User-centric need-driven affect modeling for spoken conversational agents: design and evaluation

It is easy to get frustrated at spoken conversational agents (SCAs), perhaps because they seem to be callous. By and large, the quality of human-computer interaction is affected due to the inability of the SCAs to recognise and adapt to user emotional state. Now with the mass appeal of artificially-mediated communication, there has been an increasing need for SCAs to be socially and emotionally intelligent, that is, to infer and adapt to their human interlocutors’ emotions on the fly, in order to ascertain an affective, empathetic and naturalistic interaction. An enhanced quality of interaction would reduce users’ frustrations and consequently increase their satisfactions. These reasons have motivated the development of SCAs towards including socio-emotional elements, turning them into affective and socially-sensitive interfaces. One barrier to the creation of such interfaces has been the lack of methods for modelling emotions in a task-independent environment. Most emotion models for spoken dialog systems are task-dependent and thus cannot be used “as-is” in different applications. This Thesis focuses on improving this, in which it concerns computational modeling of emotion, personality and their interrelationship for task-independent autonomous SCAs. The generation of emotion is driven by needs, inspired by human’s motivational systems. The work in this Thesis is organised in three stages, each one with its own contribution. The first stage involved defining, integrating and quantifying the psychological-based motivational and emotional models sourced from. Later these were transformed into a computational model by implementing them into software entities. The computational model was then incorporated and put to test with an existing SCA host, a HiFi-control agent. The second stage concerned automatic prediction of affect, which has been the main challenge towards the greater aim of infusing social intelligence into the HiFi agent. In recent years, studies on affect detection from voice have moved on to using realistic, non-acted data, which is subtler. However, it is more challenging to perceive subtler emotions and this is demonstrated in tasks such as labelling and machine prediction. In this stage, we attempted to address part of this challenge by considering the roles of user satisfaction ratings and conversational/dialog features as the respective target and predictors in discriminating contentment and frustration, two types of emotions that are known to be prevalent within spoken human-computer interaction. The final stage concerned the evaluation of the emotional model through the HiFi agent. A series of user studies with 70 subjects were conducted in a real-time environment, each in a different phase and with its own conditions. All the studies involved the comparisons between the baseline non-modified and the modified agent. The findings have gone some way towards enhancing our understanding of the utility of emotion in spoken dialog systems in several ways; first, an SCA should not express its emotions blindly, albeit positive. Rather, it should adapt its emotions to user states. Second, low performance in an SCA may be compensated by the exploitation of emotion. Third, the expression of emotion through the exploitation of prosody could better improve users’ perceptions of an SCA compared to exploiting emotions through just lexical contents. Taken together, these findings not only support the success of the emotional model, but also provide substantial evidences with respect to the benefits of adding emotion in an SCA, especially in mitigating users’ frustrations and ultimately improving their satisfactions. Resumen Es relativamente fácil experimentar cierta frustración al interaccionar con agentes conversacionales (Spoken Conversational Agents, SCA), a menudo porque parecen ser un poco insensibles. En general, la calidad de la interacción persona-agente se ve en cierto modo afectada por la incapacidad de los SCAs para identificar y adaptarse al estado emocional de sus usuarios. Actualmente, y debido al creciente atractivo e interés de dichos agentes, surge la necesidad de hacer de los SCAs unos seres cada vez más sociales y emocionalmente inteligentes, es decir, con capacidad para inferir y adaptarse a las emociones de sus interlocutores humanos sobre la marcha, de modo que la interacción resulte más afectiva, empática y, en definitiva, natural. Una interacción mejorada en este sentido permitiría reducir la posible frustración de los usuarios y, en consecuencia, mejorar el nivel de satisfacción alcanzado por los mismos. Estos argumentos justifican y motivan el desarrollo de nuevos SCAs con capacidades socio-emocionales, dotados de interfaces afectivas y socialmente sensibles. Una de las barreras para la creación de tales interfaces ha sido la falta de métodos de modelado de emociones en entornos independientes de tarea. La mayoría de los modelos emocionales empleados por los sistemas de diálogo hablado actuales son dependientes de tarea y, por tanto, no pueden utilizarse "tal cual" en diferentes dominios o aplicaciones. Esta tesis se centra precisamente en la mejora de este aspecto, la definición de modelos computacionales de las emociones, la personalidad y su interrelación para SCAs autónomos e independientes de tarea. Inspirada en los sistemas motivacionales humanos en el ámbito de la psicología, la tesis propone un modelo de generación/producción de la emoción basado en necesidades. El trabajo realizado en la presente tesis está organizado en tres etapas diferenciadas, cada una con su propia contribución. La primera etapa incluyó la definición, integración y cuantificación de los modelos motivacionales de partida y de los modelos emocionales derivados a partir de éstos. Posteriormente, dichos modelos emocionales fueron plasmados en un modelo computacional mediante su implementación software. Este modelo computacional fue incorporado y probado en un SCA anfitrión ya existente, un agente con capacidad para controlar un equipo HiFi, de alta fidelidad. La segunda etapa se orientó hacia el reconocimiento automático de la emoción, aspecto que ha constituido el principal desafío en relación al objetivo mayor de infundir inteligencia social en el agente HiFi. En los últimos años, los estudios sobre reconocimiento de emociones a partir de la voz han pasado de emplear datos actuados a usar datos reales en los que la presencia u observación de emociones se produce de una manera mucho más sutil. El reconocimiento de emociones bajo estas condiciones resulta mucho más complicado y esta dificultad se pone de manifiesto en tareas tales como el etiquetado y el aprendizaje automático. En esta etapa, se abordó el problema del reconocimiento de las emociones del usuario a partir de características o métricas derivadas del propio diálogo usuario-agente. Gracias a dichas métricas, empleadas como predictores o indicadores del grado o nivel de satisfacción alcanzado por el usuario, fue posible discriminar entre satisfacción y frustración, las dos emociones prevalentes durante la interacción usuario-agente. La etapa final corresponde fundamentalmente a la evaluación del modelo emocional por medio del agente Hifi. Con ese propósito se llevó a cabo una serie de estudios con usuarios reales, 70 sujetos, interaccionando con diferentes versiones del agente Hifi en tiempo real, cada uno en una fase diferente y con sus propias características o capacidades emocionales. En particular, todos los estudios realizados han profundizado en la comparación entre una versión de referencia del agente no dotada de ningún comportamiento o característica emocional, y una versión del agente modificada convenientemente con el modelo emocional propuesto. Los resultados obtenidos nos han permitido comprender y valorar mejor la utilidad de las emociones en los sistemas de diálogo hablado. Dicha utilidad depende de varios aspectos. En primer lugar, un SCA no debe expresar sus emociones a ciegas o arbitrariamente, incluso aunque éstas sean positivas. Más bien, debe adaptar sus emociones a los diferentes estados de los usuarios. En segundo lugar, un funcionamiento relativamente pobre por parte de un SCA podría compensarse, en cierto modo, dotando al SCA de comportamiento y capacidades emocionales. En tercer lugar, aprovechar la prosodia como vehículo para expresar las emociones, de manera complementaria al empleo de mensajes con un contenido emocional específico tanto desde el punto de vista léxico como semántico, ayuda a mejorar la percepción por parte de los usuarios de un SCA. Tomados en conjunto, los resultados alcanzados no sólo confirman el éxito del modelo emocional, sino xv que constituyen además una evidencia decisiva con respecto a los beneficios de incorporar emociones en un SCA, especialmente en cuanto a reducir el nivel de frustración de los usuarios y, en última instancia, mejorar su satisfacción.

Analysis and design of multirate synchronous sampling schemes for sparse multiband signals

We consider the problem of developing efficient sampling schemes for multiband sparse signals. Previous results on multicoset sampling implementations that lead to universal sampling patterns (which guarantee perfect reconstruction), are based on a set of appropriate interleaved analog to digital converters, all of them operating at the same sampling frequency. In this paper we propose an alternative multirate synchronous implementation of multicoset codes, that is, all the analog to digital converters in the sampling scheme operate at different sampling frequencies, without need of introducing any delay. The interleaving is achieved through the usage of different rates, whose sum is significantly lower than the Nyquist rate of the multiband signal. To obtain universal patterns the sampling matrix is formulated and analyzed. Appropriate choices of the parameters, that is the block length and the sampling rates, are also proposed.

Analysis and optimized design of a distributed multi-stage EMC filter for an interleaved three-phase PWM-rectifier system for aircraft applications

Different possible input filter configurations for a modular three-phase PWM rectifier system consisting of three interleaved converter cells are studied. The system is designed for an aircraft application where MIL-STD-461E conducted EMI standards have to be met and system weight is a critical design issue. The importance of a LISN model on the simulated noise levels and the effect of interleaving and power unbalance between the different converter modules is discussed. The effect of the number of filter stages and the degree of distribution of the filter stages among the individual converter modules on the weight and losses of the input filter is studied and optimal filter structures are proposed.

