Bocio, Carlos del; Hon, B.P. de; Beurden, M.C. van; Marchand, L.; Maagt, Peter de; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa