High Efficiency Envelope Amplifier based on a Ripple Cancellation Buck Converter. Design, Optimization and Integration in an EER RFPA

Durante los últimos años la tendencia en el sector de las telecomunicaciones ha sido un aumento y diversificación en la transmisión de voz, video y fundamentalmente de datos. Para conseguir alcanzar las tasas de transmisión requeridas, los nuevos estándares de comunicaciones requieren un mayor ancho de banda y tienen un mayor factor de pico, lo cual influye en el bajo rendimiento del amplificador de radiofrecuencia (RFPA). Otro factor que ha influido en el bajo rendimiento es el diseño del amplificador de radiofrecuencia. Tradicionalmente se han utilizado amplificadores lineales por su buen funcionamiento. Sin embargo, debido al elevado factor de pico de las señales transmitidas, el rendimiento de este tipo de amplificadores es bajo. El bajo rendimiento del sistema conlleva desventajas adicionales como el aumento del coste y del tamaño del sistema de refrigeración, como en el caso de una estación base, o como la reducción del tiempo de uso y un mayor calentamiento del equipo para sistemas portátiles alimentados con baterías. Debido a estos factores, se han desarrollado durante las últimas décadas varias soluciones para aumentar el rendimiento del RFPA como la técnica de Outphasing, combinadores de potencia o la técnica de Doherty. Estas soluciones mejoran las prestaciones del RFPA y en algún caso han sido ampliamente utilizados comercialmente como la técnica de Doherty, que alcanza rendimientos hasta del 50% para el sistema completo para anchos de banda de hasta 20MHz. Pese a las mejoras obtenidas con estas soluciones, los mayores rendimientos del sistema se obtienen para soluciones basadas en la modulación de la tensión de alimentación del amplificador de potencia como “Envelope Tracking” o “EER”. La técnica de seguimiento de envolvente o “Envelope Tracking” está basada en la modulación de la tensión de alimentación de un amplificador lineal de potencia para obtener una mejora en el rendimiento en el sistema comparado a una solución con una tensión de alimentación constante. Para la implementación de esta técnica se necesita una etapa adicional, el amplificador de envolvente, que añade complejidad al amplificador de radiofrecuencia. En un amplificador diseñado con esta técnica, se aumentan las pérdidas debido a la etapa adicional que supone el amplificador de envolvente pero a su vez disminuyen las pérdidas en el amplificador de potencia. Si el diseño se optimiza adecuadamente, puede conseguirse un aumento global en el rendimiento del sistema superior al conseguido con las técnicas mencionadas anteriormente. Esta técnica presenta ventajas en el diseño del amplificador de envolvente, ya que el ancho de banda requerido puede ser menor que el ancho de banda de la señal de envolvente si se optimiza adecuadamente el diseño. Adicionalmente, debido a que la sincronización entre la señal de envolvente y de fase no tiene que ser perfecta, el proceso de integración conlleva ciertas ventajas respecto a otras técnicas como EER. La técnica de eliminación y restauración de envolvente, llamada EER o técnica de Kahn está basada en modulación simultánea de la envolvente y la fase de la señal usando un amplificador de potencia conmutado, no lineal y que permite obtener un elevado rendimiento. Esta solución fue propuesta en el año 1952, pero no ha sido implementada con éxito durante muchos años debido a los exigentes requerimientos en cuanto a la sincronización entre fase y envolvente, a las técnicas de control y de corrección de los errores y no linealidades de cada una de las etapas así como de los equipos para poder implementar estas técnicas, que tienen unos requerimientos exigentes en capacidad de cálculo y procesamiento. Dentro del diseño de un RFPA, el amplificador de envolvente tiene una gran importancia debido a su influencia en el rendimiento y ancho de banda del sistema completo. Adicionalmente, la linealidad y la calidad de la señal de transmitida deben ser elevados para poder cumplir con los diferentes estándares de telecomunicaciones. Esta tesis se centra en el amplificador de envolvente y el objetivo principal es el desarrollo de soluciones que permitan el aumento del rendimiento total del sistema a la vez que satisfagan los requerimientos de ancho de banda, calidad de la señal transmitida y de linealidad. Debido al elevado rendimiento que potencialmente puede alcanzarse con la técnica de EER, esta técnica ha sido objeto de análisis y en el estado del arte pueden encontrarse numerosas referencias que analizan el diseño y proponen diversas implementaciones. En una clasificación de alto nivel, podemos agrupar las soluciones propuestas del amplificador de envolvente según estén compuestas de una o múltiples etapas. Las soluciones para el amplificador de envolvente en una configuración multietapa se basan en la combinación de un convertidor conmutado, de elevado rendimiento con un regulador lineal, de alto ancho de banda, en una combinación serie o paralelo. Estas soluciones, debido a la combinación de las características de ambas etapas, proporcionan un buen compromiso entre rendimiento y buen funcionamiento del amplificador de RF. Por otro lado, la complejidad del sistema aumenta debido al mayor número de componentes y de señales de control necesarias y el aumento de rendimiento que se consigue con estas soluciones es limitado. Una configuración en una etapa tiene las ventajas de una mayor simplicidad, pero debido al elevado ancho de banda necesario, la frecuencia de conmutación debe aumentarse en gran medida. Esto implicará un bajo rendimiento y un peor funcionamiento del amplificador de envolvente. En el estado del arte pueden encontrarse diversas soluciones para un amplificador de envolvente en una etapa, como aumentar la frecuencia de conmutación y realizar la implementación en un circuito integrado, que tendrá mejor funcionamiento a altas frecuencias o utilizar técnicas topológicas y/o filtros de orden elevado, que permiten una reducción de la frecuencia de conmutación. En esta tesis se propone de manera original el uso de la técnica de cancelación de rizado, aplicado al convertidor reductor síncrono, para reducir la frecuencia de conmutación comparado con diseño equivalente del convertidor reductor convencional. Adicionalmente se han desarrollado dos variantes topológicas basadas en esta solución para aumentar la robustez y las prestaciones de la misma. Otro punto de interés en el diseño de un RFPA es la dificultad de poder estimar la influencia de los parámetros de diseño del amplificador de envolvente en el amplificador final integrado. En esta tesis se ha abordado este problema y se ha desarrollado una herramienta de diseño que permite obtener las principales figuras de mérito del amplificador integrado para la técnica de EER a partir del diseño del amplificador de envolvente. Mediante el uso de esta herramienta pueden validarse el efecto del ancho de banda, el rizado de tensión de salida o las no linealidades del diseño del amplificador de envolvente para varias modulaciones digitales. Las principales contribuciones originales de esta tesis son las siguientes: La aplicación de la técnica de cancelación de rizado a un convertidor reductor síncrono para un amplificador de envolvente de alto rendimiento para un RFPA linealizado mediante la técnica de EER. Una reducción del 66% en la frecuencia de conmutación, comparado con el reductor convencional equivalente. Esta reducción se ha validado experimentalmente obteniéndose una mejora en el rendimiento de entre el 12.4% y el 16% para las especificaciones de este trabajo. La topología y el diseño del convertidor reductor con dos redes de cancelación de rizado en cascada para mejorar el funcionamiento y robustez de la solución con una red de cancelación. La combinación de un convertidor redactor multifase con la técnica de cancelación de rizado para obtener una topología que proporciona una reducción del cociente entre frecuencia de conmutación y ancho de banda de la señal. El proceso de optimización del control del amplificador de envolvente en lazo cerrado para mejorar el funcionamiento respecto a la solución en lazo abierto del convertidor reductor con red de cancelación de rizado. Una herramienta de simulación para optimizar el proceso de diseño del amplificador de envolvente mediante la estimación de las figuras de mérito del RFPA, implementado mediante EER, basada en el diseño del amplificador de envolvente. La integración y caracterización del amplificador de envolvente basado en un convertidor reductor con red de cancelación de rizado en el transmisor de radiofrecuencia completo consiguiendo un elevado rendimiento, entre 57% y 70.6% para potencias de salida de 14.4W y 40.7W respectivamente. Esta tesis se divide en seis capítulos. El primer capítulo aborda la introducción enfocada en la aplicación, los amplificadores de potencia de radiofrecuencia, así como los principales problemas, retos y soluciones existentes. En el capítulo dos se desarrolla el estado del arte de amplificadores de potencia de RF, describiéndose las principales técnicas de diseño, las causas de no linealidad y las técnicas de optimización. El capítulo tres está centrado en las soluciones propuestas para el amplificador de envolvente. El modo de control se ha abordado en este capítulo y se ha presentado una optimización del diseño en lazo cerrado para el convertidor reductor convencional y para el convertidor reductor con red de cancelación de rizado. El capítulo cuatro se centra en el proceso de diseño del amplificador de envolvente. Se ha desarrollado una herramienta de diseño para evaluar la influencia del amplificador de envolvente en las figuras de mérito del RFPA. En el capítulo cinco se presenta el proceso de integración realizado y las pruebas realizadas para las diversas modulaciones, así como la completa caracterización y análisis del amplificador de RF. El capítulo seis describe las principales conclusiones de la tesis y las líneas futuras. ABSTRACT The trend in the telecommunications sector during the last years follow a high increase in the transmission rate of voice, video and mainly in data. To achieve the required levels of data rates, the new modulation standards demand higher bandwidths and have a higher peak to average power ratio (PAPR). These specifications have a direct impact in the low efficiency of the RFPA. An additional factor for the low efficiency of the RFPA is in the power amplifier design. Traditionally, linear classes have been used for the implementation of the power amplifier as they comply with the technical requirements. However, they have a low efficiency, especially in the operating range of signals with a high PAPR. The low efficiency of the transmitter has additional disadvantages as an increase in the cost and size as the cooling system needs to be increased for a base station and a temperature increase and a lower use time for portable devices. Several solutions have been proposed in the state of the art to improve the efficiency of the transmitter as Outphasing, power combiners or Doherty technique. However, the highest potential of efficiency improvement can be obtained using a modulated power supply for the power amplifier, as in the Envelope Tracking and EER techniques. The Envelope Tracking technique is based on the modulation of the power supply of a linear power amplifier to improve the overall efficiency compared to a fixed voltage supply. In the implementation of this technique an additional stage is needed, the envelope amplifier, that will increase the complexity of the RFPA. However, the efficiency of the linear power amplifier will increase and, if designed properly, the RFPA efficiency will be improved. The advantages of this technique are that the envelope amplifier design does not require such a high bandwidth as the envelope signal and that in the integration process a perfect synchronization between envelope and phase is not required. The Envelope Elimination and Restoration (EER) technique, known also as Kahn’s technique, is based on the simultaneous modulation of envelope and phase using a high efficiency switched power amplifier. This solution has the highest potential in terms of the efficiency improvement but also has the most challenging specifications. This solution, proposed in 1952, has not been successfully implemented until the last two decades due to the high demanding requirements for each of the stages as well as for the highly demanding processing and computation capabilities needed. At the system level, a very precise synchronization is required between the envelope and phase paths to avoid a linearity decrease of the system. Several techniques are used to compensate the non-linear effects in amplitude and phase and to improve the rejection of the out of band noise as predistortion, feedback and feed-forward. In order to obtain a high bandwidth and efficient RFPA using either ET or EER, the envelope amplifier stage will have a critical importance. The requirements for this stage are very demanding in terms of bandwidth, linearity and quality of the transmitted signal. Additionally the efficiency should be as high as possible, as the envelope amplifier has a direct impact in the efficiency of the overall system. This thesis is focused on the envelope amplifier stage and the main objective will be the development of high efficiency envelope amplifier solutions that comply with the requirements of the RFPA application. The design and optimization of an envelope amplifier for a RFPA application is a highly referenced research topic, and many solutions that address the envelope amplifier and the RFPA design and optimization can be found in the state of the art. From a high level classification, multiple and single stage envelope amplifiers can be identified. Envelope amplifiers for EER based on multiple stage architecture combine a linear assisted stage and a switched-mode stage, either in a series or parallel configuration, to achieve a very high performance RFPA. However, the complexity of the system increases and the efficiency improvement is limited. A single-stage envelope amplifier has the advantage of a lower complexity but in order to achieve the required bandwidth the switching frequency has to be highly increased, and therefore the performance and the efficiency are degraded. Several techniques are used to overcome this limitation, as the design of integrated circuits that are capable of switching at very high rates or the use of topological solutions, high order filters or a combination of both to reduce the switching frequency requirements. In this thesis it is originally proposed the use of the ripple cancellation technique, applied to a synchronous buck converter, to reduce the switching frequency requirements compared to a conventional buck converter for an envelope amplifier application. Three original proposals for the envelope amplifier stage, based on the ripple cancellation technique, are presented and one of the solutions has been experimentally validated and integrated in the complete amplifier, showing a high total efficiency increase compared to other solutions of the state of the art. Additionally, the proposed envelope amplifier has been integrated in the complete RFPA achieving a high total efficiency. The design process optimization has also been analyzed in this thesis. Due to the different figures of merit between the envelope amplifier and the complete RFPA it is very difficult to obtain an optimized design for the envelope amplifier. To reduce the design uncertainties, a design tool has been developed to provide an estimation of the RFPA figures of merit based on the design of the envelope amplifier. The main contributions of this thesis are: The application of the ripple cancellation technique to a synchronous buck converter for an envelope amplifier application to achieve a high efficiency and high bandwidth EER RFPA. A 66% reduction of the switching frequency, validated experimentally, compared to the equivalent conventional buck converter. This reduction has been reflected in an improvement in the efficiency between 12.4% and 16%, validated for the specifications of this work. The synchronous buck converter with two cascaded ripple cancellation networks (RCNs) topology and design to improve the robustness and the performance of the envelope amplifier. The combination of a phase-shifted multi-phase buck converter with the ripple cancellation technique to improve the envelope amplifier switching frequency to signal bandwidth ratio. The optimization of the control loop of an envelope amplifier to improve the performance of the open loop design for the conventional and ripple cancellation buck converter. A simulation tool to optimize the envelope amplifier design process. Using the envelope amplifier design as the input data, the main figures of merit of the complete RFPA for an EER application are obtained for several digital modulations. The successful integration of the envelope amplifier based on a RCN buck converter in the complete RFPA obtaining a high efficiency integrated amplifier. The efficiency obtained is between 57% and 70.6% for an output power of 14.4W and 40.7W respectively. The main figures of merit for the different modulations have been characterized and analyzed. This thesis is organized in six chapters. In Chapter 1 is provided an introduction of the RFPA application, where the main problems, challenges and solutions are described. In Chapter 2 the technical background for radiofrequency power amplifiers (RF) is presented. The main techniques to implement an RFPA are described and analyzed. The state of the art techniques to improve performance of the RFPA are identified as well as the main sources of no-linearities for the RFPA. Chapter 3 is focused on the envelope amplifier stage. The three different solutions proposed originally in this thesis for the envelope amplifier are presented and analyzed. The control stage design is analyzed and an optimization is proposed both for the conventional and the RCN buck converter. Chapter 4 is focused in the design and optimization process of the envelope amplifier and a design tool to evaluate the envelope amplifier design impact in the RFPA is presented. Chapter 5 shows the integration process of the complete amplifier. Chapter 6 addresses the main conclusions of the thesis and the future work.