Design and evaluation of an educational platform for implementing and testing bilateral control algorithms

This paper describes the design and evaluation of a new platform created in order to improve the learning experience of bilateral control algorithms in teleoperation. This experimental platform, developed at Universidad Politécnica de Madrid, is used by the students of the Master on Automation and Robotics in the practices of the subject called “Telerobotics and Teleoperation”. The main objective is to easily implement different control architectures in the developed platform and evaluate them under different conditions to better understand the main advantages and drawbacks of each control scheme. So, the student’s tasks are focused on adjusting the control parameters of the predefined controllers and designing new ones to analyze the changes in the behavior of the whole system. A description of the subject, main topics and the platform constructed are detailed in the paper. Furthermore, the methodology followed in the practices and the bilateral control algorithms are presented. Finally, the results obtained in the experiments with students are also shown.

I feel you: the design and evaluation of a domotic affect-sensitive spoken conversational agent

We describe the work on infusion of emotion into a limited-task autonomous spoken conversational agent situated in the domestic environment, using a need-inspired task-independent emotion model (NEMO). In order to demonstrate the generation of affect through the use of the model, we describe the work of integrating it with a natural-language mixed-initiative HiFi-control spoken conversational agent (SCA). NEMO and the host system communicate externally, removing the need for the Dialog Manager to be modified, as is done in most existing dialog systems, in order to be adaptive. The first part of the paper concerns the integration between NEMO and the host agent. The second part summarizes the work on automatic affect prediction, namely, frustration and contentment, from dialog features, a non-conventional source, in the attempt of moving towards a more user-centric approach. The final part reports the evaluation results obtained from a user study, in which both versions of the agent (non-adaptive and emotionally-adaptive) were compared. The results provide substantial evidences with respect to the benefits of adding emotion in a spoken conversational agent, especially in mitigating users' frustrations and, ultimately, improving their satisfaction.

User Experience in Human-Technology Interaction. Communication, context and evaluation methodology

En esta Tesis se presentan dos líneas de investigación relacionadas y que contribuyen a las áreas de Interacción Hombre-Tecnología (o Máquina; siglas en inglés: HTI o HMI), lingüística computacional y evaluación de la experiencia del usuario. Las dos líneas en cuestión son el diseño y la evaluación centrada en el usuario de sistemas de Interacción Hombre-Máquina avanzados. En la primera parte de la Tesis (Capítulos 2 a 4) se abordan cuestiones fundamentales del diseño de sistemas HMI avanzados. El Capítulo 2 presenta una panorámica del estado del arte de la investigación en el ámbito de los sistemas conversacionales multimodales, con la que se enmarca el trabajo de investigación presentado en el resto de la Tesis. Los Capítulos 3 y 4 se centran en dos grandes aspectos del diseño de sistemas HMI: un gestor del diálogo generalizado para tratar la Interacción Hombre-Máquina multimodal y sensible al contexto, y el uso de agentes animados personificados (ECAs) para mejorar la robustez del diálogo, respectivamente. El Capítulo 3, sobre gestión del diálogo, aborda el tratamiento de la heterogeneidad de la información proveniente de las modalidades comunicativas y de los sensores externos. En este capítulo se propone, en un nivel de abstracción alto, una arquitectura para la gestión del diálogo con influjos heterogéneos de información, apoyándose en el uso de State Chart XML. En el Capítulo 4 se presenta una contribución a la representación interna de intenciones comunicativas, y su traducción a secuencias de gestos a ejecutar por parte de un ECA, diseñados específicamente para mejorar la robustez en situaciones de diálogo críticas que pueden surgir, por ejemplo, cuando se producen errores de entendimiento en la comunicación entre el usuario humano y la máquina. Se propone, en estas páginas, una extensión del Functional Mark-up Language definido en el marco conceptual SAIBA. Esta extensión permite representar actos comunicativos que realizan intenciones del emisor (la máquina) que no se pretende sean captadas conscientemente por el receptor (el usuario humano), pero con las que se pretende influirle a éste e influir el curso del diálogo. Esto se consigue mediante un objeto llamado Base de Intenciones Comunicativas (en inglés, Communication Intention Base, o CIB). La representación en el CIB de intenciones “no claradas” además de las explícitas permite la construcción de actos comunicativos que realizan simultáneamente varias intenciones comunicativas. En el Capítulo 4 también se describe un sistema experimental para el control remoto (simulado) de un asistente domótico, con autenticación de locutor para dar acceso, y con un ECA en el interfaz de cada una de estas tareas. Se incluye una descripción de las secuencias de comportamiento verbal y no verbal de los ECAs, que fueron diseñados específicamente para determinadas situaciones con objeto de mejorar la robustez del diálogo. Los Capítulos 5 a 7 conforman la parte de la Tesis dedicada a la evaluación. El Capítulo 5 repasa antecedentes relevantes en la literatura de tecnologías de la información en general, y de sistemas de interacción hablada en particular. Los principales antecedentes en el ámbito de la evaluación de la interacción sobre los cuales se ha desarrollado el trabajo presentado en esta Tesis son el Technology Acceptance Model (TAM), la herramienta Subjective Assessment of Speech System Interfaces (SASSI), y la Recomendación P.851 de la ITU-T. En el Capítulo 6 se describen un marco y una metodología de evaluación aplicados a la experiencia del usuario con sistemas HMI multimodales. Se desarrolló con este propósito un novedoso marco de evaluación subjetiva de la calidad de la experiencia del usuario y su relación con la aceptación por parte del mismo de la tecnología HMI (el nombre dado en inglés a este marco es Subjective Quality Evaluation Framework). En este marco se articula una estructura de clases de factores subjetivos relacionados con la satisfacción y aceptación por parte del usuario de la tecnología HMI propuesta. Esta estructura, tal y como se propone en la presente tesis, tiene dos dimensiones ortogonales. Primero se identifican tres grandes clases de parámetros relacionados con la aceptación por parte del usuario: “agradabilidad ” (likeability: aquellos que tienen que ver con la experiencia de uso, sin entrar en valoraciones de utilidad), rechazo (los cuales sólo pueden tener una valencia negativa) y percepción de utilidad. En segundo lugar, este conjunto clases se reproduce para distintos “niveles, o focos, percepción del usuario”. Éstos incluyen, como mínimo, un nivel de valoración global del sistema, niveles correspondientes a las tareas a realizar y objetivos a alcanzar, y un nivel de interfaz (en los casos propuestos en esta tesis, el interfaz es un sistema de diálogo con o sin un ECA). En el Capítulo 7 se presenta una evaluación empírica del sistema descrito en el Capítulo 4. El estudio se apoya en los mencionados antecedentes en la literatura, ampliados con parámetros para el estudio específico de los agentes animados (los ECAs), la auto-evaluación de las emociones de los usuarios, así como determinados factores de rechazo (concretamente, la preocupación por la privacidad y la seguridad). También se evalúa el marco de evaluación subjetiva de la calidad propuesto en el capítulo anterior. Los análisis de factores efectuados revelan una estructura de parámetros muy cercana conceptualmente a la división de clases en utilidad-agradabilidad-rechazo propuesta en dicho marco, resultado que da cierta validez empírica al marco. Análisis basados en regresiones lineales revelan estructuras de dependencias e interrelación entre los parámetros subjetivos y objetivos considerados. El efecto central de mediación, descrito en el Technology Acceptance Model, de la utilidad percibida sobre la relación de dependencia entre la intención de uso y la facilidad de uso percibida, se confirma en el estudio presentado en la presente Tesis. Además, se ha encontrado que esta estructura de relaciones se fortalece, en el estudio concreto presentado en estas páginas, si las variables consideradas se generalizan para cubrir más ampliamente las categorías de agradabilidad y utilidad contempladas en el marco de evaluación subjetiva de calidad. Se ha observado, asimismo, que los factores de rechazo aparecen como un componente propio en los análisis de factores, y además se distinguen por su comportamiento: moderan la relación entre la intención de uso (que es el principal indicador de la aceptación del usuario) y su predictor más fuerte, la utilidad percibida. Se presentan también resultados de menor importancia referentes a los efectos de los ECAs sobre los interfaces de los sistemas de diálogo y sobre los parámetros de percepción y las valoraciones de los usuarios que juegan un papel en conformar su aceptación de la tecnología. A pesar de que se observa un rendimiento de la interacción dialogada ligeramente mejor con ECAs, las opiniones subjetivas son muy similares entre los dos grupos experimentales (uno interactuando con un sistema de diálogo con ECA, y el otro sin ECA). Entre las pequeñas diferencias encontradas entre los dos grupos destacan las siguientes: en el grupo experimental sin ECA (es decir, con interfaz sólo de voz) se observó un efecto más directo de los problemas de diálogo (por ejemplo, errores de reconocimiento) sobre la percepción de robustez, mientras que el grupo con ECA tuvo una respuesta emocional más positiva cuando se producían problemas. Los ECAs parecen generar inicialmente expectativas más elevadas en cuanto a las capacidades del sistema, y los usuarios de este grupo se declaran más seguros de sí mismos en su interacción. Por último, se observan algunos indicios de efectos sociales de los ECAs: la “amigabilidad ” percibida los ECAs estaba correlada con un incremento la preocupación por la seguridad. Asimismo, los usuarios del sistema con ECAs tendían más a culparse a sí mismos, en lugar de culpar al sistema, de los problemas de diálogo que pudieran surgir, mientras que se observó una ligera tendencia opuesta en el caso de los usuarios del sistema con interacción sólo de voz. ABSTRACT This Thesis presents two related lines of research work contributing to the general fields of Human-Technology (or Machine) Interaction (HTI, or HMI), computational linguistics, and user experience evaluation. These two lines are the design and user-focused evaluation of advanced Human-Machine (or Technology) Interaction systems. The first part of the Thesis (Chapters 2 to 4) is centred on advanced HMI system design. Chapter 2 provides a background overview of the state of research in multimodal conversational systems. This sets the stage for the research work presented in the rest of the Thesis. Chapers 3 and 4 focus on two major aspects of HMI design in detail: a generalised dialogue manager for context-aware multimodal HMI, and embodied conversational agents (ECAs, or animated agents) to improve dialogue robustness, respectively. Chapter 3, on dialogue management, deals with how to handle information heterogeneity, both from the communication modalities or from external sensors. A highly abstracted architectural contribution based on State Chart XML is proposed. Chapter 4 presents a contribution for the internal representation of communication intentions and their translation into gestural sequences for an ECA, especially designed to improve robustness in critical dialogue situations such as when miscommunication occurs. We propose an extension of the functionality of Functional Mark-up Language, as envisaged in much of the work in the SAIBA framework. Our extension allows the representation of communication acts that carry intentions that are not for the interlocutor to know of, but which are made to influence him or her as well as the flow of the dialogue itself. This is achieved through a design element we have called the Communication Intention Base. Such r pr s ntation of “non- clar ” int ntions allows th construction of communication acts that carry several communication intentions simultaneously. Also in Chapter 4, an experimental system is described which allows (simulated) remote control to a home automation assistant, with biometric (speaker) authentication to grant access, featuring embodied conversation agents for each of the tasks. The discussion includes a description of the behavioural sequences for the ECAs, which were designed for specific dialogue situations with particular attention given to the objective of improving dialogue robustness. Chapters 5 to 7 form the evaluation part of the Thesis. Chapter 5 reviews evaluation approaches in the literature for information technologies, as well as in particular for speech-based interaction systems, that are useful precedents to the contributions of the present Thesis. The main evaluation precedents on which the work in this Thesis has built are the Technology Acceptance Model (TAM), the Subjective Assessment of Speech System Interfaces (SASSI) tool, and ITU-T Recommendation P.851. Chapter 6 presents the author’s work in establishing an valuation framework and methodology applied to the users’ experience with multimodal HMI systems. A novel user-acceptance Subjective Quality Evaluation Framework was developed by the author specifically for this purpose. A class structure arises from two orthogonal sets of dimensions. First we identify three broad classes of parameters related with user acceptance: likeability factors (those that have to do with the experience of using the system), rejection factors (which can only have a negative valence) and perception of usefulness. Secondly, the class structure is further broken down into several “user perception levels”; at the very least: an overall system-assessment level, task and goal-related levels, and an interface level (e.g., a dialogue system with or without an ECA). An empirical evaluation of the system described in Chapter 4 is presented in Chapter 7. The study was based on the abovementioned precedents in the literature, expanded with categories covering the inclusion of an ECA, the users’ s lf-assessed emotions, and particular rejection factors (privacy and security concerns). The Subjective Quality Evaluation Framework proposed in the previous chapter was also scrutinised. Factor analyses revealed an item structure very much related conceptually to the usefulness-likeability-rejection class division introduced above, thus giving it some empirical weight. Regression-based analysis revealed structures of dependencies, paths of interrelations, between the subjective and objective parameters considered. The central mediation effect, in the Technology Acceptance Model, of perceived usefulness on the dependency relationship of intention-to-use with perceived ease of use was confirmed in this study. Furthermore, the pattern of relationships was stronger for variables covering more broadly the likeability and usefulness categories in the Subjective Quality Evaluation Framework. Rejection factors were found to have a distinct presence as components in factor analyses, as well as distinct behaviour: they were found to moderate the relationship between intention-to-use (the main measure of user acceptance) and its strongest predictor, perceived usefulness. Insights of secondary importance are also given regarding the effect of ECAs on the interface of spoken dialogue systems and the dimensions of user perception and judgement attitude that may have a role in determining user acceptance of the technology. Despite observing slightly better performance values in the case of the system with the ECA, subjective opinions regarding both systems were, overall, very similar. Minor differences between two experimental groups (one interacting with an ECA, the other only through speech) include a more direct effect of dialogue problems (e.g., non-understandings) on perceived dialogue robustness for the voice-only interface test group, and a more positive emotional response for the ECA test group. Our findings further suggest that the ECA generates higher initial expectations, and users seem slightly more confident in their interaction with the ECA than do those without it. Finally, mild evidence of social effects of ECAs was also found: the perceived friendliness of the ECA increased security concerns, and ECA users may tend to blame themselves rather than the system when dialogue problems are encountered, while the opposite may be true for voice-only users.

