Influence of Atmospheric Conditions on mmWave CATR Facilities: Formulation and Compensation Scheme

The performance of a CATR relies on the planarity of the synthesized test wave, which is generated within a bounded volume for which specifications are drawn. Millimetre-wave facilities deal with the classical limitations of this frequency band, among which two become critical in our analysis: time-extensive acquisition campaigns and impact of environmental variables. Both features become more evident when increasing the frequency of operation. The variation in atmospheric variables, such as humidity, temperature and pressure has an influence over the performance of all the elements of the facility. The instrumentation behavior is influenced both by the warming up process, and the ambience conditions that surround the equipment. On the changes of the atmosphere itself, they affect the electromagnetic wave propagation, given the physical link between the conditions of the atmosphere and its electric properties as an electromagnetic waves propagation medium

Ion-Ion correlations effect on nonlinear high-frequency plasma conductivity. AT(30-1)-1238-MATT-675

On the basis of the BBGKY hierarchy of equations an expression is derived for the response of a fully ionized plasma to a strong, high-frequency electric field in the limit of infinite ion mass. It is found that even in this limit the ionion correlation function is substantially affected by the field. The corrections to earlier nonlinear results for the current density appear to be quite ssential. The validity of the model introduced by Dawson and Oberman to study the response to a vanishingly small field is confirmed for larger values of the field when the eorrect expression for the ion-ion correlations i s introduced; the model by itself does not yield such an expression. The results have interest for the heating of the plasma and for the propagation of a strong electromagnetic wave through the plasma. The theory seems to be valid for any field intensity for which the plasma is stable.

Estudio de modelos de propagación en bandas milimétricas para su futura utilización en redes de comunicaciones móviles 5G

La generalización del uso de dispositivos móviles, con su consiguiente aumento del tráfico de datos, está generando una demanda cada vez mayor de bandas de frecuencia para el despliegue de sistemas de comunicación inalámbrica, así como una creciente congestión en las bandas bajas del espectro (hasta 3 GHz). Entre las posibles soluciones a este problema, se ha propuesto que la próxima generación de sistemas celulares, 5G, hagan uso de la banda milimétrica, entre 30 GHz y 300 GHz, donde hay anchos de banda contiguos disponibles con tamaños muy difíciles de encontrar en las frecuencias en uso en la generación actual. Este Proyecto de Fin de Grado tiene como finalidad estudiar la viabilidad del despliegue de sistemas celulares en dicha banda, basándose en los estudios tanto empíricos como teóricos ya publicados, así como en las recomendaciones de la UIT donde se estudian las características de propagación en estas bandas. En un siguiente apartado, se han analizado los documentos disponibles de los distintos proyectos y grupos, como pueden ser METIS-2020, impulsado por la Comisión Europea o IMT-2020 promovido por la UIT, dedicados a definir los futuros estándares de comunicación y sus características, así como la evolución de los actuales. Aparte del trabajo de documentación, se han realizado una serie de simulaciones. En primer lugar, se ha utilizado MATLAB para estudiar el comportamiento y la atenuación de la onda electromagnética a las frecuencias de interés en diferentes ubicaciones y climas, tanto en ubicaciones habituales como extremas, estudiándose los efectos de los gases atmosféricos y los hidrometeoros. También se ha utilizado software de planificación radioeléctrica profesional para hacer estudios de cobertura en entornos tanto urbanos, entre ellos Madrid o Barcelona, suburbanos, como Tres Cantos (Madrid) y O Barco de Valdeorras (Orense), y rurales como Valdefuentes (Cáceres) y Quiruelas de Vidriales (Zamora). Por último se han recogido todos los resultados, tanto los provenientes de los estudios como los obtenidos de nuestras propias simulaciones, y se ha realizado un breve comentario, comparando estos y analizando su impacto para posibles despliegues futuros de redes 5G. ABSTRACT. The generalization of mobile device use, with its associated data traffic growth, is generating a growing demand of spectrum for its use in the deployment of wireless telecommunication systems, and a growing congestion in the lower end of the spectrum (until 3 GHz). Among the possible solutions for this problem, it has been proposed that the next generation of cellular systems, 5G, makes use of the millimeter band, between 30 GHz and 300 GHz, where there are contiguous bandwidths with sizes hardly available in the bands used in the present. This Project aims to study the feasibility of cellular system deployments in said band, based on published empirical and theoretical studies and papers, and the ITU recommendations, where the propagation characteristics in those bands are studied. In the next section, available documentation coming from the different study groups and projects like METIS 2020 promoted by the European Commission, or IMT-2020, promoted by the ITU has been studied. In the documentation, future telecommunication standards and its characteristics and the evolution of the current ones are defined. Besides the documentation work, a series of simulations have been carried out. First, MATLAB has been used to study the behavior and attenuation of the electromagnetic wave at the frequencies of interest in different locations and climates, studying the effects of atmospheric gasses and hydrometeors in conventional and extreme locations. Industry standard radioelectric planning software has been used to study the coverage in different environments, such as urban locations like Madrid and Barcelona, both in Spain, suburban locations like Tres Cantos (Madrid, Spain) and O Barco de Valdeorras (Orense, Spain) and rural locations such as Valdefuentes (Cáreces, Spain) and Quiruelas de Vidriales (Zamora, Spain). Finally, all the results, both from the documentation and our own simulations, have been collected, and a brief commentary has been made, comparing those results and their possible impact in the future deployment of 5G networks.