Multidisciplinary Design Optimization Application to Conceptual Design of University-class Microsatellite Projects

Esta tesis se ha realizado en el contexto del proyecto UPMSat-2, que es un microsatélite diseñado, construido y operado por el Instituto Universitario de Microgravedad "Ignacio Da Riva" (IDR / UPM) de la Universidad Politécnica de Madrid. Aplicación de la metodología Ingeniería Concurrente (Concurrent Engineering: CE) en el marco de la aplicación de diseño multidisciplinar (Multidisciplinary Design Optimization: MDO) es uno de los principales objetivos del presente trabajo. En los últimos años, ha habido un interés continuo en la participación de los grupos de investigación de las universidades en los estudios de la tecnología espacial a través de sus propios microsatélites. La participación en este tipo de proyectos tiene algunos desafíos inherentes, tales como presupuestos y servicios limitados. Además, debido al hecho de que el objetivo principal de estos proyectos es fundamentalmente educativo, por lo general hay incertidumbres en cuanto a su misión en órbita y cargas útiles en las primeras fases del proyecto. Por otro lado, existen limitaciones predeterminadas para sus presupuestos de masa, volumen y energía, debido al hecho de que la mayoría de ellos están considerados como una carga útil auxiliar para el lanzamiento. De este modo, el costo de lanzamiento se reduce considerablemente. En este contexto, el subsistema estructural del satélite es uno de los más afectados por las restricciones que impone el lanzador. Esto puede afectar a diferentes aspectos, incluyendo las dimensiones, la resistencia y los requisitos de frecuencia. En la primera parte de esta tesis, la atención se centra en el desarrollo de una herramienta de diseño del subsistema estructural que evalúa, no sólo las propiedades de la estructura primaria como variables, sino también algunas variables de nivel de sistema del satélite, como la masa de la carga útil y la masa y las dimensiones extremas de satélite. Este enfoque permite que el equipo de diseño obtenga una mejor visión del diseño en un espacio de diseño extendido. La herramienta de diseño estructural se basa en las fórmulas y los supuestos apropiados, incluyendo los modelos estáticos y dinámicos del satélite. Un algoritmo genético (Genetic Algorithm: GA) se aplica al espacio de diseño para optimizaciones de objetivo único y también multiobjetivo. El resultado de la optimización multiobjetivo es un Pareto-optimal basado en dos objetivo, la masa total de satélites mínimo y el máximo presupuesto de masa de carga útil. Por otro lado, la aplicación de los microsatélites en misiones espaciales es de interés por su menor coste y tiempo de desarrollo. La gran necesidad de las aplicaciones de teledetección es un fuerte impulsor de su popularidad en este tipo de misiones espaciales. Las misiones de tele-observación por satélite son esenciales para la investigación de los recursos de la tierra y el medio ambiente. En estas misiones existen interrelaciones estrechas entre diferentes requisitos como la altitud orbital, tiempo de revisita, el ciclo de vida y la resolución. Además, todos estos requisitos puede afectar a toda las características de diseño. Durante los últimos años la aplicación de CE en las misiones espaciales ha demostrado una gran ventaja para llegar al diseño óptimo, teniendo en cuenta tanto el rendimiento y el costo del proyecto. Un ejemplo bien conocido de la aplicación de CE es la CDF (Facilidad Diseño Concurrente) de la ESA (Agencia Espacial Europea). Está claro que para los proyectos de microsatélites universitarios tener o desarrollar una instalación de este tipo parece estar más allá de las capacidades del proyecto. Sin embargo, la práctica de la CE a cualquier escala puede ser beneficiosa para los microsatélites universitarios también. En la segunda parte de esta tesis, la atención se centra en el desarrollo de una estructura de optimización de diseño multidisciplinar (Multidisciplinary Design Optimization: MDO) aplicable a la fase de diseño conceptual de microsatélites de teledetección. Este enfoque permite que el equipo de diseño conozca la interacción entre las diferentes variables de diseño. El esquema MDO presentado no sólo incluye variables de nivel de sistema, tales como la masa total del satélite y la potencia total, sino también los requisitos de la misión como la resolución y tiempo de revisita. El proceso de diseño de microsatélites se divide en tres disciplinas; a) diseño de órbita, b) diseño de carga útil y c) diseño de plataforma. En primer lugar, se calculan diferentes parámetros de misión para un rango práctico de órbitas helio-síncronas (sun-synchronous orbits: SS-Os). Luego, según los parámetros orbitales y los datos de un instrumento como referencia, se calcula la masa y la potencia de la carga útil. El diseño de la plataforma del satélite se estima a partir de los datos de la masa y potencia de los diferentes subsistemas utilizando relaciones empíricas de diseño. El diseño del subsistema de potencia se realiza teniendo en cuenta variables de diseño más detalladas, como el escenario de la misión y diferentes tipos de células solares y baterías. El escenario se selecciona, de modo de obtener una banda de cobertura sobre la superficie terrestre paralelo al Ecuador después de cada intervalo de revisita. Con el objetivo de evaluar las interrelaciones entre las diferentes variables en el espacio de diseño, todas las disciplinas de diseño mencionados se combinan en un código unificado. Por último, una forma básica de MDO se ajusta a la herramienta de diseño de sistema de satélite. La optimización del diseño se realiza por medio de un GA con el único objetivo de minimizar la masa total de microsatélite. Según los resultados obtenidos de la aplicación del MDO, existen diferentes puntos de diseños óptimos, pero con diferentes variables de misión. Este análisis demuestra la aplicabilidad de MDO para los estudios de ingeniería de sistema en la fase de diseño conceptual en este tipo de proyectos. La principal conclusión de esta tesis, es que el diseño clásico de los satélites que por lo general comienza con la definición de la misión y la carga útil no es necesariamente la mejor metodología para todos los proyectos de satélites. Un microsatélite universitario, es un ejemplo de este tipo de proyectos. Por eso, se han desarrollado un conjunto de herramientas de diseño para encarar los estudios de la fase inicial de diseño. Este conjunto de herramientas incluye diferentes disciplinas de diseño centrados en el subsistema estructural y teniendo en cuenta una carga útil desconocida a priori. Los resultados demuestran que la mínima masa total del satélite y la máxima masa disponible para una carga útil desconocida a priori, son objetivos conflictivos. En este contexto para encontrar un Pareto-optimal se ha aplicado una optimización multiobjetivo. Según los resultados se concluye que la selección de la masa total por satélite en el rango de 40-60 kg puede considerarse como óptima para un proyecto de microsatélites universitario con carga útil desconocida a priori. También la metodología CE se ha aplicado al proceso de diseño conceptual de microsatélites de teledetección. Los resultados de la aplicación del CE proporcionan una clara comprensión de la interacción entre los requisitos de diseño de sistemas de satélites, tales como la masa total del microsatélite y la potencia y los requisitos de la misión como la resolución y el tiempo de revisita. La aplicación de MDO se hace con la minimización de la masa total de microsatélite. Los resultados de la aplicación de MDO aclaran la relación clara entre los diferentes requisitos de diseño del sistema y de misión, así como que permiten seleccionar las líneas de base para el diseño óptimo con el objetivo seleccionado en las primeras fase de diseño. ABSTRACT This thesis is done in the context of UPMSat-2 project, which is a microsatellite under design and manufacturing at the Instituto Universitario de Microgravedad “Ignacio Da Riva” (IDR/UPM) of the Universidad Politécnica de Madrid. Application of Concurrent Engineering (CE) methodology in the framework of Multidisciplinary Design application (MDO) is one of the main objectives of the present work. In recent years, there has been continuing interest in the participation of university research groups in space technology studies by means of their own microsatellites. The involvement in such projects has some inherent challenges, such as limited budget and facilities. Also, due to the fact that the main objective of these projects is for educational purposes, usually there are uncertainties regarding their in orbit mission and scientific payloads at the early phases of the project. On the other hand, there are predetermined limitations for their mass and volume budgets owing to the fact that most of them are launched as an auxiliary payload in which the launch cost is reduced considerably. The satellite structure subsystem is the one which is most affected by the launcher constraints. This can affect different aspects, including dimensions, strength and frequency requirements. In the first part of this thesis, the main focus is on developing a structural design sizing tool containing not only the primary structures properties as variables but also the satellite system level variables such as payload mass budget and satellite total mass and dimensions. This approach enables the design team to obtain better insight into the design in an extended design envelope. The structural design sizing tool is based on the analytical structural design formulas and appropriate assumptions including both static and dynamic models of the satellite. A Genetic Algorithm (GA) is applied to the design space for both single and multiobejective optimizations. The result of the multiobjective optimization is a Pareto-optimal based on two objectives, minimum satellite total mass and maximum payload mass budget. On the other hand, the application of the microsatellites is of interest for their less cost and response time. The high need for the remote sensing applications is a strong driver of their popularity in space missions. The satellite remote sensing missions are essential for long term research around the condition of the earth resources and environment. In remote sensing missions there are tight interrelations between different requirements such as orbital altitude, revisit time, mission cycle life and spatial resolution. Also, all of these requirements can affect the whole design characteristics. During the last years application of the CE in the space missions has demonstrated a great advantage to reach the optimum design base lines considering both the performance and the cost of the project. A well-known example of CE application is ESA (European Space Agency) CDF (Concurrent Design Facility). It is clear that for the university-class microsatellite projects having or developing such a facility seems beyond the project capabilities. Nevertheless practicing CE at any scale can be beneficiary for the university-class microsatellite projects. In the second part of this thesis, the main focus is on developing a MDO framework applicable to the conceptual design phase of the remote sensing microsatellites. This approach enables the design team to evaluate the interaction between the different system design variables. The presented MDO framework contains not only the system level variables such as the satellite total mass and total power, but also the mission requirements like the spatial resolution and the revisit time. The microsatellite sizing process is divided into the three major design disciplines; a) orbit design, b) payload sizing and c) bus sizing. First, different mission parameters for a practical range of sun-synchronous orbits (SS-Os) are calculated. Then, according to the orbital parameters and a reference remote sensing instrument, mass and power of the payload are calculated. Satellite bus sizing is done based on mass and power calculation of the different subsystems using design estimation relationships. In the satellite bus sizing, the power subsystem design is realized by considering more detailed design variables including a mission scenario and different types of solar cells and batteries. The mission scenario is selected in order to obtain a coverage belt on the earth surface parallel to the earth equatorial after each revisit time. In order to evaluate the interrelations between the different variables inside the design space all the mentioned design disciplines are combined in a unified code. The integrated satellite system sizing tool developed in this section is considered as an application of the CE to the conceptual design of the remote sensing microsatellite projects. Finally, in order to apply the MDO methodology to the design problem, a basic MDO framework is adjusted to the developed satellite system design tool. Design optimization is done by means of a GA single objective algorithm with the objective function as minimizing the microsatellite total mass. According to the results of MDO application, there exist different optimum design points all with the minimum satellite total mass but with different mission variables. This output demonstrates the successful applicability of MDO approach for system engineering trade-off studies at the conceptual design phase of the design in such projects. The main conclusion of this thesis is that the classical design approach for the satellite design which usually starts with the mission and payload definition is not necessarily the best approach for all of the satellite projects. The university-class microsatellite is an example for such projects. Due to this fact an integrated satellite sizing tool including different design disciplines focusing on the structural subsystem and considering unknown payload is developed. According to the results the satellite total mass and available mass for the unknown payload are conflictive objectives. In order to find the Pareto-optimal a multiobjective GA optimization is conducted. Based on the optimization results it is concluded that selecting the satellite total mass in the range of 40-60 kg can be considered as an optimum approach for a university-class microsatellite project with unknown payload(s). Also, the CE methodology is applied to the remote sensing microsatellites conceptual design process. The results of CE application provide a clear understanding of the interaction between satellite system design requirements such as satellite total mass and power and the satellite mission variables such as revisit time and spatial resolution. The MDO application is done with the total mass minimization of a remote sensing satellite. The results from the MDO application clarify the unclear relationship between different system and mission design variables as well as the optimum design base lines according to the selected objective during the initial design phases.