Análisis y diseño de multiplicadores y mezcladores mediante el método de Monte Carlo en la banda de THz = Analysis and design of multipliers and mixers via Monte Carlo modelling at THz bands

La región del espectro electromagnético comprendida entre 100 GHz y 10 THz alberga una gran variedad de aplicaciones en campos tan dispares como la radioastronomía, espectroscopíamolecular, medicina, seguridad, radar, etc. Los principales inconvenientes en el desarrollo de estas aplicaciones son los altos costes de producción de los sistemas trabajando a estas frecuencias, su costoso mantenimiento, gran volumen y baja fiabilidad. Entre las diferentes tecnologías a frecuencias de THz, la tecnología de los diodos Schottky juega un importante papel debido a su madurez y a la sencillez de estos dispositivos. Además, los diodos Schottky pueden operar tanto a temperatura ambiente como a temperaturas criogénicas, con altas eficiencias cuando se usan como multiplicadores y con moderadas temperaturas de ruido en mezcladores. El principal objetivo de esta tesis doctoral es analizar los fenómenos físicos responsables de las características eléctricas y del ruido en los diodos Schottky, así como analizar y diseñar circuitos multiplicadores y mezcladores en bandas milimétricas y submilimétricas. La primera parte de la tesis presenta un análisis de los fenómenos físicos que limitan el comportamiento de los diodos Schottky de GaAs y GaN y de las características del espectro de ruido de estos dispositivos. Para llevar a cabo este análisis, un modelo del diodo basado en la técnica de Monte Carlo se ha considerado como referencia debido a la elevada precisión y fiabilidad de este modelo. Además, el modelo de Monte Carlo permite calcular directamente el espectro de ruido de los diodos sin necesidad de utilizar ningún modelo analítico o empírico. Se han analizado fenómenos físicos como saturación de la velocidad, inercia de los portadores, dependencia de la movilidad electrónica con la longitud de la epicapa, resonancias del plasma y efectos no locales y no estacionarios. También se ha presentado un completo análisis del espectro de ruido para diodos Schottky de GaAs y GaN operando tanto en condiciones estáticas como variables con el tiempo. Los resultados obtenidos en esta parte de la tesis contribuyen a mejorar la comprensión de la respuesta eléctrica y del ruido de los diodos Schottky en condiciones de altas frecuencias y/o altos campos eléctricos. También, estos resultados han ayudado a determinar las limitaciones de modelos numéricos y analíticos usados en el análisis de la respuesta eléctrica y del ruido electrónico en los diodos Schottky. La segunda parte de la tesis está dedicada al análisis de multiplicadores y mezcladores mediante una herramienta de simulación de circuitos basada en la técnica de balance armónico. Diferentes modelos basados en circuitos equivalentes del dispositivo, en las ecuaciones de arrastre-difusión y en la técnica de Monte Carlo se han considerado en este análisis. El modelo de Monte Carlo acoplado a la técnica de balance armónico se ha usado como referencia para evaluar las limitaciones y el rango de validez de modelos basados en circuitos equivalentes y en las ecuaciones de arrastredifusión para el diseño de circuitos multiplicadores y mezcladores. Una notable característica de esta herramienta de simulación es que permite diseñar circuitos Schottky teniendo en cuenta tanto la respuesta eléctrica como el ruido generado en los dispositivos. Los resultados de las simulaciones presentados en esta parte de la tesis, tanto paramultiplicadores comomezcladores, se han comparado con resultados experimentales publicados en la literatura. El simulador que integra el modelo de Monte Carlo con la técnica de balance armónico permite analizar y diseñar circuitos a frecuencias superiores a 1 THz. ABSTRACT The terahertz region of the electromagnetic spectrum(100 GHz-10 THz) presents a wide range of applications such as radio-astronomy, molecular spectroscopy, medicine, security and radar, among others. The main obstacles for the development of these applications are the high production cost of the systems working at these frequencies, highmaintenance, high volume and low reliability. Among the different THz technologies, Schottky technology plays an important rule due to its maturity and the inherent simplicity of these devices. Besides, Schottky diodes can operate at both room and cryogenic temperatures, with high efficiency in multipliers and moderate noise temperature in mixers. This PhD. thesis is mainly concerned with the analysis of the physical processes responsible for the characteristics of the electrical response and noise of Schottky diodes, as well as the analysis and design of frequency multipliers and mixers at millimeter and submillimeter wavelengths. The first part of the thesis deals with the analysis of the physical phenomena limiting the electrical performance of GaAs and GaN Schottky diodes and their noise performance. To carry out this analysis, a Monte Carlo model of the diode has been used as a reference due to the high accuracy and reliability of this diode model at millimeter and submillimter wavelengths. Besides, the Monte Carlo model provides a direct description of the noise spectra of the devices without the necessity of any additional analytical or empirical model. Physical phenomena like velocity saturation, carrier inertia, dependence of the electron mobility on the epilayer length, plasma resonance and nonlocal effects in time and space have been analysed. Also, a complete analysis of the current noise spectra of GaAs and GaN Schottky diodes operating under static and time varying conditions is presented in this part of the thesis. The obtained results provide a better understanding of the electrical and the noise responses of Schottky diodes under high frequency and/or high electric field conditions. Also these results have helped to determine the limitations of numerical and analytical models used in the analysis of the electrical and the noise responses of these devices. The second part of the thesis is devoted to the analysis of frequency multipliers and mixers by means of an in-house circuit simulation tool based on the harmonic balance technique. Different lumped equivalent circuits, drift-diffusion and Monte Carlo models have been considered in this analysis. The Monte Carlo model coupled to the harmonic balance technique has been used as a reference to evaluate the limitations and range of validity of lumped equivalent circuit and driftdiffusion models for the design of frequency multipliers and mixers. A remarkable feature of this reference simulation tool is that it enables the design of Schottky circuits from both electrical and noise considerations. The simulation results presented in this part of the thesis for both multipliers and mixers have been compared with measured results available in the literature. In addition, the Monte Carlo simulation tool allows the analysis and design of circuits above 1 THz.