A canonical UTD solution for electromagnetic scattering by an electrically large impedance circular cylinder illuminated by an obliquely incident plane wave

A uniform geometrical theory of diffraction (UTD) solution is developed for the canonical problem of the electromagnetic (EM) scattering by an electrically large circular cylinder with a uniform impedance boundary condition (IBC), when it is illuminated by an obliquely incident high frequency plane wave. A solution to this canonical problem is first constructed in terms of an exact formulation involving a radially propagating eigenfunction expansion. The latter is converted into a circumferentially propagating eigenfunction expansion suited for large cylinders, via the Watson transform, which is expressed as an integral that is subsequently evaluated asymptotically, for high frequencies, in a uniform manner. The resulting solution is then expressed in the desired UTD ray form. This solution is uniform in the sense that it has the important property that it remains continuous across the transition region on either side of the surface shadow boundary. Outside the shadow boundary transition region it recovers the purely ray optical incident and reflected ray fields on the deep lit side of the shadow boundary and to the modal surface diffracted ray fields on the deep shadow side. The scattered field is seen to have a cross-polarized component due to the coupling between the TEz and TMz waves (where z is the cylinder axis) resulting from the IBC. Such cross-polarization vanishes for normal incidence on the cylinder, and also in the deep lit region for oblique incidence where it properly reduces to the geometrical optics (GO) or ray optical solution. This UTD solution is shown to be very accurate by a numerical comparison with an exact reference solution.

A new UTD for the electromagnetic plane wave scattering by a canonical circular cylinder with an impedance boundary condition

A UTD solution is developed for describing the scattering by a circular cylinder with an impedance boundary condition (IBC), when it is illuminated by an obliquely incident electromagnetic (EM) plane wave. The solution to this canonical problem will be crucial for the construction of a more general UTD solution valid for an arbitrary smooth convex surface with an IBC, when it is illuminated by an arbitrary EM ray optical field. The canonical solution is uniformly valid across the surface shadow boundary that is tangent to the surface at grazing incidence. This canonical solution contains cross polarized terms in the scattered fields, which arise from a coupling of the TEz and TMz waves at the impedance boundary on the cylinder. Here, z is the cylinder axis. Numerical results show very good accuracy for the simpler and efficient UTD solution, when compared to exact but very slowly convergent eigenfunction solution.