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.

A simulation method to estimate closing forces in car-sealing rubber elements

The door-closing process can reinforce the impression of a solid, rock-proof, car body or of a rather cheap, flimsy vehicle. As there are no real prototypes during rubber profile bidding-out stages, engineers need to carry out non-linear numerical simulations that involve complex phenomena as well as static and dynamic loads for several profile candidates. This paper presents a structured virtual design tool based on FEM, including constitutive laws and incompressibility constraints allowing to predict more realistically the final closing forces and even to estimate sealing overpressure as an additional guarantee of noise insulation. Comparisons with results of physical tests are performed.

Run-Time Scalable Hardware for Reconfigurable Systems

La optimización de parámetros tales como el consumo de potencia, la cantidad de recursos lógicos empleados o la ocupación de memoria ha sido siempre una de las preocupaciones principales a la hora de diseñar sistemas embebidos. Esto es debido a que se trata de sistemas dotados de una cantidad de recursos limitados, y que han sido tradicionalmente empleados para un propósito específico, que permanece invariable a lo largo de toda la vida útil del sistema. Sin embargo, el uso de sistemas embebidos se ha extendido a áreas de aplicación fuera de su ámbito tradicional, caracterizadas por una mayor demanda computacional. Así, por ejemplo, algunos de estos sistemas deben llevar a cabo un intenso procesado de señales multimedia o la transmisión de datos mediante sistemas de comunicaciones de alta capacidad. Por otra parte, las condiciones de operación del sistema pueden variar en tiempo real. Esto sucede, por ejemplo, si su funcionamiento depende de datos medidos por el propio sistema o recibidos a través de la red, de las demandas del usuario en cada momento, o de condiciones internas del propio dispositivo, tales como la duración de la batería. Como consecuencia de la existencia de requisitos de operación dinámicos es necesario ir hacia una gestión dinámica de los recursos del sistema. Si bien el software es inherentemente flexible, no ofrece una potencia computacional tan alta como el hardware. Por lo tanto, el hardware reconfigurable aparece como una solución adecuada para tratar con mayor flexibilidad los requisitos variables dinámicamente en sistemas con alta demanda computacional. La flexibilidad y adaptabilidad del hardware requieren de dispositivos reconfigurables que permitan la modificación de su funcionalidad bajo demanda. En esta tesis se han seleccionado las FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) como los dispositivos más apropiados, hoy en día, para implementar sistemas basados en hardware reconfigurable De entre todas las posibilidades existentes para explotar la capacidad de reconfiguración de las FPGAs comerciales, se ha seleccionado la reconfiguración dinámica y parcial. Esta técnica consiste en substituir una parte de la lógica del dispositivo, mientras el resto continúa en funcionamiento. La capacidad de reconfiguración dinámica y parcial de las FPGAs es empleada en esta tesis para tratar con los requisitos de flexibilidad y de capacidad computacional que demandan los dispositivos embebidos. La propuesta principal de esta tesis doctoral es el uso de arquitecturas de procesamiento escalables espacialmente, que son capaces de adaptar su funcionalidad y rendimiento en tiempo real, estableciendo un compromiso entre dichos parámetros y la cantidad de lógica que ocupan en el dispositivo. A esto nos referimos con arquitecturas con huellas escalables. En particular, se propone el uso de arquitecturas altamente paralelas, modulares, regulares y con una alta localidad en sus comunicaciones, para este propósito. El tamaño de dichas arquitecturas puede ser modificado mediante la adición o eliminación de algunos de los módulos que las componen, tanto en una dimensión como en dos. Esta estrategia permite implementar soluciones escalables, sin tener que contar con una versión de las mismas para cada uno de los tamaños posibles de la arquitectura. De esta manera se reduce significativamente el tiempo necesario para modificar su tamaño, así como la cantidad de memoria necesaria para almacenar todos los archivos de configuración. En lugar de proponer arquitecturas para aplicaciones específicas, se ha optado por patrones de procesamiento genéricos, que pueden ser ajustados para solucionar distintos problemas en el estado del arte. A este respecto, se proponen patrones basados en esquemas sistólicos, así como de tipo wavefront. Con el objeto de poder ofrecer una solución integral, se han tratado otros aspectos relacionados con el diseño y el funcionamiento de las arquitecturas, tales como el control del proceso de reconfiguración de la FPGA, la integración de las arquitecturas en el resto del sistema, así como las técnicas necesarias para su implementación. Por lo que respecta a la implementación, se han tratado distintos aspectos de bajo nivel dependientes del dispositivo. Algunas de las propuestas realizadas a este respecto en la presente tesis doctoral son un router que es capaz de garantizar el correcto rutado de los módulos reconfigurables dentro del área destinada para ellos, así como una estrategia para la comunicación entre módulos que no introduce ningún retardo ni necesita emplear recursos configurables del dispositivo. El flujo de diseño propuesto se ha automatizado mediante una herramienta denominada DREAMS. La herramienta se encarga de la modificación de las netlists correspondientes a cada uno de los módulos reconfigurables del sistema, y que han sido generadas previamente mediante herramientas comerciales. Por lo tanto, el flujo propuesto se entiende como una etapa de post-procesamiento, que adapta esas netlists a los requisitos de la reconfiguración dinámica y parcial. Dicha modificación la lleva a cabo la herramienta de una forma completamente automática, por lo que la productividad del proceso de diseño aumenta de forma evidente. Para facilitar dicho proceso, se ha dotado a la herramienta de una interfaz gráfica. El flujo de diseño propuesto, y la herramienta que lo soporta, tienen características específicas para abordar el diseño de las arquitecturas dinámicamente escalables propuestas en esta tesis. Entre ellas está el soporte para el realojamiento de módulos reconfigurables en posiciones del dispositivo distintas a donde el módulo es originalmente implementado, así como la generación de estructuras de comunicación compatibles con la simetría de la arquitectura. El router has sido empleado también en esta tesis para obtener un rutado simétrico entre nets equivalentes. Dicha posibilidad ha sido explotada para aumentar la protección de circuitos con altos requisitos de seguridad, frente a ataques de canal lateral, mediante la implantación de lógica complementaria con rutado idéntico. Para controlar el proceso de reconfiguración de la FPGA, se propone en esta tesis un motor de reconfiguración especialmente adaptado a los requisitos de las arquitecturas dinámicamente escalables. Además de controlar el puerto de reconfiguración, el motor de reconfiguración ha sido dotado de la capacidad de realojar módulos reconfigurables en posiciones arbitrarias del dispositivo, en tiempo real. De esta forma, basta con generar un único bitstream por cada módulo reconfigurable del sistema, independientemente de la posición donde va a ser finalmente reconfigurado. La estrategia seguida para implementar el proceso de realojamiento de módulos es diferente de las propuestas existentes en el estado del arte, pues consiste en la composición de los archivos de configuración en tiempo real. De esta forma se consigue aumentar la velocidad del proceso, mientras que se reduce la longitud de los archivos de configuración parciales a almacenar en el sistema. El motor de reconfiguración soporta módulos reconfigurables con una altura menor que la altura de una región de reloj del dispositivo. Internamente, el motor se encarga de la combinación de los frames que describen el nuevo módulo, con la configuración existente en el dispositivo previamente. El escalado de las arquitecturas de procesamiento propuestas en esta tesis también se puede beneficiar de este mecanismo. Se ha incorporado también un acceso directo a una memoria externa donde se pueden almacenar bitstreams parciales. Para acelerar el proceso de reconfiguración se ha hecho funcionar el ICAP por encima de la máxima frecuencia de reloj aconsejada por el fabricante. Así, en el caso de Virtex-5, aunque la máxima frecuencia del reloj deberían ser 100 MHz, se ha conseguido hacer funcionar el puerto de reconfiguración a frecuencias de operación de hasta 250 MHz, incluyendo el proceso de realojamiento en tiempo real. Se ha previsto la posibilidad de portar el motor de reconfiguración a futuras familias de FPGAs. Por otro lado, el motor de reconfiguración se puede emplear para inyectar fallos en el propio dispositivo hardware, y así ser capaces de evaluar la tolerancia ante los mismos que ofrecen las arquitecturas reconfigurables. Los fallos son emulados mediante la generación de archivos de configuración a los que intencionadamente se les ha introducido un error, de forma que se modifica su funcionalidad. Con el objetivo de comprobar la validez y los beneficios de las arquitecturas propuestas en esta tesis, se han seguido dos líneas principales de aplicación. En primer lugar, se propone su uso como parte de una plataforma adaptativa basada en hardware evolutivo, con capacidad de escalabilidad, adaptabilidad y recuperación ante fallos. En segundo lugar, se ha desarrollado un deblocking filter escalable, adaptado a la codificación de vídeo escalable, como ejemplo de aplicación de las arquitecturas de tipo wavefront propuestas. El hardware evolutivo consiste en el uso de algoritmos evolutivos para diseñar hardware de forma autónoma, explotando la flexibilidad que ofrecen los dispositivos reconfigurables. En este caso, los elementos de procesamiento que componen la arquitectura son seleccionados de una biblioteca de elementos presintetizados, de acuerdo con las decisiones tomadas por el algoritmo evolutivo, en lugar de definir la configuración de las mismas en tiempo de diseño. De esta manera, la configuración del core puede cambiar cuando lo hacen las condiciones del entorno, en tiempo real, por lo que se consigue un control autónomo del proceso de reconfiguración dinámico. Así, el sistema es capaz de optimizar, de forma autónoma, su propia configuración. El hardware evolutivo tiene una capacidad inherente de auto-reparación. Se ha probado que las arquitecturas evolutivas propuestas en esta tesis son tolerantes ante fallos, tanto transitorios, como permanentes y acumulativos. La plataforma evolutiva se ha empleado para implementar filtros de eliminación de ruido. La escalabilidad también ha sido aprovechada en esta aplicación. Las arquitecturas evolutivas escalables permiten la adaptación autónoma de los cores de procesamiento ante fluctuaciones en la cantidad de recursos disponibles en el sistema. Por lo tanto, constituyen un ejemplo de escalabilidad dinámica para conseguir un determinado nivel de calidad, que puede variar en tiempo real. Se han propuesto dos variantes de sistemas escalables evolutivos. El primero consiste en un único core de procesamiento evolutivo, mientras que el segundo está formado por un número variable de arrays de procesamiento. La codificación de vídeo escalable, a diferencia de los codecs no escalables, permite la decodificación de secuencias de vídeo con diferentes niveles de calidad, de resolución temporal o de resolución espacial, descartando la información no deseada. Existen distintos algoritmos que soportan esta característica. En particular, se va a emplear el estándar Scalable Video Coding (SVC), que ha sido propuesto como una extensión de H.264/AVC, ya que este último es ampliamente utilizado tanto en la industria, como a nivel de investigación. Para poder explotar toda la flexibilidad que ofrece el estándar, hay que permitir la adaptación de las características del decodificador en tiempo real. El uso de las arquitecturas dinámicamente escalables es propuesto en esta tesis con este objetivo. El deblocking filter es un algoritmo que tiene como objetivo la mejora de la percepción visual de la imagen reconstruida, mediante el suavizado de los "artefactos" de bloque generados en el lazo del codificador. Se trata de una de las tareas más intensivas en procesamiento de datos de H.264/AVC y de SVC, y además, su carga computacional es altamente dependiente del nivel de escalabilidad seleccionado en el decodificador. Por lo tanto, el deblocking filter ha sido seleccionado como prueba de concepto de la aplicación de las arquitecturas dinámicamente escalables para la compresión de video. La arquitectura propuesta permite añadir o eliminar unidades de computación, siguiendo un esquema de tipo wavefront. La arquitectura ha sido propuesta conjuntamente con un esquema de procesamiento en paralelo del deblocking filter a nivel de macrobloque, de tal forma que cuando se varía del tamaño de la arquitectura, el orden de filtrado de los macrobloques varia de la misma manera. El patrón propuesto se basa en la división del procesamiento de cada macrobloque en dos etapas independientes, que se corresponden con el filtrado horizontal y vertical de los bloques dentro del macrobloque. Las principales contribuciones originales de esta tesis son las siguientes: - El uso de arquitecturas altamente regulares, modulares, paralelas y con una intensa localidad en sus comunicaciones, para implementar cores de procesamiento dinámicamente reconfigurables. - El uso de arquitecturas bidimensionales, en forma de malla, para construir arquitecturas dinámicamente escalables, con una huella escalable. De esta forma, las arquitecturas permiten establecer un compromiso entre el área que ocupan en el dispositivo, y las prestaciones que ofrecen en cada momento. Se proponen plantillas de procesamiento genéricas, de tipo sistólico o wavefront, que pueden ser adaptadas a distintos problemas de procesamiento. - Un flujo de diseño y una herramienta que lo soporta, para el diseño de sistemas reconfigurables dinámicamente, centradas en el diseño de las arquitecturas altamente paralelas, modulares y regulares propuestas en esta tesis. - Un esquema de comunicaciones entre módulos reconfigurables que no introduce ningún retardo ni requiere el uso de recursos lógicos propios. - Un router flexible, capaz de resolver los conflictos de rutado asociados con el diseño de sistemas reconfigurables dinámicamente. - Un algoritmo de optimización para sistemas formados por múltiples cores escalables que optimice, mediante un algoritmo genético, los parámetros de dicho sistema. Se basa en un modelo conocido como el problema de la mochila. - Un motor de reconfiguración adaptado a los requisitos de las arquitecturas altamente regulares y modulares. Combina una alta velocidad de reconfiguración, con la capacidad de realojar módulos en tiempo real, incluyendo el soporte para la reconfiguración de regiones que ocupan menos que una región de reloj, así como la réplica de un módulo reconfigurable en múltiples posiciones del dispositivo. - Un mecanismo de inyección de fallos que, empleando el motor