Synthesis of high-performance smooth-profiled tapers and filters in microstrip and rectangular waveguide technologies

En esta tesis, los fundamentos teóricos y la formulación de la Teoría de Acoplo de Modos para el análisis y el modelado electromagnético de guías de onda no uniformes son utilizadas para desarrollar diferentes técnicas de síntesis de dispositivos de microondas y de milimétricas que son automáticas e independientes de la tecnología concreta de implementación. En primer lugar, la técnica para sintetizar estructuras EBG óptimas es descrita y revisada en profundidad. Posteriormente, las técnicas generales y exactas de Inverse Scattering de Gel’fand, Levitan, Marchenko (GLM), Continuous Layer Peeling (CLP) e Integral Layer Peeling (ILP) son presentadas en detalle. Estas técnicas de Inverse Scattering, permiten calcular el coeficiente de acoplo para cualquier respuesta monomodo en reflexión objetivo que cumpla con los principios físicos de estabilidad, causalidad y pasividad. Inspirados en estos métodos de síntesis, se proponen novedosas técnicas de diseño de diferentes componentes de microondas como tapers y multiplexores. Además, se propone un método de diseño de filtros paso bajo y paso banda de perfil suave que no presentan bandas de rechazo espurias. La aplicación de esta técnica para el diseño de filtros de alto rechazo en guía de onda rectangular da lugar a estructuras que resultan sumamente apropiadas para ser fabricadas con las novedosas técnicas de fabricación aditiva (AM) en metales. Las diferentes técnicas de diseño propuestas son validadas mediante la realización de varios ejemplos de prácticos de diseño en el rango de microondas en los que se logra alto grado de concordancia entre las respuestas objetivo, simuladas y medidas.

In this thesis, the theoretical foundations and the formulation of the Coupled-Mode Theory for the electromagnetic analysis and modeling of non-uniform waveguides are employed to develop different techniques for the synthesis of microwave and millimeter wave devices that are completely automatic and independent from the physical technology of implementation. Firstly, the technique for synthesizing optimal electromagnetic bandgap (EBG) structures is described and thoroughly reviewed. Subsequently, the general and exact one-dimensional Inverse Scattering techniques of Gel’fand, Levitan, Marchenko (GLM), Continuous Layer Peeling (CLP) and Integral Layer Peeling (ILP) are presented in detail. These Inverse Scattering techniques allow the calculation of the coupling coefficient for any single-mode targeted response in reflection that fulfills the physical principles of stability, causality and passivity. Novel design techniques inspired in the use of these synthesis methods are proposed for different microwave components such as multiplexers and tapers. In addition, a design method for low-pass and band-pass filters without spurious rejection bands is proposed. The application of this technique for the design of filters with high rejection levels in rectangular waveguide technology leads to structures that are very suitable to be fabricated with the novel additive manufacturing (AM) techniques in metal. The proposed design techniques are validated through the realization of practical design examples in the microwave range, where a high degree of agreement is achieved between the targeted, simulated and measured responses.