Electromagnetic analysis of periodic structures under a waveguide viewpoint

The fundamental objective of this Ph. D. dissertation is to demonstrate that, under particular circumstances which cover most of the structures with practical interest, periodic structures can be understood and analyzed by means of closed waveguide theories and techniques. To that aim, in the first place a transversely periodic cylindrical structure is considered and the wave equation, under a combination of perfectly conducting and periodic boundary conditions, is studied. This theoretical study runs parallel to the classic analysis of perfectly conducting closed waveguides. Under the light shed by the aforementioned study it is clear that, under certain very common periodicity conditions, transversely periodic cylindrical structures share a lot of properties with closed waveguides. Particularly, they can be characterized by a complete set of TEM, TE and TM modes. As a result, this Ph. D. dissertation introduces the transversely periodic waveguide concept. Once the analogies between the modes of a transversely periodic waveguide and the ones of a closed waveguide have been established, a generalization of a well-known closed waveguide characterization method, the generalized Transverse Resonance Technique, is developed for the obtention of transversely periodic modes. At this point, all the necessary elements for the consideration of discontinuities between two different transversely periodic waveguides are at our disposal. The analysis of this type of discontinuities will be carried out by means of another well known closed waveguide method, the Mode Matching technique. This Ph. D. dissertation contains a sufficient number of examples, including the analysis of a wire-medium slab, a cross-shaped patches periodic surface and a parallel plate waveguide with a textured surface, that demonstrate that the Transverse Resonance Technique - Mode Matching hybrid is highly precise, efficient and versatile. Thus, the initial statement: ”periodic structures can be understood and analyzed by means of closed waveguide theories and techniques”, will be corroborated. Finally, this Ph. D. dissertation contains an adaptation of the aforementioned generalized Transverse Resonance Technique by means of which the analysis of laterally open periodic waveguides, such as the well known Substrate Integrated Waveguides, can be carried out without any approximation. The analysis of this type of structures has suscitated a lot of interest in the recent past and the previous analysis techniques proposed always resorted to some kind of fictitious wall to close the structure. vii Resumen El principal objetivo de esta tesis doctoral es demostrar que, bajo ciertas circunstancias que se cumplen para la gran mayoría de estructuras con interés práctico, las estructuras periódicas se pueden analizar y entender con conceptos y técnicas propias de las guías de onda cerradas. Para ello, en un primer lugar se considera una estructura cilíndrical transversalmente periódica y se estudia la ecuación de onda bajo una combinación de condiciones de contorno periódicas y de conductor perfecto. Este estudio teórico y de caracter general, sigue el análisis clásico de las guías de onda cerradas por conductor eléctrico perfecto. A la luz de los resultados queda claro que, bajo ciertas condiciones de periodicidad (muy comunes en la práctica) las estructuras cilíndricas transversalmente periódicas guardan multitud de analogías con las guías de onda cerradas. En particular, pueden ser descritas mediante un conjunto completo de modos TEM, TE y TM. Por ello, ésta tesis introduce el concepto de guía de onda transversalmente periódica. Una vez establecidas las similitudes entre las soluciones de la ecuación de onda, bajo una combinación de condiciones de contorno periódicas y de conductor perfecto, y los modos de guías de onda cerradas, se lleva a cabo, con éxito, la adaptación de un conocido método de caracterización de guías de onda cerradas, la técnica de la Resonancia Transversal Generalizada, para la obtención de los modos de guías transversalmente periódicas. En este punto, se tienen todos los elementos necesarios para considerar discontinuidades entre guías de onda transversalmente periódicas. El analisis de este tipo de discontinuidades se llevará a cabo mediante otro conocido método de análisis de estructuras cerradas, el Ajuste Modal. Esta tesis muestra multitud de ejemplos, como por ejemplo el análisis de un wire-medium slab, una superficie de parches con forma de cruz o una guía de placas paralelas donde una de dichas placas tiene cierta textura, en los que se demuestra que el método híbrido formado por la Resonancia Transversal Generalizada y el Ajuste Modal, es tremendamente preciso, eficiente y versátil y confirmará la validez de el enunciado inicial: ”las estructuras periódicas se pueden analizar y entender con conceptos y técnicas propias de las guías de onda cerradas” Para terminar, esta tésis doctoral incluye también una modificación de la técnica de la Resonancia Transversal Generalizada mediante la cual es posible abordar el análisis de estructuras periódica abiertas en los laterales, como por ejemplo las famosas guías de onda integradas en sustrato, sin ninguna aproximación. El análisis de este tipo de estructuras ha despertado mucho interés en los últimos años y las técnicas de análisis propuestas hasta ix el momento acostumbran a recurrir a algún tipo de pared ficticia para simular el carácter abierto de la estructura.

Self-consistent resonance absorption with two layer profile steepening

Resonance absorption of p-polarized light, incident at angle 6 on a flowing, stratified plasma, is analyzed; profile steepening within (i) a layer around the turning point, and (ii) a thinner,embedded sublayer at the critical surface is taken into account self-consistently. The entire steepened region is taken as collisionless and isothermal. The structure of the main layer shows a variety of regimes, depending on how the flow crosses a sonic point. The structure of the sublayer is also determined; it is entirely subsonic (with no wave breaking) for a well-defined,broad parameter range. Density changes across both layer and sublayer, and fractional absorption, are given in terms of [(wavelength)2 Xintensity/temperature], and (temperature/mec2). The flow outside the double structure is also analyzed for particular conditions.