de reconfiguración del sistema, permite evaluar los efectos de fallos permanentes y transitorios en arquitecturas reconfigurables. - La demostración de las posibilidades de las arquitecturas propuestas en esta tesis para la implementación de sistemas de hardware evolutivos, con una alta capacidad de procesamiento de datos. - La implementación de sistemas de hardware evolutivo escalables, que son capaces de tratar con la fluctuación de la cantidad de recursos disponibles en el sistema, de una forma autónoma. - Una estrategia de procesamiento en paralelo para el deblocking filter compatible con los estándares H.264/AVC y SVC que reduce el número de ciclos de macrobloque necesarios para procesar un frame de video. - Una arquitectura dinámicamente escalable que permite la implementación de un nuevo deblocking filter, totalmente compatible con los estándares H.264/AVC y SVC, que explota el paralelismo a nivel de macrobloque. El presente documento se organiza en siete capítulos. En el primero se ofrece una introducción al marco tecnológico de esta tesis, especialmente centrado en la reconfiguración dinámica y parcial de FPGAs. También se motiva la necesidad de las arquitecturas dinámicamente escalables propuestas en esta tesis. En el capítulo 2 se describen las arquitecturas dinámicamente escalables. Dicha descripción incluye la mayor parte de las aportaciones a nivel arquitectural realizadas en esta tesis. Por su parte, el flujo de diseño adaptado a dichas arquitecturas se propone en el capítulo 3. El motor de reconfiguración se propone en el 4, mientras que el uso de dichas arquitecturas para implementar sistemas de hardware evolutivo se aborda en el 5. El deblocking filter escalable se describe en el 6, mientras que las conclusiones finales de esta tesis, así como la descripción del trabajo futuro, son abordadas en el capítulo 7. ABSTRACT The optimization of system parameters, such as power dissipation, the amount of hardware resources and the memory footprint, has been always a main concern when dealing with the design of resource-constrained embedded systems. This situation is even more demanding nowadays. Embedded systems cannot anymore be considered only as specific-purpose computers, designed for a particular functionality that remains unchanged during their lifetime. Differently, embedded systems are now required to deal with more demanding and complex functions, such as multimedia data processing and high-throughput connectivity. In addition, system operation may depend on external data, the user requirements or internal variables of the system, such as the battery life-time. All these conditions may vary at run-time, leading to adaptive scenarios. As a consequence of both the growing computational complexity and the existence of dynamic requirements, dynamic resource management techniques for embedded systems are needed. Software is inherently flexible, but it cannot meet the computing power offered by hardware solutions. Therefore, reconfigurable hardware emerges as a suitable technology to deal with the run-time variable requirements of complex embedded systems. Adaptive hardware requires the use of reconfigurable devices, where its functionality can be modified on demand. In this thesis, Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) have been selected as the most appropriate commercial technology existing nowadays to implement adaptive hardware systems. There are different ways of exploiting reconfigurability in reconfigurable devices. Among them is dynamic and partial reconfiguration. This is a technique which consists in substituting part of the FPGA logic on demand, while the rest of the device continues working. The strategy followed in this thesis is to exploit the dynamic and partial reconfiguration of commercial FPGAs to deal with the flexibility and complexity demands of state-of-the-art embedded systems. The proposal of this thesis to deal with run-time variable system conditions is the use of spatially scalable processing hardware IP cores, which are able to adapt their functionality or performance at run-time, trading them off with the amount of logic resources they occupy in the device. This is referred to as a scalable footprint in the context of this thesis. The distinguishing characteristic of the proposed cores is that they rely on highly parallel, modular and regular architectures, arranged in one or two dimensions. These architectures can be scaled by means of the addition or removal of the composing blocks. This strategy avoids implementing a full version of the core for each possible size, with the corresponding benefits in terms of scaling and adaptation time, as well as bitstream storage memory requirements. Instead of providing specific-purpose architectures, generic architectural templates, which can be tuned to solve different problems, are proposed in this thesis. Architectures following both systolic and wavefront templates have been selected. Together with the proposed scalable architectural templates, other issues needed to ensure the proper design and operation of the scalable cores, such as the device reconfiguration control, the run-time management of the architecture and the implementation techniques have been also addressed in this thesis. With regard to the implementation of dynamically reconfigurable architectures, device dependent low-level details are addressed. Some of the aspects covered in this thesis are the area constrained routing for reconfigurable modules, or an inter-module communication strategy which does not introduce either extra delay or logic overhead. The system implementation, from the hardware description to the device configuration bitstream, has been fully automated by modifying the netlists corresponding to each of the system modules, which are previously generated using the vendor tools. This modification is therefore envisaged as a post-processing step. Based on these implementation proposals, a design tool called DREAMS (Dynamically Reconfigurable Embedded and Modular Systems) has been created, including a graphic user interface. The tool has specific features to cope with modular and regular architectures, including the support for module relocation and the inter-module communications scheme based on the symmetry of the architecture. The core of the tool is a custom router, which has been also exploited in this thesis to obtain symmetric routed nets, with the aim of enhancing the protection of critical reconfigurable circuits against side channel attacks. This is achieved by duplicating the logic with an exactly equal routing. In order to control the reconfiguration process of the FPGA, a Reconfiguration Engine suited to the specific requirements set by the proposed architectures was also proposed. Therefore, in addition to controlling the reconfiguration port, the Reconfiguration Engine has been enhanced with the online relocation ability, which allows employing a unique configuration bitstream for all the positions where the module may be placed in the device. Differently to the existing relocating solutions, which are based on bitstream parsers, the proposed approach is based on the online composition of bitstreams. This strategy allows increasing the speed of the process, while the length of partial bitstreams is also reduced. The height of the reconfigurable modules can be lower than the height of a clock region. The Reconfiguration Engine manages the merging process of the new and the existing configuration frames within each clock region. The process of scaling up and down the hardware cores also benefits from this technique. A direct link to an external memory where partial bitstreams can be stored has been also implemented. In order to accelerate the reconfiguration process, the ICAP has been overclocked over the speed reported by the manufacturer. In the case of Virtex-5, even though the maximum frequency of the ICAP is reported to be 100 MHz, valid operations at 250 MHz have been achieved, including the online relocation process. Portability of the reconfiguration solution to today's and probably, future FPGAs, has been also considered. The reconfiguration engine can be also used to inject faults in real hardware devices, and this way being able to evaluate the fault tolerance offered by the reconfigurable architectures. Faults are emulated by introducing partial bitstreams intentionally modified to provide erroneous functionality. To prove the validity and the benefits offered by the proposed architectures, two demonstration application lines have been envisaged. First, scalable architectures have been employed to develop an evolvable hardware platform with adaptability, fault tolerance and scalability properties. Second, they have been used to implement a scalable deblocking filter suited to scalable video coding. Evolvable Hardware is the use of evolutionary algorithms to design hardware in an autonomous way, exploiting the flexibility offered by reconfigurable devices. In this case, processing elements composing the architecture are selected from a presynthesized library of processing elements, according to the decisions taken by the algorithm, instead of being decided at design time. This way, the configuration of the array may change as run-time environmental conditions do, achieving autonomous control of the dynamic reconfiguration process. Thus, the self-optimization property is added to the native self-configurability of the dynamically scalable architectures. In addition, evolvable hardware adaptability inherently offers self-healing features. The proposal has proved to be self-tolerant, since it is able to self-recover from both transient and cumulative permanent faults. The proposed evolvable architecture has been used to implement noise removal image filters. Scalability has been also exploited in this application. Scalable evolvable hardware architectures allow the autonomous adaptation of the processing cores to a fluctuating amount of resources available in the system. Thus, it constitutes an example of the dynamic quality scalability tackled in this thesis. Two variants have been proposed. The first one consists in a single dynamically scalable evolvable core, and the second one contains a variable number of processing cores. Scalable video is a flexible approach for video compression, which offers scalability at different levels. Differently to non-scalable codecs, a scalable video bitstream can be decoded with different levels of quality, spatial or temporal resolutions, by discarding the undesired information. The interest in this technology has been fostered by the development of the Scalable Video Coding (SVC) standard, as an extension of H.264/AVC. In order to exploit all the flexibility offered by the standard, it is necessary to adapt the characteristics of the decoder to the requirements of each client during run-time. The use of dynamically scalable architectures is proposed in this thesis with this aim. The deblocking filter algorithm is the responsible of improving the visual perception of a reconstructed image, by smoothing blocking artifacts generated in the encoding loop. This is one of the most computationally intensive tasks of the standard, and furthermore, it is highly dependent on the selected scalability level in the decoder. Therefore, the deblocking filter has been selected as a proof of concept of the implementation of dynamically scalable architectures for video compression. The proposed architecture allows the run-time addition or removal of computational units working in parallel to change its level of parallelism, following a wavefront computational pattern. Scalable architecture is offered together with a scalable parallelization strategy at the macroblock level, such that when the size of the architecture changes, the macroblock filtering order is modified accordingly. The proposed pattern is based on the division of the macroblock processing into two independent stages, corresponding to the horizontal and vertical filtering of the blocks within the macroblock. The main contributions of this thesis are: - The use of highly parallel, modular, regular and local architectures to implement dynamically reconfigurable processing IP cores, for data intensive applications with flexibility requirements. - The use of two-dimensional mesh-type arrays as architectural templates to build dynamically reconfigurable IP cores, with a scalable footprint. The proposal consists in generic architectural templates, which can be tuned to solve different computational problems. •A design flow and a tool targeting the design of DPR systems, focused on highly parallel, modular and local architectures. - An inter-module communication strategy, which does not introduce delay or area overhead, named Virtual Borders. - A custom and flexible router to solve the routing conflicts as well as the inter-module communication problems, appearing during the design of DPR systems. - An algorithm addressing the optimization of systems composed of multiple scalable cores, which size can be decided individually, to optimize the system parameters. It is based on a model known as the multi-dimensional multi-choice Knapsack problem. - A reconfiguration engine tailored to the requirements of highly regular and modular architectures. It combines a high reconfiguration throughput with run-time module relocation capabilities, including the support for sub-clock reconfigurable regions and the replication in multiple positions. - A fault injection mechanism which takes advantage of the system reconfiguration engine, as well as the modularity of the proposed reconfigurable architectures, to evaluate the effects of transient and permanent faults in these architectures. - The demonstration of the possibilities of the architectures proposed in this thesis to implement evolvable hardware systems, while keeping a high processing throughput. - The implementation of scalable evolvable hardware systems, which are able to adapt to the fluctuation of the amount of resources available in the system, in an autonomous way. - A parallelization strategy for the H.264/AVC and SVC deblocking filter, which reduces the number of macroblock cycles needed to process the whole frame. - A dynamically scalable architecture that permits the implementation of a novel deblocking filter module, fully compliant with the H.264/AVC and SVC standards, which exploits the macroblock level parallelism of the algorithm. This document is organized in seven chapters. In the first one, an introduction to the technology framework of this thesis, specially focused on dynamic and partial reconfiguration, is provided. The need for the dynamically scalable processing architectures proposed in this work is also motivated in this chapter. In chapter 2, dynamically scalable architectures are described. Description includes most of the architectural contributions of this work. The design flow tailored to the scalable architectures, together with the DREAMs tool provided to implement them, are described in chapter 3. The reconfiguration engine is described in chapter 4. The use of the proposed scalable archtieectures to implement evolvable hardware systems is described in chapter 5, while the scalable deblocking filter is described in chapter 6. Final conclusions of this thesis, and the description of future work, are addressed in chapter 7.