Spatial analysis of geometric design consistency and road sight distance

Because of the high number of crashes occurring on highways, it is necessary to intensify the search for new tools that help in understanding their causes. This research explores the use of a geographic information system (GIS) for an integrated analysis, taking into account two accident-related factors: design consistency (DC) (based on vehicle speed) and available sight distance (ASD) (based on visibility). Both factors require specific GIS software add-ins, which are explained. Digital terrain models (DTMs), vehicle paths, road centerlines, a speed prediction model, and crash data are integrated in the GIS. The usefulness of this approach has been assessed through a study of more than 500 crashes. From a regularly spaced grid, the terrain (bare ground) has been modeled through a triangulated irregular network (TIN). The length of the roads analyzed is greater than 100 km. Results have shown that DC and ASD could be related to crashes in approximately 4% of cases. In order to illustrate the potential of GIS, two crashes are fully analyzed: a car rollover after running off road on the right side and a rear-end collision of two moving vehicles. Although this procedure uses two software add-ins that are available only for ArcGIS, the study gives a practical demonstration of the suitability of GIS for conducting integrated studies of road safety.

Analysis and design of reconfigurable multimode multiport microstrip antennas for mimo systems and diversity schemes

Las comunicaciones inalámbricas han transformado profundamente la forma en la que la gente se comunica en el día a día y es, sin lugar a dudas, una de las tecnologías de nuestro tiempo que más rápidamente evoluciona. Este rápido crecimiento implica retos enormes en la tecnología subyacente, debido y entre otros motivos, a la gran demanda de capacidad de los nuevos servicios inalámbricos. Los sistemas Multiple Input Multiple Output (MIMO) han despertado mucho interés como medio de mejorar el rendimiento global del sistema, satisfaciendo de este modo y en cierta medida los nuevo requisitos exigidos. De hecho, el papel relevante de esta tecnología en los actuales esfuerzos de estandarización internacionales pone de manifiesto esta utilidad. Los sistemas MIMO sacan provecho de los grados de libertad espaciales, disponibles a través del entorno multitrayecto, para mejorar el rendimiento de la comunicación con una destacable eficiencia espectral. Con el fin de alcanzar esta mejora en el rendimiento, la diversidad espacial y por diagrama han sido empleadas tradicionalmente para reducir la correlación entre los elementos radiantes, ya que una correlación baja es condición necesaria, si bien no suficiente, para dicha mejora. Tomando como referencia, o punto de partida, las técnicas empleadas para obtener diversidad por diagrama, esta tesis doctoral surge de la búsqueda de la obtención de diversidad por diagrama y/o multiplexación espacial a través del comportamiento multimodal de la antena microstrip, proponiendo para ello un modelo cuasi analítico original para el análisis y diseño de antenas microstrip multipuerto, multimodo y reconfigurables. Este novedoso enfoque en este campo, en vez de recurrir a simulaciones de onda completa por medio de herramientas comerciales tal y como se emplea en las publicaciones existentes, reduce significativamente el esfuerzo global de análisis y diseño, en este último caso por medio de guías de diseño generales. Con el fin de lograr el objetivo planteado y después de una revisión de los principales conceptos de los sistemas MIMO que se emplearán más adelante, se fija la atención en encontrar, implementar y verificar la corrección y exactitud de un modelo analítico que sirva de base sobre la cual añadir las mejoras necesarias para obtener las características buscadas del modelo cuasi analítico propuesto. Posteriormente y partiendo del modelo analítico base seleccionado, se exploran en profundidad y en diferentes entornos multitrayecto, las posibilidades en cuanto a rendimiento se refiere de diversidad por diagrama y multiplexación espacial, proporcionadas por el comportamiento multimodal de las antenas parche microstrip sin cargar. Puesto que cada modo de la cavidad tiene su propia frecuencia de resonancia, es necesario encontrar formas de desplazar la frecuencia de resonancia de cada modo empleado para ubicarlas en la misma banda de frecuencia, manteniendo cada modo al mismo tiempo tan independiente como sea posible. Este objetivo puede lograrse cargando adecuadamente la cavidad con cargas reactivas, o alterando la geometría del parche radiante. Por consiguiente, la atención en este punto se fija en el diseño, implementación y verificación de un modelo cuasi analítico para el análisis de antenas parche microstrip multipuerto, multimodo y cargadas que permita llevar a cabo la tarea indicada, el cuál es una de las contribuciones principales de esta tesis doctoral. Finalmente y basándose en el conocimiento adquirido a través del modelo cuasi analítico, se proporcionan y aplican guías generales para el diseño de antenas microstrip multipuerto, multimodo y reconfigurables para sistemas MIMO, con el fin de mejorar su diversidad por diagrama y/o su capacidad por medio del comportamiento multimodal de las antenas parche microstrip. Se debe destacar que el trabajo presentado en esta tesis doctoral ha dado lugar a una publicación en una revista técnica internacional de un alto factor de impacto. De igual manera, el trabajo también ha sido presentado en algunas de las más importantes conferencias internacionales en el ámbito de las antenas ABSTRACT Wireless communications have deeply transformed the way people communicate on daily basis and it is undoubtedly one of the most rapidly evolving technologies of our time. This fast growing behaviour involves huge challenges on the bearing technology, due to and among others reasons, the high demanding capacity of new wireless services. MIMO systems have given rise to considerable interest as a means to enhance the overall system performance, thus satisfying somehow the new demanding requirements. Indeed, the significant role of this technology on current international standardization efforts, highlights this usefulness. MIMO systems make profit from the spatial degrees of freedom available through the multipath scenario to improve the communication performance with a remarkable spectral efficiency. In order to achieve this performance improvement, spatial and pattern diversity have been traditionally used to decrease the correlation between antenna elements, as low correlation is a necessary but not sufficient condition. Taking as a reference, or starting point, the techniques used to achieve pattern diversity, this Philosophiae Doctor (Ph.D.) arises from the pursuit of obtaining pattern diversity and/or spatial multiplexing capabilities through the multimode microstrip behaviour, thus proposing a novel quasi analytical model for the analysis and design of reconfigurable multimode multiport microstrip antennas. This innovative approach on this field, instead of resorting to full-wave simulations through commercial tools as done in the available publications, significantly reduces the overall analysis and design effort, in this last case through comprehensive design guidelines. In order to achieve this goal and after a review of the main concepts of MIMO systems which will be followed used, the spotlight is fixed on finding, implementing and verifying the correctness and accuracy of a base quasi analytical model over which add the necessary enhancements to obtain the sought features of the quasi analytical model proposed. Afterwards and starting from the base quasi analytical model selected, the pattern diversity and spatial multiplexing performance capabilities provided by the multimode behaviour of unloaded microstrip patch antennas under different multipath environments are fully explored. As each cavity mode has its own resonant frequency, it is required to find ways to displace the resonant frequency of each used mode to place them at the same frequency band while keeping each mode as independent as possible. This objective can be accomplished with an appropriate loading of the cavity with reactive loads, or through the alteration of the geometry of the radiation patch. Thus, the focus is set at this point on the design, implementation and verification of a quasi analytical model for the analysis of loaded multimode multiport microstrip patch antennas to carry out the aforementioned task, which is one of the main contributions of this Ph.D. Finally and based on the knowledge acquired through the quasi analytical model, comprehensive guidelines to design reconfigurable multimode MIMO microstrip antennas to improve the spatial multiplexing and/or diversity system performance by means of the multimode microstrip patch antenna behaviour are given and applied. It shall be highlighted that the work presented in this Ph.D. has given rise to a publication in an international technical journal of high impact factor. Moreover, the work has also been presented at some of the most important international conferences in antenna area.