Photon Management Structures for Absorption Enhancement in Intermediate Band Solar Cells and Crystalline Silicon Solar Cells

El objetivo de la tesis es investigar los beneficios que el atrapamiento de la luz mediante fenómenos difractivos puede suponer para las células solares de silicio cristalino y las de banda intermedia. Ambos tipos de células adolecen de una insuficiente absorción de fotones en alguna región del espectro solar. Las células solares de banda intermedia son teóricamente capaces de alcanzar eficiencias mucho mayores que los dispositivos convencionales (con una sola banda energética prohibida), pero los prototipos actuales se resienten de una absorción muy débil de los fotones con energías menores que la banda prohibida. Del mismo modo, las células solares de silicio cristalino absorben débilmente en el infrarrojo cercano debido al carácter indirecto de su banda prohibida. Se ha prestado mucha atención a este problema durante las últimas décadas, de modo que todas las células solares de silicio cristalino comerciales incorporan alguna forma de atrapamiento de luz. Por razones de economía, en la industria se persigue el uso de obleas cada vez más delgadas, con lo que el atrapamiento de la luz adquiere más importancia. Por tanto aumenta el interés en las estructuras difractivas, ya que podrían suponer una mejora sobre el estado del arte. Se comienza desarrollando un método de cálculo con el que simular células solares equipadas con redes de difracción. En este método, la red de difracción se analiza en el ámbito de la óptica física, mediante análisis riguroso con ondas acopladas (rigorous coupled wave analysis), y el sustrato de la célula solar, ópticamente grueso, se analiza en los términos de la óptica geométrica. El método se ha implementado en ordenador y se ha visto que es eficiente y da resultados en buen acuerdo con métodos diferentes descritos por otros autores. Utilizando el formalismo matricial así derivado, se calcula el límite teórico superior para el aumento de la absorción en células solares mediante el uso de redes de difracción. Este límite se compara con el llamado límite lambertiano del atrapamiento de la luz y con el límite absoluto en sustratos gruesos. Se encuentra que las redes biperiódicas (con geometría hexagonal o rectangular) pueden producir un atrapamiento mucho mejor que las redes uniperiódicas. El límite superior depende mucho del periodo de la red. Para periodos grandes, las redes son en teoría capaces de alcanzar el máximo atrapamiento, pero sólo si las eficiencias de difracción tienen una forma peculiar que parece inalcanzable con las herramientas actuales de diseño. Para periodos similares a la longitud de onda de la luz incidente, las redes de difracción pueden proporcionar atrapamiento por debajo del máximo teórico pero por encima del límite Lambertiano, sin imponer requisitos irrealizables a la forma de las eficiencias de difracción y en un margen de longitudes de onda razonablemente amplio. El método de cálculo desarrollado se usa también para diseñar y optimizar redes de difracción para el atrapamiento de la luz en células solares. La red propuesta consiste en un red hexagonal de pozos cilíndricos excavados en la cara posterior del sustrato absorbente de la célula solar. La red se encapsula en una capa dieléctrica y se cubre con un espejo posterior. Se simula esta estructura para una célula solar de silicio y para una de banda intermedia y puntos cuánticos. Numéricamente, se determinan los valores óptimos del periodo de la red y de la profundidad y las dimensiones laterales de los pozos para ambos tipos de células. Los valores se explican utilizando conceptos físicos sencillos, lo que nos permite extraer conclusiones generales que se pueden aplicar a células de otras tecnologías. Las texturas con redes de difracción se fabrican en sustratos de silicio cristalino mediante litografía por nanoimpresión y ataque con iones reactivos. De los cálculos precedentes, se conoce el periodo óptimo de la red que se toma como una constante de diseño. Los sustratos se procesan para obtener estructuras precursoras de células solares sobre las que se realizan medidas ópticas. Las medidas de reflexión en función de la longitud de onda confirman que las redes cuadradas biperiódicas consiguen mejor atrapamiento que las uniperiódicas. Las estructuras fabricadas se simulan con la herramienta de cálculo descrita en los párrafos precedentes y se obtiene un buen acuerdo entre la medida y los resultados de la simulación. Ésta revela que una fracción significativa de los fotones incidentes son absorbidos en el reflector posterior de aluminio, y por tanto desaprovechados, y que este efecto empeora por la rugosidad del espejo. Se desarrolla un método alternativo para crear la capa dieléctrica que consigue que el reflector se deposite sobre una superficie plana, encontrándose que en las muestras preparadas de esta manera la absorción parásita en el espejo es menor. La siguiente tarea descrita en la tesis es el estudio de la absorción de fotones en puntos cuánticos semiconductores. Con la aproximación de masa efectiva, se calculan los niveles de energía de los estados confinados en puntos cuánticos de InAs/GaAs. Se emplea un método de una y de cuatro bandas para el cálculo de la función de onda de electrones y huecos, respectivamente; en el último