Pietilä: El proyecto de Dipoli

Dipoli es un edificio plurifuncional localizado en el campus de Otaniemi que acoge los servicios generales del alumnado. Tanto encargo como propiedad pertenecía, hasta 2013, a la Asociación de Estudiantes de Helsinki University of Technology TKK (actualmente conocida como Aalto University), cuando se vendió y traspasó a la propia universidad. La tesis estudia este proyecto (1961-66) como uno de los ejemplos más significativos de la obra de los arquitectos Reima (1923-93)y Raili Pietilä (1926-), quienes se unieron tanto personal como profesionalmente el mismo año de la convocatoria del concurso (1961). Debido a la dificultad del encargo por la dimensión y flexibilidad de los espacios requeridos, el primer premio quedó desierto puesto que ninguna propuesta cumplía con todos los requisitos establecidos. El jurado otorgó el segundo premio a su proyecto junto con Osmo Lappo y solicitó posteriormente a ambos un desarrollo más profundo del mismo. Finalmente optaron por construir el edificio planteado por los Pietilä. En él debía desarrollarse un amplio abanico de actividades sociales como reuniones, entretenimiento nocturno, actuaciones, proyecciones de películas, cenas y bailes, así como servir de comedor durante los meses de invierno y espacio destinado a congresos en la época estival. Además, en dicho edificio se pretendía acoger el Sindicato de Estudiantes de la Universidad Tecnológica de Helsinki y se localizaría en el nuevo campus de Otaniemi a escasos kilómetros de la capital, donde Alvar Aalto ya estaba diseñando varios equipamientos universitarios siguiendo el planeamiento general que proyectó en el concurso de 1949. El elemento más característico de este proyecto es la cubierta, una estructura continua formada a partir de un caparazón hueco de hormigón in situ capaz de absorber dos lenguajes diferentes y generar, bajo ella, un espacio singular con multitud de posibilidades funcionales. Su geometría permite dividir el programa en estancias de menor tamaño sin perder ni la identidad ni unidad formal. La manera en que se iluminan los espacios bajo ella se consigue de formas diferentes: si bien la volumetría de líneas cartesianas presenta un sistema de aperturas longitudinales por donde penetra la luz cenital, en la forma más libre aparecen un conjunto de lucernarios de diferente tamaños y posiciones aparentemente aleatorias que introducen la luz natural por el plano del techo de forma más controlada, apoyada por la disposición de las ventanas perimetrales. El juego de espesores de la cubierta ofrece un conjunto de matices que pretenden resolver los tres condicionantes principales del proyecto, la adecuación de los usos en su interior, la compatibilidad de circulaciones de los usuarios y la inserción en el lugar. La percepción de este plano horizontal atraviesa lecturas múltiples, desde su uso primario de cubrición y cuya distancia con el plano del suelo se comprime para tensionar la grieta de luz al tiempo que ofrece nuevas relaciones con el paisaje hasta convertirse en fachada al apoyarse en el suelo y crear un límite físico entre interior y exterior. El objetivo fundamental de la tesis es entender mejor la traza particular de Dipoli desde una visión rigurosa que amplíe el conocimiento del edificio y al mismo tiempo explique el espacio propuesto a través de las diferentes herramientas de proyecto. Para ello se ha elaborado una documentación de la obra que parte de recopilar, seleccionar y redibujar la información existente desde el estado previo a la construcción del objeto terminado. El sentido de volver al Centro de Estudiantes de Otaniemi, supone, además de ayudar a comprender el trabajo de sus autores, entender el proceso de la historia de la arquitectura finlandesa y detectar relaciones con otras obras más lejanas con las que pudiese compartir ciertos valores, facilitando un entendimiento más global de la historia. Esta investigación se inicia desde la hipótesis que la forma final del edificio y su relación con el lugar, para proponer un tipo de arquitectura que confía en la observación sensible del programa, del uso, de las escalas de los espacios, del movimiento de las personas y su relación y anclaje con el lugar. Y en este sentido, el trabajo se desarrolla guiado por estos aspectos que se manifiestan también desde la influencia y comprensión de otros trabajos propios y ajenos. Para detectar las claves de proyecto que les han permitido la construcción espacial y formal de su arquitectura, entendiendo éstas como el conjunto de herramientas y mecanismos que reflexionan sobre una particular composición volumétrica y espacios dinámicos que ofrecen un aspecto exterior expresivo, la tesis se articula sobre dos capítulos principales “Contextos” y “Proyecto y Construcción” donde se quiere estudiar el proyecto en su forma más completa. Esta pareja de apartados aborda la descripción del marco temporal, físico, cultural, personal y profesional de los arquitectos, el análisis y síntesis de la propuesta y, por último, la repercusión del proyecto. Contextos pretende ubicar la obra además de facilitar la comprensión del conjunto de aspectos y condicionantes que determinaron la materialización de Dipoli. Este capítulo se subdivide a su vez en cinco apartados: Contexto Histórico, Físico y Cultural, Personal, Profesional e Incidencia de Dipoli. El Contexto histórico se centra en la descripción pormenorizada del conjunto de situaciones que influyen en el arquitecto cuando se toman decisiones durante el proceso de proyectar. El objetivo es definir los condicionantes que pueden haber afectado directa o indirectamente la obra. El capítulo comienza subrayando los temas de interés comunes para el resto de sus homólogos finlandeses. Principalmente se centra en la década de 1950 como etapa previa a la gestación de Dipoli. También atiende el proceso de evolución de la arquitectura finlandesa desde finales del S.XIX unido a la crisis de identidad nacional que el maestro Alvar Aalto superará por sus obras pero también por su personalidad y supondrá una gran sombra al resto de sus compañeros en el marco nacional e internacional provocando una reacción contraria a sus proyectos y persona entre el resto de arquitectos. Por este motivo, al tiempo que se gestaba el proyecto de Dipoli emergieron un grupo de profesionales que defendían fuertemente las trazas cartesianas del racionalismo como Aulis Blomstedt o Juhani Pallasmaa y que consiguieron abrir una nueva perspectiva intelectual. Por tanto será inevitable que la presencia del maestro nórdico Alvar Aalto aparezca a lo largo de toda la tesis, permitiéndonos un mejor entendimiento de la carga orgánica y humana de sus trabajos desde la perspectiva de los Pietilä. Posteriormente este capítulo desgrana aquellos intereses que dominaban el marco arquitectónico internacional y que pudieron influir en las soluciones planteadas. Dipoli será puesto en relación a diversas arquitecturas contemporáneas que presentan un enfoque diferente al esbozado por el Movimiento Moderno y cuyo marco de referencias guarda algún tipo de relación con los mismos temas de proyecto. Es el caso del grupo Team 10 o determinados ejemplos de arquitectos alemanes como Hugo Häring y Hans Scharoun, incluso puntos en común con el sistema constructivista del vanguardismo soviético. Estas relaciones con otras arquitecturas matizan su carácter singular e incluso se revisa en qué medida esta propuesta amplifica los aspectos que comparten. En cuanto al Contexto físico y cultural, una primera aproximación al ámbito donde el edificio se sitúa nos revela las características generales de un lugar claramente diferente a la ubicación del resto de edificios del campus. A continuación se adentra en el origen del nuevo centro universitario desde el planeamiento urbanístico de Alvar Aalto y revela tanto la forma de disponer las construcciones como las propuestas que el maestro había desarrollado con anterioridad a la convocatoria del concurso. Además aquí se destacan aquellos aspectos que propiciaron la elección del solar. Prosigue adentrándose en el programa propuesto por el jurado –entre cuyos miembros se encontraba el propio Aalto- y el análisis de las propuestas presentadas por cada uno de los arquitectos que obtuvieron una mención. Por último, se estudian y definen las obras más relevantes localizadas en el entorno físico del proyecto y que existían con anterioridad, destacando principalmente el trabajo de los Siren (Heikki y Kaija) y Alvar Aalto por los motivos desarrollados en el punto anterior. Prosigue con el Contexto Personal donde se seleccionan de datos biográficos que expliquen, en parte, las circunstancias personales que perfilaron su manera de entender la arquitectura y que consecuentemente influyeron en su camino intelectual hasta llegar a Dipoli. A continuación se indaga en la relación profesional y personal con Raili Paatelainen para establecer en qué medida participaron ambos en la propuesta. Este apartado concluye con el estudio de la etapa docente que profundiza en los temas de proyecto que Pietilä presentaba a los alumnos en sus clases de proyectos. En el proceso de comprensión de la evolución teórica y proyectual de los arquitectos se considera imprescindible la revisión de otros edificios propios que se enmarcan en el Contexto profesional. Éstos forman parte de la etapa de mayor actividad del estudio como son el Pabellón de Finlandia para la Exposición de Bruselas (1956-58), la Iglesia de Kaleva en Tampere (1959-66) y el Pabellón Nórdico para la Bienal de Venecia de 1960. Se completa la visión de estos tres ejemplos previos a Dipoli desde las investigaciones teóricas que realizó de forma paralela y que se difundieron a través de varias exposiciones. Nos centraremos en aquellas tres que fueron más relevantes en la madurez del arquitecto (Morfología y Urbanismo, La Zona y Estudios Modulares) para establecer relaciones entre unos aspectos y otros. En esta sección no se pretende realizar un análisis en profundidad, ni tampoco recoger la mayor parte de la obra de los Pietilä, sino más bien revelar los rasgos más significativos que faciliten el entendimiento de los valores anteriormente mencionados. Por último, Incidencia de Dipoli se refiere a la repercusión del edificio durante su construcción y finalización. Desde esta premisa, recoge el conjunto de críticas publicadas en las revistas de mayor difusión internacional que decidieron mostrar la propuesta además desde el propio interés del proyecto, por tratarse de un arquitecto reconocido internacionalmente gracias a la repercusión que obtuvieron sus proyectos anteriores. Se analiza el contenido de los artículos para establecer diversos encuentros con el capítulo Contextos y con los propios escritos de Pietilä. También se recogen las opiniones de críticos relevantes como Kenneth Frampton, Bruno Zevi o Christian Norberg-Schulz, destacando aquellos aspectos por los que mostraron un interés mayor. También se recoge y valora la opinión de sus homólogos finlandeses y que contradictoriamente se sitúa en el polo opuesto a la del juicio internacional. Se adentra en las situaciones complejas que propició el rechazo del edificio al desvincularse por completo de la corriente racionalista que dominaba el pensamiento crítico finés unido a la búsqueda de nuevas alternativas proyectuales que les distanciase del éxito del maestro Alvar Aalto. Pretende esclarecer tanto la justificación de dichos comentarios negativos como los motivos por los cuales Reima y Raili no obtuvieron encargos durante casi diez años, tras la finalización de Dipoli. Nos referiremos también a la propia opinión de los arquitectos. Para ello, en el apartado Morfología Literal se recoge el texto que Reima Pietilä publicó en el número 9 de la revista Arkkitehti para contrarrestar las numerosas críticas recibidas. Se subraya aquellos aspectos de proyecto que inciden directamente en la percepción y razón de ser de la propuesta. Por último, se manifiesta la valoración crítica de dos personas muy próximas al entorno personal y profesional de los Pietilä: Roger Connah y Malcolm Quantrill. Ambas figuras son las que han adentrado en el trabajo de los arquitectos con mayor profundidad y aportado una visión más completa del contexto arquitectónico de Finlandia en el s.XX. Se han interesado principalmente por el conocimiento morfológico que les ha llevado a la observación de los fenómenos de la naturaleza. Se apunta también la falta de objetividad de sus opiniones originadas en parte por haber colaborado profesionalmente y ser amigo íntimo de la familia respectivamente. El valor de la documentación aportada por ambos reside principalmente en la fiel transmisión de las explicaciones del propio Pietilä. El último capítulo Proyecto y Construcción engloba tanto la descripción exhaustiva del proyecto como el análisis de la obra. Al tiempo que se explica la propuesta, se establecen continuamente relaciones y paralelismos con otras arquitecturas que ayudan a entenderla. Para ello, se establecen tres apartados elementales: “El lugar”, “Programa y geometrías” y “Presencia y materialidad física” y se pretende identificar aquellas herramientas de proyecto en las que confía para la materialización de la obra al tiempo que se profundiza en la evolución de la propuesta. En cuanto a El lugar, se describe de manera pormenorizada el recorrido hasta alcanzar el edificio y cómo la mirada atenta de la naturaleza que lo rodea está continuamente presente en todos los dibujos de la propuesta. Se realiza un estudio tanto de la multiplicidad de accesos como del vacío existente en planta baja que forma parte del espacio público y que atraviesa el edificio diagonalmente. Desde aquí se evaluará los espacios intermedios existentes que matizan los ámbitos donde se desarrolla cada una de las actividades. A continuación se enfoca el estudio de la ventana como elemento relevante en la transición de espacios interiores y exteriores para posteriormente adentrarnos en la importancia de los recorridos en la planta superior y cómo las salas polivalentes se acomodan a estos. Programas y geometrías explica la solución y desarrollo de la propuesta a través de los tanteos de la planta. Detecta simultáneamente aquellos aspectos que aparecen en otros proyectos y que pueden haber influido en el desarrollo de la obra. Una vez que han sido estudiados los dos niveles se introduce la sección para analizar las conexiones entre ambos planos, destacando los tipos de escaleras y accesos que propician la multiplicidad de recorridos y en consecuencia el movimiento de las personas. En el último apartado se identifica la geometría de la estructura a través de la descripción formal de la cubierta y sus apoyos en planta para conocer cómo responde el volumen definitivo a la adecuación de los usos. El carácter del edificio a través del empleo de los materiales y las técnicas de construcción utilizadas se indaga desde la Materialidad física. Este punto de vista esclarece temas de proyecto como la relación multisensorial de Dipoli y el concepto del tiempo relacionado con espacios de carácter dinámico o estático. Una vez se ha realizado un análisis de la obra construida a través de sus recorridos, se plantea un último regreso al exterior para observar la presencia del edificio a través de su tamaño, color y texturas. Este apartado nos mostrará la mirada atenta a la escala del proyecto como vector de dirección que pretende encontrar la inserción adecuada del edificio en el lugar, cerrando el proceso de proyecto. El motivo de desarrollar esta tesis en torno a Dipoli se apoya en su consideración como paradigma de una arquitectura que confía en la observación sensible del programa, uso, las escalas de los espacios, circulaciones y su relación y anclaje con el lugar como argumentos fundamentales de