Contribution to the analysis and design of reflectarray antennas for reconfigurable beam applications at frequencies above 100 GHz using liquid crystal technology

El trabajo contenido en esta tesis doctoral está encuadrado en el desarrollo de antenas reconfigurables electrónicamente capaces de proporcionar prestaciones competitivas a las aplicaciones cada vez más comunes que operan a frecuencias superiores a 60 GHz. En concreto, esta tesis se centra en el estudio, diseño, e implementación de las antenas reflectarray, a las que se introduce la tecnología de cristal líquido como elemento característico con el que se consigue reconfigurabilidad de haz de forma electrónica. Desde un punto de vista muy general, se puede describir un cristal líquido como un material cuya permitividad eléctrica es variable y controlada por una excitación externa, que generalmente suele corresponderse con un campo eléctrico quasi-estático (AC). Las antenas reflectarray de cristal líquido se han escogido como objeto de estudio por varias razones. La primera de ellas tiene que ver con las ventajas que los reflectarrays, y en especial aquellos realizados en configuración planar, proporcionan con respecto a otras antenas de alta ganancia como los reflectores o los “phased-arrays”. En los reflectarrays, la alimentación a través de una fuente primaria común (característica de reflectores) y el elevado número de grados de libertad de las celdas que los componen (característica de arrays) hacen que estas antenas puedan proporcionar prestaciones eléctricas iguales o mejores que las anteriores, a un coste más reducido y con estructuras de antena más compactas. La segunda razón radica en la flexibilidad que ofrece el cristal líquido a ser confinado y polarizado en recintos de geometría variada, como consecuencia de su fluidez (propiedad de los líquidos). Por ello, la tecnología de cristal líquido permite que el propio elemento reconfigurable en las celdas de reflectarray se adapte a la configuración planar de manera que en sí mismo, el cristal líquido sea una o varias de las capas características de esta configuración. Esto simplifica de forma drástica la estructura y la fabricación de este tipo de antenas, incluso si se comparan con reflectarrays reconfigurables basados en otras tecnologías como diodos, MEMS, etc. Por tanto, su coste y desarrollo es muy reducido, lo que hace que se puedan fabricar reflectarrays reconfigurables eléctricamente grandes, a bajo coste, y en producción elevada. Un ejemplo claro de una estructura similar, y que ha tenido éxito comercial, son las pantallas de cristal líquido. La tercera razón reside en el hecho de que el cristal líquido es, hasta la fecha, de las pocas tecnologías capaces de ofrecer reconfigurabilidad del haz a frecuencias superiores a 60 GHz. De hecho, el cristal líquido permite reconfigurabilidad en un amplio margen de frecuencias, que va desde DC a frecuencias del espectro visible, incluyendo las microondas y los THz. Otras tecnologías, como los materiales ferroeléctricos, el grafeno o la tecnología CMOS “on chip” permiten también conmutar el haz en estas frecuencias. Sin embargo, la tecnología CMOS tiene un elevado coste y actualmente está limitada a frecuencias inferiores a 150 GHz, y aunque los materiales ferroeléctricos o el grafeno puedan conmutar a frecuencias más altas y en un rango más amplio, tienen serias dificultades que los hacen aún inmaduros. En el caso de los materiales ferroeléctricos, los elevados voltajes para conmutar el material los hacen poco atractivos, mientras que en el caso del grafeno, su modelado aún está en discusión, y todavía no se han arrojado resultados experimentales que validen su idoneidad. Estas tres razones hacen que los reflectarrays basados en cristal líquido sean atractivos para multitud de aplicaciones de haz reconfigurable a frecuencias superiores a 60 GHz. Aplicaciones como radar de escaneo de imágenes de alta resolución, espectroscopia molecular, radiómetros para observación atmosférica, o comunicaciones inalámbricas de alta frecuencia (WiGig) son algunas de ellas. La tesis está estructurada en tres partes. En la primera de ellas se describen las características más comunes de los cristales líquidos, centrándonos en detalle en aquellas propiedades ofrecidas por este material en fase nemática. En concreto, se estudiará la anisotropía dieléctrica (Ae) de los cristales líquidos uniaxiales, que son los que se emplean en esta tesis, definida como la diferencia entre la permitividad paralela (£//) y la perpendicular (e±): Ae = e,, - e±. También se estudiará la variación de este parámetro (Ae) con la frecuencia, y el modelado electromagnético macroscópico más general que, extraído a partir de aquella, permite describir el cristal líquido para cada tensión de polarización en celdas de geometría planar. Este modelo es de suma importancia para garantizar precisión en el desfasaje proporcionado por las diferentes celdas reconfigurables para reflectarrays que se describirán en la siguiente parte de la tesis. La segunda parte de la tesis se centra en el diseño de celdas reflectarray resonantes basadas en cristal líquido. La razón por la que se escogen estos tipos de celdas reside en el hecho de que son las únicas capaces de proporcionar rangos de fase elevados ante la reducida anisotropía dieléctrica que ofrecen los cristales líquidos. El objetivo de esta parte trata, por tanto, de obtener estructuras de celdas reflectarray que sean capaces de proporcionar buenas prestaciones eléctricas a nivel de antena, mejorando sustancialmente las prestaciones de las celdas reportadas en el estado del arte, así como de desarrollar una herramienta de diseño general para aquellas. Para ello, se estudian las prestaciones eléctricas de diferentes tipos de elementos resonantes de cristal líquido que van, desde el más sencillo, que ha limitado el estado de la técnica hasta el desarrollo de esta tesis y que está formado por un sólo resonador, a elementos que constan de varios resonadores (multi-resonantes) y que pueden ser monocapa o multicapa. En un primer paso, el procedimiento de diseño de estas estructuras hace uso de un modelo convencional de cristal líquido que ha venido siendo usado en el estado del arte para este tipo de celdas, y que considera el cristal líquido como un material homogéneo e isótropo cuya permitividad varía entre (e/7) y (e±). Sin embargo, en esta parte de la tesis se demuestra que dicho modelado no es suficiente para describir de forma genérica el comportamiento del cristal líquido en las celdas tipo reflectarray. En la tesis se proponen procedimientos más exactos para el análisis y diseño basados en un modelo más general que define el cristal líquido como un material anisótropo e inhomogeneo en tres dimensiones, y se ha implementado una técnica que permite optimizar celdas multi-resonantes de forma eficiente para conseguir elevadas prestaciones en cuanto a ancho de banda, rango de fase, pérdidas, o sensibilidad al ángulo de incidencia. Los errores cometidos en el uso del modelado convencional a nivel de celda (amplitud y fase) se han analizado para varias geometrías, usando medidas de varios prototipos de antena que usan un cristal líquido real a frecuencias superiores a 100 GHz. Las medidas se han realizado en entorno periódico mediante un banco cuasi-óptico, que ha sido diseñado especialmente para este fin. Uno de estos prototipos se ha optimizado a 100 GHz para conseguir un ancho de banda relativamente elevado (10%), pérdidas reducidas, un rango de fase mayor de 360º, baja sensibilidad al ángulo de incidencia, y baja influencia de la inhomogeneidad transversal del cristal líquido en la celda. Estas prestaciones a nivel de celda superan de forma clara aquellas conseguidas por otros elementos que se han reportado en la literatura, de manera que dicho prototipo se ha usado en la última parte de la tesis para realizar diversas antenas de barrido. Finalmente, en esta parte se presenta una estrategia de caracterización de la anisotropía macroscópica a partir de medidas de los elementos de reflectarray diseñados en banco cuasi-óptico, obteniendo resultados tanto en las frecuencias de interés en RF como en AC, y comparándolas con aquellas obtenidas mediante otros métodos. La tercera parte de la tesis consiste en el estudio, diseño, fabricación y medida de antenas reconfigurables basadas en cristal líquido en configuraciones complejas. En reflectarrays pasivos, el procedimiento de diseño de la antena se limita únicamente al ajuste en cada celda de la antena de las dimensiones de las metalizaciones que se emplean para el control de fase, mediante procesos de optimización bien conocidos. Sin embargo, en el caso de reflectarrays reconfigurables basados en cristal líquido, resulta necesario un paso adicional, que consiste en calcular de forma adecuada las tensiones de control en cada celda del reflectarray para configurar la fase requerida en cada una de ellas, así como diseñar la estructura y los circuitos de control que permitan direccionar a cada elemento su tensión correspondiente. La síntesis de tensiones es por tanto igual o más importante que el diseño de la geometría de las celdas, puesto que éstas son las que están directamente relacionadas con la fase. En el estado del arte, existen varias estrategias de síntesis de tensiones que se basan en la caracterización experimental de la curva de fase respecto al voltaje. Sin embargo, esta caracterización sólo puede hacerse a un solo ángulo de incidencia y para unas determinadas dimensiones de celda, lo que produce que