Novel integral equation methods applied to the analysis of new guiding and radiating structures and optically-inspired phenomena at microwaves

Abstract

[SPA] En esta tesis doctoral se presenta un trabajo multidisciplinar, en el que se han desarrollado una serie de formulaciones matemáticas aplicadas al análisis eficiente y riguroso de diversas estructuras, dispositivos y fenómenos físicos en el rango frecuencial de las microondas. Los objetivos que se enmarcan dentro de esta tesis se pueden dividir en tres líneas de investigación diferentes: 1. La primera línea de investigación trata sobre el cálculo de la función de Green de estructuras cerradas multicapa que presenten una sección transversa con geometría convexa arbitraria. Para ello, se han desarrollado tres novedosas técnicas, que han sido formuladas en el dominio espacial. Posteriormente, las funciones de Green obtenidas han sido incluidas dentro de la técnica de la ecuación integral de los potenciales mixtos, para un análisis muy rápido y preciso de circuitos multicapa que se encuentren en una cavidad cerrada. Además, el estudio de circuitos encapsulados multicapa ha permitido el desarrollo de la novedosa tecnología híbrida guia onda-microtira, que presenta importantes ventajas como son su reducido peso, estructura compacta y bajas pérdidas, lo que la hacen una candidata ideal para la industria espacial. 2. La segunda línea de investigación está relacionada con el estudio del comportamiento de líneas de transmisión diestras-zurdas cuando son excitadas por pulsos temporales y la posterior demostración teórica y práctica de una serie de fenómenos físicos y aplicaciones, que son comunes en el campo de la óptica, y que han sido trasladados al dominio frecuencial de las microondas. Este estudio ha permitido el desarrollo de nuevos dispositivos para aplicaciones de banda ancha ó sistemas de comunicación que requieran de una alta transferencia de datos. Además, esta línea de investigación presenta novedosos métodos para la caracterización y posterior análisis de antenas de onda de fuga diestra-zurda, usando la teoría de líneas de transmisión. 3. La tercera y última línea de investigación presenta una novedosa antena de fuga, que está basada en líneas de transmisión diestras-zurdas implementadas mediante una estructura de placas paralelas. Además, se presenta un nuevo método modal iterativo que permite un análisis rápido, preciso y eficiente de este tipo de estructuras, incluyendo la obtención sistemática de las dimensiones físicas de la antena que se requieren para conseguir un determinado comportamiento. Finalmente, destacar que tanto las formulaciones y desarrollos teóricos propuestos como las nuevas estructuras presentadas en esta tesis han sido validadas de forma numérica, empleando software propio y paquetes comerciales de onda completa, y de forma experimental, usando medidas reales obtenidas de los distintos prototipos fabricados.

[ENG] This PhD. dissertation presents a multidisciplinary work, which involves the development of different novel formulations applied to the accurate and efficient analysis of a wide variety of new structures, devices, and phenomena at themicrowave frequency region. The objectives of the present work can be divided into three main research lines: 1. The first research line is devoted to the Green’s function analysis of multilayered enclosures with convex arbitrarily-shaped cross section. For this purpose, three accurate spatial-domain formulations are developed at the Green’s functions level. These techniques are then efficiently incorporated into a mixed-potential integral equation framework, which allows the fast and accurate analysis of multilayered printed circuits in shielded enclosures. The study of multilayered shielded circuits has lead to the development of the novel hybridwaveguide-microstrip filter technology, which is light, compact, low-loss and presents important advantages for the space industry. 2. The second research line is related to the impulse-regime study ofmetamaterial-based composite right/left-handed (CRLH) structures and the subsequent theoretical and practical demonstration of several novel optically-inspired phenomena and applications at microwaves, in both, the guided and the radiative region. This study allows the development of new devices for ultra wide band and high data-rate communications systems. Besides, this research line also deals with the simple and accurate characterization of CRLH leaky-wave antennas using transmission line theory. 3. The third and last research line presents a novel CRLH parallel-plate waveguide leaky-wave antenna structure, and a rigorous iterative modal-based technique for its fast and complete characterization, including a systematic calculation of the antenna physical dimensions. It is important to point out that all the theoretical developments and novel structures presented in thiswork have been numerically confirmed, by the use of both, home-made software and commercial full-wave simulations, and experimentally verified, by the use of measurements from fabricated prototypes.