proyecto, cuya realidad concreta consigue situar la propuesta en el marco histórico de la arquitectura nórdica e internacional. Además la distancia histórica desde mundo actual respecto a la década de los años 60 del s.XX nos permite entender el contexto cultural donde se inserta Dipoli que continúa nuestra historia reciente de la arquitectura y concibe la obra construida como una extensión de nuestro mundo contemporáneo. Por ello se valora el proyecto desde la mirada hacia atrás que analiza las diferencias entre la realidad construida y las intenciones de partida. Esta revisión dotada de una distancia crítica nos permite adentrarnos en la investigación de manera objetiva. Igualmente presenta una distancia histórica (referida al tiempo transcurrido desde su construcción) y socio-cultural que favorece la atenuación de prejuicios y aspectos morales que puedan desviar una mirada analítica y se alejen de una valoración imparcial. Dipoli, enmarcada en dicho periodo, mantiene la capacidad crítica para ser analizada. ABSTRACT The dissertation defends Dipoli ( 1961-1966 ) as one of the most significant examples of the Reima ( 1923-1993 ) Raili Pietilä (1926 -), who joined both personally and professionally the same year of the project´s competition (1961). Due to the difficulty of the commission by the size and flexibility of the required areas, there was not first prize awarded because none of the submitted proposals met all the requirements. The jury awarded Dipoli with second prize together with a competing scheme by Osmo Lappo. The board subsequently asked for a further development of both proposals and finally selected the one by Pietilä. The completed project allows a wide range of social activities such as meetings, night entertainment, performances, film screenings, dinners and dance to take place while the facility can also serve as a dining hall during winter months and conference center in the summer when necessary. In addition, the building was intended to house the Helsinki University of Technology (now Aalto University) Student Union. The University, at the time being designed by Alvar Aalto following his successful entry to the master plan competition in 1949, was located a few kilometers from the capital on the new campus in Otaniemi. The most characteristic element of the project is its roof which can be described as a continuous form achieved an in-situ concrete cavity structure that can modulate two different geometric languages and generate a singular space under it. The building is, in general terms, an unique shell space with many functional possibilities. Its geometry allows the program to split its functions into smaller sizes without losing the identity or formal unity of the general object. The way in which the spaces are illuminated is solved in two different ways. First, while the Cartesian-line volume presents a series of longitudinal openings into which natural light penetrates, the free-form volume shows a set of skylights in apparently random positions that vary in size and that introduce natural light through the roof in a more controlled manner. In addition the perimeter openings are present that relate directly to the nature that surrounds the building. The adaptable thickness of the roof provides a set of solutions that resolve the three main issues of the project: the adequacy of the functions in the interior areas, the complex capability for user flows and circulation and the manner in which the building is inserted in its context. The perception of the roof´ horizontal plane offers multiple interpretations, from its primary use as a primitive cover whose distance from the ground compresses the void and creates a light tension, to the new relationships with the landscape where by the roof becomes a façade cladding and rests directly on the ground to create a physical boundary between interior and exterior. The main scope of this research is to better understand the particular trace of Dipoli from a rigorous architectural view to deep into the knowledge of the building and, at the same time, to explain the space through a series of project design tools that have been used. For this reason, an accurate documentation has arisen from collecting, selecting and redrawing the existing information from the sketching stage to the built object. A through reanalysis of the Otaniemi Student Center therefore provides not only a more complete understanding of the work of the architects, but also leads to a better comprehension of the history of Finnish architecture, which is related to other cultural relationships and which shares certain architectural values which a more comprehensive understanding of general architectural history. This research starts from the working hypothesis that the final shape of the building and its relationship to its place created a type of architecture that relies on a sensitive observation of the program, the use of varying scales of space, the movement and flow of people and finally the coexistence with the natural context. In this sense, the work is developed based on those aspects that are also reflected in the influence of others architects by understanding both their own and other architects´ work. In order to obtain a personal reading of the project facts that allowed the architects construct Dipoli (understanding the facts as a set of tools and project mechanisms that are able to generate a particular volumetric composition and dynamic spaces that at the same time provide an expressive exterior), the research hinges on two main sections, "Contexts" and "Design and Construction", that study the project from all perspectives. This two parts address the description of temporal , physical , cultural , personal and professional framework, analysis and synthesis of the proposal and finally, the national and international influences on the project. Contexts seek to place the work and to facilitate the understanding of all aspects and conditions that led to the creation of Dipoli. This chapter is subdivided into five sections: Historical Context, Cultural and Physical, Personal, Professional and Dipoli Influences. Historical Context focuses on a detailed description of a set of precedents that influenced the architect when making decisions during design process. The objective is to define the conditions that could directly or indirectly shape the work. This chapter begins by highlighting issues of common interest to the rest its Finnish counterparts. The text is mainly focused on the 1950s as a prelude to Dipoli´s conception. It will also address the process of Finnish architecture from the late nineteenth century as linked to the national identity crisis that the great master Alvar Aalto overcame with both his works and personality, being a great drain on the rest of his colleagues. This aspect caused a reaction against Aalto and his projects. For this reason, at the time that Dipoli came into being a number of professionals who strongly defended the traces of Cartesian Rationalism, including Juhani Pallasmaa and Aulis Blomstedt emerged and brought a new intellectual perspective to the Finnish architecture scene. It is thus inevitable that the presence of Alvar Aalto will be apparent throughout the dissertation to allow a better understanding of the organizational and human character of their work from the Pietiläs´ perspective. Later, this chapter identifies those interests that dominated the international architectural framework that could have influenced Dipoli. The project will be placed in relation to various contemporary architectural works that were created using a different approach to that outlined by the Modern Movement. This is present in the case of Team 10 group and with specific examples of German architects including Hans Scharoun and Hugo Häring, as well as some commonalities with Soviet Constructivism. These relationships with other architecture qualify its singular character and even extend how this proposal amplifies those shared aspects. Physical and Cultural Context involves the unique site where the building is located which includes different features from the location of other buildings on the campus. IT then progresses into the origin of the new campus from the urban planning of Alvar Aalto and reveals both the setting and proposed constructions that Aalto had developed. This section also highlights the aspects that led to the choice of the site. I go deep into the program proposed by the jury (of whom Aalto was a member) and the analysis of the alternative proposals that received a special commendation. Finally, I study and define the most relevant works located near Dipoli, emphasizing primarily the work of the Sirens (Heikki and Kaija) and Alvar Aalto for the reasons developed in the previous section. I then proceed with the Personal Context, where a series of biographical data are selected to begin to explain the personal circumstances that outlined the Pietilas´ architectural understanding and consequently could have influenced their intellectual approach to design Dipoli. Then the text explores their professional and personal relationship to establish what extent they participated in the proposal. This section concludes with the study of the Reima Pietilä´s teaching period at Oulu that explores the issues he presented to his students there. In the process of understanding the Pietiläs´ theoretical and design evolution, it must be considered essential to study other buildings that are part of their professional context. These projects belong to the most active stage of their office and include the Finnish Pavilion for the World´s Fair in Brussels (1956-1958), Kaleva Church in Tampere (1959-1966) and the Nordic Pavilion at the 1960 Venice Biennale. We will complete the view of Dipoli from previous theoretical investigations performed in parallel that were spread through several exhibitions. We will focus on the three that were most relevant to the evolution of the architect (Morphology and Urbanism, the Zone, and Stick Studies) to establish a series of useful relationships. This section is not intended to be an in-depth analysis nor to collect most of the work of the Pietiläs´; but rather to reveal the most significant features that facilitate an understanding of the above values. Finally, Dipoli´s Impact refers to the influence of the building from many points of view during its construction and after its completion. It collects the reviews published in the world's most relevant magazines which had decided to show the alternate proposals, generally conceived of by internationally-renowned architects. I analyze the content of the articles in order to establish a series of parallels with the chapter Contexts and own writings Pietilä to clarify if main design directions were clear at that time. The views of relevant critics, including Kenneth Frampton, Bruno Zevi and Christian Norberg -Schulz, are also collected here. This episode also collects and assesses the views of these critics´ Finnish counterparts that generally stood at the opposite side of the international debate. It delves into the complex situation that led to the rejection of the building by the rationalists that dominated the Finnish critical thinking while searching for new alternatives to distance themselves from the Alvar Aalto´s success. It aims to clarify both the justification for these negative comments and the reasons why Reima and Raili not obtain a single commission for nearly ten years after the completion of Dipoli. From the critics we will approach the opinion of Reima Pietilä himself. To do this, in the Literal Morphology section we will see how the architect tried to defend his position. Those design tool that directly affected the perception of the proposal are provided through the figures of Roger Connah and Malcolm Quantrill. Finally, a critical –personal and professional- review of these two very close figures will take place. Despite knowing that both delved into the work of architects with greater depth and provided a complete view of the Finnish architectural context in 20th century, they have focused mainly morphological knowledge which has led to the observation of natural phenomena. It also notes the lack of objectivity in their views caused in part by, in the case of Connah, collaborating professionally and in that of Quantrill being a close friend of the Pietilä family. The value of the documentation provided by both resides mainly in the faithful transmission of the Pietiläs´ own explanations. The final chapter covers both Design and Construction and provides a comprehensive project description in order tofaithfully analyse the work. As the proposal is being explained, relationships of its built form are continuously linked to other architectural projects to gain a better understanding of Dipoli itself. To do this we have set three basic sections: "The Place", "Geometries & Function" and "Presence and Materiality. Construction process" that intended to identify those project tools for the realization of the work while deepens the proposal´s evolution. The Place describes how to approach and reach the building in detail and how the view out towards the surrounding natural setting is continuously shown in the proposal´s drawings. We will study both the multiplicity of entrances as well as the corridor downstairs as part of the public space that diagonally goes through the building. Then, the existing voids in the concrete cave for public activities will be evaluated. Lastly, the study will focus on the openings as a significant element in the transition from interior and exterior areas to describe the importance of the circulation on the second floor and how function is able to accommodate through the areas of void. Geometries & Function explains the final solution and the development of the proposal through the floor plan. Simultaneously it detects those aspects that appear in other projects and that may have influenced the development of the work. Once we have analyzed both levels –ground and second floor- section drawings come into the topic to study the connections between the two levels and highlighting the types of hierarchy for the multiple paths to organize the flows of people inside the building. In the last section the structural geometry is identified through the description of the form and how it responds to the final volumetrical settings. The character of the building through the use of materials and construction techniques inquires from Presence and Materiality. This point of view clarifies multisensory project issues as Dipoli relationship to the dynamic or static character or different spaces inside the building. Once the analysis has been made we will step back to a final return to the building´s exterior to analyze the presence of the building through its scale, colour and textures. This section emphasizes the project´s scale and orientation to find the proper insertion of the building in place. In short, this dissertation has been done by the idea that Pietiläs´special abilities were allowed from a sensitive observation of the program, the creation of a variety of special scales, dynamic circulation and the relating relationship with the project´s location as fundamental design tools. From this aspect, Dipoli could be more usefully framed in the historical context of Nordic and international architecture. The dissertation allows us to better understand the cultural context of the 1960s, in which Dipoli was established since it continues our recent architectural history. The final built form is conceived as an extension of our contemporary world. Therefore the project is assessed through the comparison of the architects´ intentions and the final completed project.