las tensiones sintetizadas sean diferentes de las adecuadas, y en definitiva que se alcancen errores de fase mayores de 70º. De esta forma, hasta la fecha, las prestaciones a nivel de antena que se han conseguido son reducidas en cuanto a ancho de banda, rango de escaneo o nivel de lóbulos secundarios. En esta última parte de la tesis, se introduce una nueva estrategia de síntesis de tensiones que es capaz de predecir mediante simulaciones, y con alta precisión, las tensiones que deben introducirse en cada celda teniendo en cuenta su ángulo de incidencia, sus dimensiones, la frecuencia, así como la señal de polarización definida por su frecuencia y forma de onda AC. Esta estrategia se basa en modelar cada uno de los estados de permitividad del cristal líquido como un sustrato anisótropo con inhomogeneidad longitudinal (1D), o en ciertos casos, como un tensor equivalente homogéneo. La precisión de ambos modelos electromagnéticos también se discute. Con el objetivo de obtener una herramienta eficiente de cálculo de tensiones, también se ha escrito e implementado una herramienta de análisis basada en el Método de los Momentos en el Dominio Espectral (SD-MoM) para sustratos estratificados anisótropos, que se usa en cada iteración del procedimiento de síntesis para analizar cada una de las celdas de la antena. La síntesis de tensiones se ha diseñado además para reducir al máximo el efecto del rizado de amplitud en el diagrama de radiación, que es característico en los reflectarrays que están formados por celdas con pérdidas elevadas, lo que en sí, supone un avance adicional para la obtención de mejores prestaciones de antena. Para el cálculo de los diagramas de radiación empleados en el procedimiento de síntesis, se asume un análisis elemento a elemento considerando periodicidad local, y se propone el uso de un método capaz de modelar el campo incidente de forma que se elimine la limitación de la periodicidad local en la excitación. Una vez definida la estrategia adecuada de cálculo de las tensiones a aplicar al cristal líquido en cada celda, la estructura de direccionamiento de las mismas en la antena, y diseñados los circuitos de control, se diseñan, fabrican y miden dos prototipos diferentes de antena de barrido electrónico a 100 GHz usando las celdas anteriormente presentadas. El primero de estos prototipos es un reflectarray en configuración “single offset” con capacidad de escaneo en un plano (elevación o azimut). Aunque previamente se realizan diseños de antenas de barrido en 2D a varias frecuencias en el rango de milimétricas y sub-milimétricas, y se proponen ciertas estrategias de direccionamiento que permiten conseguir este objetivo, se desarrolla el prototipo con direccionamiento en una dimensión con el fin de reducir el número de controles y posibles errores de fabricación, y así también validar la herramienta de diseño. Para un tamaño medio de apertura (con un numero de filas y columnas entre 30 y 50 elementos, lo que significa un reflectarray con un número de elementos superior a 900), la configuración “single offset” proporciona rangos de escaneo elevados, y ganancias que pueden oscilar entre los 20 y 30 dBi. En concreto, el prototipo medido proporciona un haz de barrido en un rango angular de 55º, en el que el nivel de lóbulos secundarios (SLL) permanece mejor de -13 dB en un ancho de banda de un 8%. La ganancia máxima es de 19.4 dBi. Estas prestaciones superan de forma clara aquellas conseguidas por otros autores. El segundo prototipo se corresponde con una antena de doble reflector que usa el reflectarray de cristal líquido como sub-reflector para escanear el haz en un plano (elevación o azimut). El objetivo básico de esta geometría es obtener mayores ganancias que en el reflectarray “single offset” con una estructura más compacta, aunque a expensas de reducir el rango de barrido. En concreto, se obtiene una ganancia máxima de 35 dBi, y un rango de barrido de 12º. Los procedimientos de síntesis de tensiones y de diseño de las estructuras de las celdas forman, en su conjunto, una herramienta completa de diseño precisa y eficiente de antenas reflectarray reconfigurables basados en cristales líquidos. Dicha herramienta se ha validado mediante el diseño, la fabricación y la medida de los prototipos anteriormente citados a 100 GHz, que consiguen algo nunca alcanzado anteriormente en la investigación de este tipo de antenas: unas prestaciones competitivas y una predicción excelente de los resultados. El procedimiento es general, y por tanto se puede usar a cualquier frecuencia en la que el cristal líquido ofrezca anisotropía dieléctrica, incluidos los THz. Los prototipos desarrollados en esta tesis doctoral suponen también unas de las primeras antenas de barrido real a frecuencias superiores a 100 GHz. En concreto, la antena de doble reflector para escaneo de haz es la primera antena reconfigurable electrónicamente a frecuencias superiores a 60 GHz que superan los 25 dBi de ganancia, siendo a su vez la primera antena de doble reflector que contiene un reflectarray reconfigurable como sub-reflector. Finalmente, se proponen ciertas mejoras que aún deben se deben realizar para hacer que estas antenas puedan ser un producto completamente desarrollado y competitivo en el mercado. ABSTRACT The work presented in this thesis is focused on the development of electronically reconfigurable antennas that are able to provide competitive electrical performance to the increasingly common applications operating at frequencies above 60 GHz. Specifically, this thesis presents the study, design, and implementation of reflectarray antennas, which incorporate liquid crystal (LC) materials to scan or reconfigure the beam electronically. From a general point of view, a liquid crystal can be defined as a material whose dielectric permittivity is variable and can be controlled with an external excitation, which usually corresponds with a quasi-static electric field (AC). By changing the dielectric permittivity at each cell that makes up the reflectarray, the phase shift on the aperture is controlled, so that a prescribed radiation pattern can be configured. Liquid Crystal-based reflectarrays have been chosen for several reasons. The first has to do with the advantages provided by the reflectarray antenna with respect to other high gain antennas, such as reflectors or phased arrays. The RF feeding in reflectarrays is achieved by using a common primary source (as in reflectors). This arrangement and the large number of degrees of freedom provided by the cells that make up the reflectarray (as in arrays), allow these antennas to provide a similar or even better electrical performance than other low profile antennas (reflectors and arrays), but assuming a more reduced cost and compactness. The second reason is the flexibility of the liquid crystal to be confined in an arbitrary geometry due to its fluidity (property of liquids). Therefore, the liquid crystal is able to adapt to a planar geometry so that it is one or more of the typical layers of this configuration. This simplifies drastically both the structure and manufacture of this type of antenna, even when compared with reconfigurable reflectarrays based on other technologies, such as diodes MEMS, etc. Therefore, the cost of developing this type of antenna is very small, which means that electrically large reconfigurable reflectarrays could be manufactured assuming low cost and greater productions. A paradigmatic example of a similar structure is the liquid crystal panel, which has already been commercialized successfully. The third reason lies in the fact that, at present, the liquid crystal is one of the few technologies capable of providing switching capabilities at frequencies above 60 GHz. In fact, the liquid crystal allows its permittivity to be switched in a wide range of frequencies, which are from DC to the visible spectrum, including microwaves and THz. Other technologies, such as ferroelectric materials, graphene or CMOS "on chip" technology also allow the beam to be switched at these frequencies. However, CMOS technology is expensive and is currently limited to frequencies below 150 GHz, and although ferroelectric materials or graphene can switch at higher frequencies and in a wider range, they have serious difficulties that make them immature. Ferroelectric materials involve the use of very high voltages to switch the material, making them unattractive, whereas the electromagnetic modelling of the graphene is still under discussion, so that the experimental results of devices based on this latter technology have not been reported yet. These three reasons make LC-based reflectarrays attractive for many applications that involve the use of electronically reconfigurable beams at frequencies beyond 60 GHz. Applications such as high resolution imaging radars, molecular spectroscopy, radiometers for atmospheric observation, or high frequency wireless communications (WiGig) are just some of them. This thesis is divided into three parts. In the first part, the most common properties of the liquid crystal materials are described, especially those exhibited in the nematic phase. The study is focused on the dielectric anisotropy (Ac) of uniaxial liquid crystals, which is defined as the difference between the parallel (e/7) and perpendicular (e±) permittivities: Ae = e,, - e±. This parameter allows the permittivity of a LC confined in an arbitrary volume at a certain biasing voltage to be described by solving a variational problem that involves both the electrostatic and elastic