caso se utiliza un hamiltoniano empírico. La regla de oro de Fermi permite obtener la intensidad de las transiciones ópticas entre los estados confinados. Se investiga el efecto de las dimensiones del punto cuántico en los niveles de energía y la intensidad de las transiciones y se obtiene que, al disminuir la anchura del punto cuántico respecto a su valor en los prototipos actuales, se puede conseguir una transición más intensa entre el nivel intermedio fundamental y la banda de conducción. Tomando como datos de partida los niveles de energía y las intensidades de las transiciones calculados como se ha explicado, se desarrolla un modelo de equilibrio o balance detallado realista para células solares de puntos cuánticos. Con el modelo se calculan las diferentes corrientes debidas a transiciones ópticas entre los numerosos niveles intermedios y las bandas de conducción y de valencia bajo ciertas condiciones. Se distingue de modelos de equilibrio detallado previos, usados para calcular límites de eficiencia, en que se adoptan suposiciones realistas sobre la absorción de fotones para cada transición. Con este modelo se reproducen datos publicados de eficiencias cuánticas experimentales a diferentes temperaturas con un acuerdo muy bueno. Se muestra que el conocido fenómeno del escape térmico de los puntos cuánticos es de naturaleza fotónica; se debe a los fotones térmicos, que inducen transiciones entre los estados excitados que se encuentran escalonados en energía entre el estado intermedio fundamental y la banda de conducción. En el capítulo final, este modelo realista de equilibrio detallado se combina con el método de simulación de redes de difracción para predecir el efecto que tendría incorporar una red de difracción en una célula solar de banda intermedia y puntos cuánticos. Se ha de optimizar cuidadosamente el periodo de la red para equilibrar el aumento de las diferentes transiciones intermedias, que tienen lugar en serie. Debido a que la absorción en los puntos cuánticos es extremadamente débil, se deduce que el atrapamiento de la luz, por sí solo, no es suficiente para conseguir corrientes apreciables a partir de fotones con energía menor que la banda prohibida en las células con puntos cuánticos. Se requiere una combinación del atrapamiento de la luz con un incremento de la densidad de puntos cuánticos. En el límite radiativo y sin atrapamiento de la luz, se necesitaría que el número de puntos cuánticos de una célula solar se multiplicara por 1000 para superar la eficiencia de una célula de referencia con una sola banda prohibida. En cambio, una célula con red de difracción precisaría un incremento del número de puntos en un factor 10 a 100, dependiendo del nivel de la absorción parásita en el reflector posterior. Abstract The purpose of this thesis is to investigate the benefits that diffractive light trapping can offer to quantum dot intermediate band solar cells and crystalline silicon solar cells. Both solar cell technologies suffer from incomplete photon absorption in some part of the solar spectrum. Quantum dot intermediate band solar cells are theoretically capable of achieving much higher efficiencies than conventional single-gap devices. Present prototypes suffer from extremely weak absorption of subbandgap photons in the quantum dots. This problem has received little attention so far, yet it is a serious barrier to the technology approaching its theoretical efficiency limit. Crystalline silicon solar cells absorb weakly in the near infrared due to their indirect bandgap. This problem has received much attention over recent decades, and all commercial crystalline silicon solar cells employ some form of light trapping. With the industry moving toward thinner and thinner wafers, light trapping is becoming of greater importance and diffractive structures may offer an improvement over the state-of-the-art. We begin by constructing a computational method with which to simulate solar cells equipped with diffraction grating textures. The method employs a wave-optical treatment of the diffraction grating, via rigorous coupled wave analysis, with a geometric-optical treatment of the thick solar cell bulk. These are combined using a steady-state matrix formalism. The method has been implemented computationally, and is found to be efficient and to give results in good agreement with alternative methods from other authors. The theoretical upper limit to absorption enhancement in solar cells using diffractions gratings is calculated using the matrix formalism derived in the previous task. This limit is compared to the so-called Lambertian limit for light trapping with isotropic scatterers, and to the absolute upper limit to light trapping in bulk absorbers. It is found that bi-periodic gratings (square or hexagonal geometry) are capable of offering much better light trapping than uni-periodic line gratings. The upper limit depends strongly on the grating period. For large periods, diffraction gratings are theoretically able to offer light trapping at the absolute upper limit, but only if the scattering efficiencies have a particular form, which is deemed to be beyond present design capabilities. For periods similar to the incident wavelength, diffraction gratings can offer light trapping below the absolute limit but above the Lambertian limit without placing unrealistic