Spatial divisions of society

The encounter of architecture and urbanism with parcelisation is marked with the sign of a historical debt. Parcelisation is a tremendously powerful design tool. Architecture and urban planning attest to its capacity to shape sociospatial relations across a range of scales and contexts. From Renaissance palazzi to modernist slabs, from nation-wide agrarian reforms and Haussmann’s Paris to Christopher Alexander’s new theory of urban design and Michael Webb’s Suitaloon — most of the historical revolutions and experimental projects that have shaken these fields have relied, consciously or not, on a critique and restructuration of inherited divisions of land and space. The layout of parcel patterns has a series of implications including forms of property, the divide between private and public realms, the distribution of spatial contents and uses through zoning, typological decisions and so forth. The behaviour of any urban structure depends on the tissue of plots that configures the urban fabric and many of the challenges urban design faces today —complexity, urban vitality, social equality, etc.— hinge upon the forms of land division and distribution we adopt.

Prêt à former. Uso, repetición y mutación de recursos formales mediáticos en la arquitectura contemporánea.

Como un agente más del ecosistema híper-referenciado nacido de la revolución digital, el arquitecto contemporáneo crea nuevos significados a partir de la recomposición de fragmentos y símbolos existentes. El uso crítico de referencias nutre una metodología de proyecto basada en la adición de nuevos significados a formas ya producidas. En este contexto, el uso de recursos formales relacionados con obras mediáticas se manifiesta como un mecanismo proyectual de gran relevancia Se trata de recursos ‘prêt à former’, soluciones formales capaces de insertar cualquier obra en el lenguaje contemporáneo. PALABRAS CLAVE: forma, prêt à former, moda, repetición, postproducción, copia In a context dominated by the presence of references, the contemporary architect introduces new meanings into existing symbols. The critical use of fragments nourishes a design methodology based on the transformation of previously produced forms. Thus, the utilization of formal resources related to well-known buildings proves itself as a very important design tool. These are ‘prêt à former’ resources; formal solutions capable of inserting any project into the contemporary language. KEYWORDS: form, prêt à former, fashion, repetition, postproduction, copy

Un entendimiento infraestructural del proyecto arquitectónico

Un entendimiento infraestructural del proyecto arquitectónico Este trabajo de tesis reivindica la pertinencia de la lógica infraestructural como herramienta de proyecto arquitectónico en el territorio urbano contemporáneo, a través del relato del tránsito que se produce entre las décadas de 1960 y 1970 y el final del siglo XX, desde unos sistemas urbanos centrales, vectoriales y ‘modernos’ hacia unos sistemas policéntricos, organizados según modelos de campos y ‘contemporáneos’. Las infraestructuras han sido tradicionalmente objeto de interés para generaciones de arquitectos y urbanistas que, bien desde su condición plástica más pregnante, bien desde una intuición de su capacidad organizativa, han sido fascinados por la irrupción en el territorio de estos elementos generalmente ajenos al proyecto arquitectónico. Los proyectos que durante décadas han explorado la posibilidad de habitar estas grandes estructuras, o de proyectar con su lenguaje y su escala, han resultado en un acercamiento a la capacidad de lo infraestructural como herramienta de proyecto limitada a cuestiones morfotipológicas. Sin embargo, a partir de un estudio de la infraestructura ‘clásica’ como aquella resultado de la manifestación de las redes de abastecimiento y conectividad básicas, se desvela una naturaleza de lo infraestructural que trasciende su expresión formal conocida y explora su capacidad performativa, como sistema de relaciones, como orden topológico, como soporte flexible para la actividad espontánea y no anticipada. A partir del trabajo de diversos autores y de una selección de proyectos de distinta índole –la mayoría no construidos– se muestra cómo la irrupción de una conciencia relacional, así como la problemática moderna de afrontar los procesos de generación de una ‘nueva ciudad para una nueva sociedad’, motivan la búsqueda de sistemas de generación y control de ‘forma colectiva’ adecuados a un modelo urbano contemporáneo. Transitando por los escritos de Fumihiko Maki en Investigations in Collective Form, Reyner Banham en Megastructure, o Shadrach Woods en The Man in the Street durante los 60 y 70 y, más recientemente, de Stan Allen en Points + Lines, Edward Soja en Postmetropolis o Frei Otto en Occupying and Connecting, se traza esta historia semántica de lo infraestructural desde lo tipológico hasta una noción ampliada que resulta pertinente para operar en el territorio contemporáneo postmetropolitano. Para ello el trabajo plantea, por un lado, la descripción del contexto urbano que podemos asumir como contemporáneo, su evolución y sus características principales. Por otro lado, se explora la formación de esta noción de entendimiento infraestructural en las últimas décadas desde enfoques complementarios. Una introducción describe las condiciones de contexto en las que este estudio doctoral adquiere su pertinencia: el tránsito relativamente reciente desde un modelo vectorial y clásico de ocupación del territorio, al modelo contemporáneo disperso y policéntrico propio del modelo de campos. Un bloque central de tres capítulos analiza ‘lo infraestructural’ como expresión de una arquitectura de las relaciones, como soporte para una sociedad en cambio y como lógica proyectual, no ligada a una forma dada. La última parte, a modo de epílogo, describe el territorio urbano contemporáneo, sus cualidades básicas y la capacidad de las lógicas infraestructurales enunciadas en los capítulos anteriores para operar en él. Un último apartado de conclusiones, establece las bases de una línea de investigación abierta acerca de la operatividad actual de estos sistemas en el proyecto de arquitectura. ABSTRACT An infrastructural understanding of architectural design This thesis project claims for the suitability of infrastructural logics as a design tool within contemporary urban territories. This claim is illustrated by means of a report on the transit between the 60–70’s decades and the end of the 20th century, ranging from vector, central, ‘modern’ urban systems, towards polycentric ‘contemporary’ urban patterns, arranged following field models. Infrastructures have been traditionally on the spot for generations of architects and urban planners who, due to either their aesthetical condition, or an intuition of their organizational capacity, have been fascinated by the bursting of these elements in the territory. Projects which have explored the possibility to inhabit these huge structures, or to design with its language or scale for decades, have turned out to be always limited to morphological-typological issues. However, from the base of a research on ‘classic’ infrastructure –understood as the outcome of supplies and connectivity basic networks– a new nature of infrastructure is revealed, going beyond its known formal expression and exploring its potential to perform as a system of relationships, as a topological pattern, or as a flexible support for spontaneous and unanticipated activity. The breakthrough of a relational consciousness, as well as the modern concern about the generation of ‘a new city for a new society’ are shown, through the works of several authors and a selection of heterogeneous mostly-unbuilt projects. This semantic history of infrastructures, regarding not only typologies but also a broader concept able to operate in contemporary postmetropolitan territory, is drawn by following the paths of Fumihiko Maki in Investigations in Collective Form, Reyner Banham in Megastructure, or Shadrach Woods in The Man in the Street during the 60’s and 70’s and, lately, those of Stan Allen in Points + Lines, Edward Soja in Postmetropolis or Frei Otto in Occupying and Connecting. In order to do so, this thesis project sets, on one hand, a description of the urban context which can be assumed as contemporary, as well as its evolution and main features. On the other hand, complementary approaches help go deep into how this notion of infrastructural insight within the last decades has been created. An introduction describes the contextual conditions for this thesis project to become relevant: the relatively recent transit from a classic spatial occupation pattern, to the contemporary, disperse and polycentric pattern inherent to field models. A three-chapters core analyzes the infrastructures as the expression of an architecture of relations, as well as a support for a changing society and as a formless design logic. The last part, an epilogue, describes the urban contemporary territory and the suitability of the infrastructural logics to operate in it. A final conclusive section, lays the foundations for an open line of research on present functionality of these systems in architectural designs.