energies. Thus, the frequency dependence of (Ae) is also described and characterised. Note that an appropriate LC modelling is quite important to ensure enough accuracy in the phase shift provided by each cell that makes up the reflectarray, and therefore to achieve a good electrical performance at the antenna level. The second part of the thesis is focused on the design of resonant reflectarray cells based on liquid crystal. The reason why resonant cells have been chosen lies in the fact that they are able to provide enough phase range using the values of the dielectric anisotropy of the liquid crystals, which are typically small. Thus, the aim of this part is to investigate several reflectarray cell architectures capable of providing good electrical performance at the antenna level, which significantly improve the electrical performance of the cells reported in the literature. Similarly, another of the objectives is to develop a general tool to design these cells. To fulfill these objectives, the electrical yields of different types of resonant reflectarray elements are investigated, beginning from the simplest, which is made up of a single resonator and limits the state of the art. To overcome the electrical limitations of the single resonant cell, several elements consisting of multiple resonators are considered, which can be single-layer or multilayer. In a first step, the design procedure of these structures makes use of a conventional electromagnetic model which has been used in the literature, which considers that the liquid crystal behaves as homogeneous and isotropic materials whose permittivity varies between (e/7) y (e±). However, in this part of the thesis it is shown that the conventional modelling is not enough to describe the physical behaviour of the liquid crystal in reflectarray cells accurately. Therefore, a more accurate analysis and design procedure based on a more general model is proposed and developed, which defines the liquid crystal as an anisotropic three-dimensional inhomogeneous material. The design procedure is able to optimize multi-resonant cells efficiently to achieve good electrical performance in terms of bandwidth, phase range, losses, or sensitivity to the angle of incidence. The errors made when the conventional modelling (amplitude and phase) is considered have been also analysed for various cell geometries, by using measured results from several antenna prototypes made up of real liquid crystals at frequencies above 100 GHz. The measurements have been performed in a periodic environment using a quasi-optical bench, which has been designed especially for this purpose. One of these prototypes has been optimized to achieve a relatively large bandwidth (10%) at 100 GHz, low losses, a phase range of more than 360º, a low sensitivity to angle of incidence, and a low influence of the transversal inhomogeneity of the liquid crystal in the cell. The electrical yields of this prototype at the cell level improve those achieved by other elements reported in the literature, so that this prototype has been used in the last part of the thesis to perform several complete antennas for beam scanning applications. Finally, in this second part of the thesis, a novel strategy to characterise the macroscopic anisotropy using reflectarray cells is presented. The results in both RF and AC frequencies are compared with those obtained by other methods. The third part of the thesis consists on the study, design, manufacture and testing of LCbased reflectarray antennas in complex configurations. Note that the design procedure of a passive reflectarray antenna just consists on finding out the dimensions of the metallisations of each cell (which are used for phase control), using well-known optimization processes. However, in the case of reconfigurable reflectarrays based on liquid crystals, an additional step must be taken into account, which consists of accurately calculating the control voltages to be applied to each cell to configure the required phase-shift distribution on the surface of the antenna. Similarly, the structure to address the voltages at each cell and the control circuitry must be also considered. Therefore, the voltage synthesis is even more important than the design of the cell geometries (dimensions), since the voltages are directly related to the phase-shift. Several voltage synthesis procedures have been proposed in the state of the art, which are based on the experimental characterization of the phase/voltage curve. However, this characterization can be only carried out at a single angle of incidence and at certain cell dimensions, so that the synthesized voltages are different from those needed, thus giving rise to phase errors of more than 70°. Thus, the electrical yields of the LCreflectarrays reported in the literature are limited in terms of bandwidth, scanning range or side lobes level. In this last part of the thesis, a new voltage synthesis procedure has been defined and developed, which allows the required voltage to be calculated at each cell using simulations that take into account the particular dimensions of the cells, their angles of incidence, the frequency, and the AC biasing signal (frequency and waveform). The strategy is based on the modelling of each one of the permittivity states of the liquid crystal as an anisotropic substrate with longitudinal inhomogeneity (1D), or in certain cases, as an equivalent homogeneous tensor. The accuracy of both electromagnetic models is also discussed. The phase errors made by using the proposed voltage synthesis are better than 7º. In order to obtain an efficient tool to analyse and design the reflectarray, an electromagnetic analysis tool based on the Method of Moments in the spectral domain (SD-MoM) has also written and developed for anisotropic stratified media, which is used at each iteration of the voltage synthesis procedure. The voltage synthesis is also designed to minimize the effect of amplitude ripple on the radiation pattern, which is typical of reflectarrays made up of cells exhibiting high losses and represents a further advance in achieving a better antenna performance. To calculate the radiation patterns used in the synthesis procedure, an element-by-element analysis is assumed, which considers the local periodicity approach. Under this consideration, the use of a novel method is proposed, which avoids the limitation that the local periodicity imposes on the excitation. Once the appropriate strategy to calculate the voltages to be applied at each cell is developed, and once it is designed and manufactured both the structure to address the voltages to the antenna and the control circuits, two complete LC-based reflectarray antennas that operate at 100 GHz have been designed, manufactured and tested using the previously presented cells. The first prototype consists of a single offset reflectarray with beam scanning capabilities on one plane (elevation and azimuth). Although several LC-reflectarray antennas that provide 2-D scanning capabilities are also designed, and certain strategies to achieve the 2-D addressing of the voltage are proposed, the manufactured prototype addresses the voltages in one dimension in order to reduce the number of controls and manufacturing errors, and thereby validating the design tool. For an average aperture size (with a number of rows and columns of between 30 and 50 elements, which means a reflectarray with more than 900 cells), the single offset configuration provides an antenna gain of between 20 and 30 dBi and a large scanning range. The prototype tested at 100 GHz exhibits an electronically scanned beam in an angular range of 55º and 8% of bandwidth, in which the side lobe level (SLL) remains better than -13 dB. The maximum gain is 19.4 dBi. The electrical performance of the antenna is clearly an improvement on those achieved by other authors in the state of the art. The second prototype corresponds to a dual reflector antenna with a liquid crystal-based reflectarray used as a sub-reflector for beam scanning in one plane (azimuth or elevation). The main objective is to obtain a higher gain than that provided by the single offset configuration, but using a more compact architecture. In this case, a maximum gain of 35 dBi is achieved, although at the expense of reducing the scanning range to 12°, which is inherent in this type of structure. As a general statement, the voltage synthesis and the design procedure of the cells, jointly make up a complete, accurate and efficient design tool of reconfigurable reflectarray antennas based on liquid crystals. The tool has been validated by testing the previously mentioned prototypes at 100 GHz, which achieve something never reached before for this type of antenna: a competitive electrical performance, and an excellent prediction of the results. The design procedure is general and therefore can be used at any frequency for which the liquid crystal exhibits dielectric anisotropy. The two prototypes designed, manufactured and tested in this thesis are also some of the first antennas that currently operate at frequencies above 100 GHz. In fact, the dual reflector antenna is the first electronically scanned dual reflector antenna at frequencies above 60 GHz (the operation frequency is 100 GHz) with a gain greater than 25 dBi, being in turn the first dual-reflector antenna with a real reconfigurable sub-reflectarray. Finally, some improvements that should be still investigated to make these antennas commercially competitive are proposed.