Generación automática de la configuración de subestaciones eléctricas según el Estándar IEC 61850 a partir de una herramienta de diseño gráfico

La evolución de las redes eléctricas se dirige hacia lo que se conoce como “Smart Grids” o “Redes Eléctricas Inteligentes”. Estas “Smart Grids” se componen de subestaciones eléctricas, que a su vez se componen de unos dispositivos llamados IEDs (Dispositivos Electrónicos Inteligentes – Intelligent Electronic Devices). El diseño de IEDs se encuentra definido en la norma IEC 61850, que especifica además un Lenguaje de Configuración de Subestaciones (Substation Configuration Language SCL) para la definición de la configuración de subestaciones y sus IEDs. Hoy en día, este estándar internacional no sólo se utiliza para diseñar correctamente IEDs y asegurar su interoperabilidad, sino que también se utiliza para el diseño de otros dispositivos de la red eléctrica, como por ejemplo, medidores inteligentes. Sin embargo, aunque existe una tendencia cada vez mayor del uso de este estándar, la comprensión y el manejo del mismo resulta difícil debido al gran volumen de información que lo compone y del nivel de detalle que utiliza, por lo que su uso para el diseño de IEDs se hace tedioso sin la ayuda de un soporte software. Es por ello que, para facilitar la aplicación del estándar IEC 61850 en el diseño de IEDs se han desarrollado herramientas como “Visual SCL”, “SCL Explorer” o “61850 SCLVisual Design Tool”. En concreto, “61850 SCLVisual Design Tool” es una herramienta gráfica para el modelado de subestaciones electricas, generada mediante el uso de los frameworks Eclipse Modeling Framework (EMF) y Epsilon Generative Modeling Technologies (GMT) y desarrollada por el grupo de investigación SYST de la UPM. El objetivo de este proyecto es añadir una nueva funcionalidad a la herramienta “61850 Visual SCL DesignTool”. Esta nueva funcionalidad consiste en la generación automática de un fichero de configuración de subestaciones eléctricas según el estándar IEC 61850 a partir de de una herramienta de diseño gráfico. Este fichero, se denomina SCD (Substation Configuration Description), y se trata de un fichero XML conforme a un esquema XSD (XML Schema Definition) mediante el que se define el lenguaje de configuración de subestaciones SCL del IEC 61850. Para el desarrollo de este proyecto, es necesario el estudio del lenguaje para la configuración de subestaciones SCL, así como del lenguaje gráfico específico de dominio definido por la herramienta “61850 SCLVisual Design Tool”, la estructura de los ficheros SCD, y finalmente, del lenguaje EGL (Epsilon Generation Language) para la transformación y generación automática de código a partir de modelos EMF. ABSTRACT Electrical networks are evolving to “Smart Grids”. Smart Grids are composed of electrical substations that in turn are composed of devices called IEDs (Intelligent Electronic Devices). The design of IEDs is defined by the IEC 61850 standard, which also specifies a Substation Configuration Languaje (SCL) used to define the configuration of substations and their IEDs. Nowadays, this international standard is not only used to design properly IEDs and guarantee their interoperability, but it is also used to design different electrical network devices, such as, smart meters. However, although the use of this standard is growing, its compression as well as its management, is still difficult due to its large volume of information and its level of detail. As a result, designing IEDs becomes a tedious task without a software support. As a consequence of this, in order to make easier the application of the IEC 61850 standard while designing IEDs, some software tools have been developed, such as: “Visual SCL”, “SCL Explorer” or “61850 SCLVisual Design Tool”. In particular, “61850 SCLVisual Design Tool” is a graphical tool used to make electrical substations models, and developed with the Eclipse Modeling Framework (EMF) and Epsilon Generative Modeling Technologies (GMT) by the research group SYST of the UPM. The aim of this project is to add a new functionality to “61850 Visual SCL DesignTool”. This new functionality consists of the automatic code generation of a substation configuration file according to the IEC 61850 standard. This file is called SCD (Substation Configuration Description), and it is a XML file that follows a XSD (XML Schema Definition) that defines the Substation Configuration Language (SCL) of the IEC 61850. In order to develop this project, it is necessary to study the Substation Configuration Language (SCL), the domain-specific graphical languaje defined by the tool “61850 SCLVisual Design Tool”, the structure of a SCD file, and the Epsilon Generation Language (EGL) used for the automatic code generation from EMF models

Dreams: A tool for the design of dynamically reconfigurable embedded and modular systems

Dynamically Reconfigurable Systems are attracting a growing interest, mainly due to the emergence of novel applications based on this technology. However, commercial tools do not provide enough flexibility to design solutions, while keeping an acceptable design productivity. In this paper, a novel design flow is proposed, targeting dynamically reconfigurable systems. It is fully supported by a tool called Dreams, which is able to implement flexible systems, starting from a set of netlists corresponding to the modules, as well as a system description provided by the user. The tool automatically post-processes the nets, implementing a solution for the communications between reconfigurable regions, as well as the handling of routing conflicts, by means of a custom router. Since the design process of every module and the static system are independent, the proposed flow is compatible with system upgrade at run-time. In this paper, a use case corresponding to the design of a highly regular and parallel mesh-type architecture is described, in order to show the architectural flexibility offered by the tool.

Design of a training tool for improving the use of hand-held detectors in humanitarian demining

Purpose – The purpose of this paper is to introduce the design of a training tool intended to improve deminers' technique during close-in detection tasks. Design/methodology/approach – Following an introduction that highlights the impact of mines and improvised explosive devices (IEDs), and the importance of training for enhancing the safety and the efficiency of the deminers, this paper considers the utilization of a sensory tracking system to study the skill of the hand-held detector expert operators. With the compiled information, some critical performance variables can be extracted, assessed, and quantified, so that they can be used afterwards as reference values for the training task. In a second stage, the sensory tracking system is used for analysing the trainee skills. The experimentation phase aims to test the effectiveness of the elements that compose the sensory system to track the hand-held detector during the training sessions. Findings – The proposed training tool will be able to evaluate the deminers' efficiency during the scanning tasks and will provide important information for improving their competences. Originality/value – This paper highlights the need of introducing emerging technologies for enhancing the current training techniques for deminers and proposes a sensory tracking system that can be successfully utilised for evaluating trainees' performance with hand-held detectors.

El "Anclaje y Ajuste", una herramienta de Marketing para analizar el poder de las referencias en el Arte, el Diseño y la Arquitectura = "Anchoring and Adjustment", a Marketing tool to analyse references in Art, Design and Architecture

El "Anclaje y Ajuste", una herramienta de Marketing para analizar el poder de las referencias en el Arte, el Diseño y la Arquitectura = "Anchoring and Adjustment", a Marketing tool to analyse references in Art, Design and Architecture

Design of a generalized tool for the performance assessment under sail based on analytical, numerical and empirical results : a global sailing yacht meta-model

La evaluación de las prestaciones de las embarcaciones a vela ha constituido un objetivo para ingenieros navales y marinos desde los principios de la historia de la navegación. El conocimiento acerca de estas prestaciones, ha crecido desde la identificación de los factores clave relacionados con ellas(eslora, estabilidad, desplazamiento y superficie vélica), a una comprensión más completa de las complejas fuerzas y acoplamientos involucrados en el equilibrio. Junto con este conocimiento, la aparición de los ordenadores ha hecho posible llevar a cabo estas tareas de una forma sistemática. Esto incluye el cálculo detallado de fuerzas, pero también, el uso de estas fuerzas junto con la descripción de una embarcación a vela para la predicción de su comportamiento y, finalmente, sus prestaciones. Esta investigación tiene como objetivo proporcionar una definición global y abierta de un conjunto de modelos y reglas para describir y analizar este comportamiento. Esto se lleva a cabo sin aplicar restricciones en cuanto al tipo de barco o cálculo, sino de una forma generalizada, de modo que sea posible resolver cualquier situación, tanto estacionaria como en el dominio del tiempo. Para ello se comienza con una definición básica de los factores que condicionan el comportamiento de una embarcación a vela. A continuación se proporciona una metodología para gestionar el uso de datos de diferentes orígenes para el cálculo de fuerzas, siempre con el la solución del problema como objetivo. Esta última parte se plasma en un programa de ordenador, PASim, cuyo propósito es evaluar las prestaciones de diferentes ti pos de embarcaciones a vela en un amplio rango de condiciones. Varios ejemplos presentan diferentes usos de PASim con el objetivo de ilustrar algunos de los aspectos discutidos a lo largo de la definición del problema y su solución . Finalmente, se presenta una estructura global de cara a proporcionar una representación virtual de la embarcación real, en la cual, no solo e l comportamiento sino también su manejo, son cercanos a la experiencia de los navegantes en el mundo real. Esta estructura global se propone como el núcleo (un motor de software) de un simulador físico para el que se proporciona una especificación básica. ABSTRACT The assessment of the performance of sailing yachts, and ships in general, has been an objective for naval architects and sailors since the beginning of the history of navigation. The knowledge has grown from identifying the key factors that influence performance(length, stability, displacement and sail area), to a much more complete understanding of the complex forces and couplings involved in the equilibrium. Along with this knowledge, the advent of computers has made it possible to perform the associated tasks in a systematic way. This includes the detailed calculation of forces, but also the use of those forces, along with the description of a sailing yacht, to predict its behavior, and ultimately, its performance. The aim of this investigation is to provide a global and open definition of a set of models and rules to describe and analyze the behavior of a sailing yacht. This is done without applying any restriction to the type of yacht or calculation, but rather in a generalized way, capable of solving any possible situation, whether it is in a steady state or in the time domain. First, the basic definition of the factors that condition the behavior of a sailing yacht is given. Then, a methodology is provided to assist with the use of data from different origins for the calculation of forces, always aiming towards the solution of the problem. This last part is implemented as a computational tool, PASim, intended to assess the performance of different types of sailing yachts in a wide range of conditions. Several examples then present different uses of PASim, as a way to illustrate some of the aspects discussed throughout the definition of the problem and its solution. Finally, a global structure is presented to provide a general virtual representation of the real yacht, in which not only the behavior, but also its handling is close to the experience of the sailors in the real world. This global structure is proposed as the core (a software engine) of a physical yacht simulator, for which a basic specification is provided.

Design Parameter Analysis of Point Absorber WEC via an Evolutionary-Algorithm-Based Dimensioning Tool

Wave energy conversion has an essential difference from other renewable energies since the dependence between the devices design and the energy resource is stronger. Dimensioning is therefore considered a key stage when a design project of Wave Energy Converters (WEC) is undertaken. Location, WEC concept, Power Take-Off (PTO) type, control strategy and hydrodynamic resonance considerations are some of the critical aspects to take into account to achieve a good performance. The paper proposes an automatic dimensioning methodology to be accomplished at the initial design project stages and the following elements are described to carry out the study: an optimization design algorithm, its objective functions and restrictions, a PTO model, as well as a procedure to evaluate the WEC energy production. After that, a parametric analysis is included considering different combinations of the key parameters previously introduced. A variety of study cases are analysed from the point of view of energy production for different design-parameters and all of them are compared with a reference case. Finally, a discussion is presented based on the results obtained, and some recommendations to face the WEC design stage are given.