Analysis and Design Considerations of an Electric Vehicle Powertrain regarding Energy Efficiency and Magnetic Field Exposure

En esta tesis se analiza el sistema de tracción de un vehículo eléctrico de batería desde el punto de vista de la eficiencia energética y de la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros (radiación electromagnética). Este estudio incluye tanto el sistema de almacenamiento de energía como la máquina eléctrica, junto con la electrónica de potencia y los sistemas de control asociados a ambos. Los análisis y los resultados presentados en este texto están basados en modelos matemáticos, simulaciones por ordenador y ensayos experimentales a escala de laboratorio. La investigación llevada a cabo durante esta tesis tuvo siempre un marcado enfoque industrial, a pesar de estar desarrollada en un entorno de considerable carácter universitario. Las líneas de investigación acometidas tuvieron como destinatario final al diseñador y al fabricante del vehículo, a pesar de lo cual algunos de los resultados obtenidos son preliminares y/o excesivamente académicos para resultar de interés industrial. En el ámbito de la eficiencia energética, esta tesis estudia sistemas híbridos de almacenamiento de energía basados en una combinación de baterías de litio y supercondensadores. Este tipo de sistemas son analizados desde el punto de vista de la eficiencia mediante modelos matemáticos y simulaciones, cuantificando el impacto de ésta en otros parámetros tales como el envejecimiento de las baterías. Respecto a la máquina eléctrica, el estudio se ha centrado en máquinas síncronas de imanes permanentes. El análisis de la eficiencia considera tanto el diseño de la máquina como la estrategia de control, dejando parcialmente de lado el inversor y la técnica de modulación (que son incluidos en el estudio como fuentes adicionales de pérdidas, pero no como potenciales fuentes de optimización de la eficiencia). En este sentido, tanto la topología del inversor (trifásico, basado en IGBTs) como la técnica de modulación (control de corriente en banda de histéresis) se establecen desde el principio. El segundo aspecto estudiado en esta tesis es la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros. Este tema se enfoca desde un punto de vista predictivo, y no desde un punto de vista de diagnóstico, puesto que se ha desarrollado una metodología para estimar el campo magnético generado por los dispositivos de potencia de un vehículo eléctrico. Esta metodología ha sido validada mediante ensayos de laboratorio. Otros aspectos importantes de esta contribución, además de la metodología en sí misma, son las consecuencias que se derivan de ella (por ejemplo, recomendaciones de diseño) y la comprensión del problema proporcionada por esta. Las principales contribuciones de esta tesis se listan a continuación: una recopilación de modelos de pérdidas correspondientes a la mayoría de dispositivos de potencia presentes en un vehículo eléctrico de batería, una metodología para analizar el funcionamiento de un sistema híbrido de almacenamiento de energía para aplicaciones de tracción, una explicación de cómo ponderar energéticamente los puntos de operación par-velocidad de un vehículo eléctrico (de utilidad para evaluar el rendimiento de una máquina eléctrica, por ejemplo), una propuesta de incluir un convertidor DC-DC en el sistema de tracción para minimizar las pérdidas globales del accionamiento (a pesar de las nuevas pérdidas introducidas por el propio DC-DC), una breve comparación entre dos tipos distintos de algoritmos de minimización de pérdidas para máquinas síncronas de imanes permanentes, una metodología predictiva para estimar la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros de un vehículo eléctrico (debida a los equipos de potencia), y finalmente algunas conclusiones y recomendaciones de diseño respecto a dicha exposición a campos magnéticos. ABSTRACT This dissertation analyzes the powertrain of a battery electric vehicle, focusing on energy efficiency and passenger exposure to electromagnetic fields (electromagnetic radiation). This study comprises the energy storage system as well as the electric machine, along with their associated power electronics and control systems. The analysis and conclusions presented in this dissertation are based on mathematical models, computer simulations and laboratory scale tests. The research performed during this thesis was intended to be of industrial nature, despite being developed in a university. In this sense, the work described in this document was carried out thinking of both the designer and the manufacturer of the vehicle. However, some of the results obtained lack industrial readiness, and therefore they remain utterly academic. Regarding energy efficiency, hybrid energy storage systems consisting in lithium batteries, supercapacitors and up to two DC-DC power converters are considered. These kind of systems are analyzed by means of mathematical models and simulations from the energy efficiency point of view, quantifying its impact on other relevant aspects such as battery aging. Concerning the electric machine, permanent magnet synchronous machines are studied in this work. The energy efficiency analysis comprises the machine design and the control strategy, while the inverter and its modulation technique are taken into account but only as sources of further power losses, and not as potential sources for further efficiency optimization. In this sense, both the inverter topology (3-phase IGBT-based inverter) and the switching technique (hysteresis current control) are fixed from the beginning. The second aspect studied in this work is passenger exposure to magnetic fields. This topic is approached from the prediction point of view, rather than from the diagnosis point of view. In other words, a methodology to estimate the magnetic field generated by the power devices of an electric vehicle is proposed and analyzed in this dissertation. This methodology has been validated by laboratory tests. The most important aspects of this contribution, apart from the methodology itself, are the consequences (for instance, design guidelines) and the understanding of the magnetic radiation issue provided by it. The main contributions of this dissertation are listed next: a compilation of loss models for most of the power devices found in a battery electric vehicle powertrain, a simulation-based methodology to analyze hybrid energy storage performance in traction applications, an explanation of how to assign energy-based weights to different operating points in traction drives (useful when assessing electrical machine performance, for instance), a proposal to include one DC-DC converter in electric powertrains to minimize overall power losses in the system (despite the new losses added by the DC-DC), a brief comparison between two kinds of loss-minimization algorithms for permanent magnet synchronous machines in terms of adaptability and energy efficiency, a predictive methodology to estimate passenger magnetic field exposure due to power devices in an electric vehicle, and finally some useful conclusions and design guidelines concerning magnetic field exposure.

Design and evaluation of a dehumidifying plaster panel for passive architecture integration

Buildings Indoor Air Quality requires a control in the Relative Humidity parameter. In passive architecture in humid climates relative humidity is even more important for human comfort and difficult to control. Therefore, nowadays, there is a research on dehumidifying systems. The present article shows an innovative dehumidifying panel composed of a plaster and Calcium Chloride salt. Laboratory tests are carried out to establish its viability as an indoor air moister regulator integrated in common plaster building interior coatings. There are two types of tests that have been carried out in two consecutive empirical phases: in the first phase, the tests of characterization of the Calcium Chloride as a desiccant are carried out; in a second phase, the dehumidifying panel as a whole is tested. Finally, both types of empirical tests show the efficiency and viability as an air moisture passive control system.

Clean Coal Technologies Scenario and Evaluation of Present CO2 Dwindling Initiatives to Approach Zero Emission Power Stations By Coal Combustion. Deployment Situation and Evaluation Study

In the present uncertain global context of reaching an equal social stability and steady thriving economy, power demand expected to grow and global electricity generation could nearly double from 2005 to 2030. Fossil fuels will remain a significant contribution on this energy mix up to 2050, with an expected part of around 70% of global and ca. 60% of European electricity generation. Coal will remain a key player. Hence, a direct effect on the considered CO2 emissions business-as-usual scenario is expected, forecasting three times the present CO2 concentration values up to 1,200ppm by the end of this century. Kyoto protocol was the first approach to take global responsibility onto CO2 emissions monitoring and cap targets by 2012 with reference to 1990. Some of principal CO2emitters did not ratify the reduction targets. Although USA and China spur are taking its own actions and parallel reduction measures. More efficient combustion processes comprising less fuel consuming, a significant contribution from the electricity generation sector to a CO2 dwindling concentration levels, might not be sufficient. Carbon Capture and Storage (CCS) technologies have started to gain more importance from the beginning of the decade, with research and funds coming out to drive its come in useful. After first researching projects and initial scale testing, three principal capture processes came out available today with first figures showing up to 90% CO2 removal by its standard applications in coal fired power stations. Regarding last part of CO2 reduction chain, two options could be considered worthy, reusing (EOR & EGR) and storage. The study evaluates the state of the CO2 capture technology development, availability and investment cost of the different technologies, with few operation cost analysis possible at the time. Main findings and the abatement potential for coal applications are presented. DOE, NETL, MIT, European universities and research institutions, key technology enterprises and utilities, and key technology suppliers are the main sources of this study. A vision of the technology deployment is presented.

Analysis and 2D Simulation of a Hexapod Robot Leg for Remote Exploration

A walking machine is a wheeled rover alternative, well suited for work in an unstructured environment and specially in abrupt terrain. They have some drawback like speed and power consumption, but they can achieve complex movements and protrude very little the environment they are working on. The locomotion system is determined by the terrain conditions and, in our case, this legged design has been chosen based in a working area like Rio Tinto in the South of Spain, which is a river area with abrupt terrain. A walking robot with so many degrees of freedom can be a challenge when dealing with the analysis and simulations of the legs. This paper shows how to deal with the kinematical analysis of the equations of a hexapod robot based on a design developed by the Center of Astrobiology INTA-CSIC following the classical formulation of equations

Fault Tolerance Analysis and Self-Healing Strategy of Autonomous, Evolvable Hardware Systems

This paper presents an analysis of the fault tolerance achieved by an autonomous, fully embedded evolvable hardware system, which uses a combination of partial dynamic reconfiguration and an evolutionary algorithm (EA). It demonstrates that the system may self-recover from both transient and cumulative permanent faults. This self-adaptive system, based on a 2D array of 16 (4×4) Processing Elements (PEs), is tested with an image filtering application. Results show that it may properly recover from faults in up to 3 PEs, that is, more than 18% cumulative permanent faults. Two fault models are used for testing purposes, at PE and CLB levels. Two self-healing strategies are also introduced, depending on whether fault diagnosis is available or not. They are based on scrubbing, fitness evaluation, dynamic partial reconfiguration and in-system evolutionary adaptation. Since most of these adaptability features are already available on the system for its normal operation, resource cost for self-healing is very low (only some code additions in the internal microprocessor core)