demands on the exact form of the scattering efficiencies. This is possible for a reasonably broad wavelength range. The computational method is used to design and optimise diffraction gratings for light trapping in solar cells. The proposed diffraction grating consists of a hexagonal lattice of cylindrical wells etched into the rear of the bulk solar cell absorber. This is encapsulated in a dielectric buffer layer, and capped with a rear reflector. Simulations are made of this grating profile applied to a crystalline silicon solar cell and to a quantum dot intermediate band solar cell. The grating period, well depth, and lateral well dimensions are optimised numerically for both solar cell types. This yields the optimum parameters to be used in fabrication of grating equipped solar cells. The optimum parameters are explained using simple physical concepts, allowing us to make more general statements that can be applied to other solar cell technologies. Diffraction grating textures are fabricated on crystalline silicon substrates using nano-imprint lithography and reactive ion etching. The optimum grating period from the previous task has been used as a design parameter. The substrates have been processed into solar cell precursors for optical measurements. Reflection spectroscopy measurements confirm that bi-periodic square gratings offer better absorption enhancement than uni-periodic line gratings. The fabricated structures have been simulated with the previously developed computation tool, with good agreement between measurement and simulation results. The simulations reveal that a significant amount of the incident photons are absorbed parasitically in the rear reflector, and that this is exacerbated by the non-planarity of the rear reflector. An alternative method of depositing the dielectric buffer layer was developed, which leaves a planar surface onto which the reflector is deposited. It was found that samples prepared in this way suffered less from parasitic reflector absorption. The next task described in the thesis is the study of photon absorption in semiconductor quantum dots. The bound-state energy levels of in InAs/GaAs quantum dots is calculated using the effective mass approximation. A one- and four- band method is applied to the calculation of electron and hole wavefunctions respectively, with an empirical Hamiltonian being employed in the latter case. The strength of optical transitions between the bound states is calculated using the Fermi golden rule. The effect of the quantum dot dimensions on the energy levels and transition strengths is investigated. It is found that a strong direct transition between the ground intermediate state and the conduction band can be promoted by decreasing the quantum dot width from its value in present prototypes. This has the added benefit of reducing the ladder of excited states between the ground state and the conduction band, which may help to reduce thermal escape of electrons from quantum dots: an undesirable phenomenon from the point of view of the open circuit voltage of an intermediate band solar cell. A realistic detailed balance model is developed for quantum dot solar cells, which uses as input the energy levels and transition strengths calculated in the previous task. The model calculates the transition currents between the many intermediate levels and the valence and conduction bands under a given set of conditions. It is distinct from previous idealised detailed balance models, which are used to calculate limiting efficiencies, since it makes realistic assumptions about photon absorption by each transition. The model is used to reproduce published experimental quantum efficiency results at different temperatures, with quite good agreement. The much-studied phenomenon of thermal escape from quantum dots is found to be photonic; it is due to thermal photons, which induce transitions between the ladder of excited states between the ground intermediate state and the conduction band. In the final chapter, the realistic detailed balance model is combined with the diffraction grating simulation method to predict the effect of incorporating a diffraction grating into a quantum dot intermediate band solar cell. Careful optimisation of the grating period is made to balance the enhancement given to the different intermediate transitions, which occur in series. Due to the extremely weak absorption in the quantum dots, it is found that light trapping alone is not sufficient to achieve high subbandgap currents in quantum dot solar cells. Instead, a combination of light trapping and increased quantum dot density is required. Within the radiative limit, a quantum dot solar cell with no light trapping requires a 1000 fold increase in the number of quantum dots to supersede the efficiency of a single-gap reference cell. A quantum dot solar cell equipped with a diffraction grating requires between a 10 and 100 fold increase in the number of quantum dots, depending on the level of parasitic absorption in the rear reflector.

Development of a Uniform Theory of Diffraction for Scattered and Surface Electromagnetic Field Analysis on a Cylinder

Con esta tesis ”Desarrollo de una Teoría Uniforme de la Difracción para el Análisis de los Campos Electromagnéticos Dispersados y Superficiales sobre un Cilindro” hemos iniciado una nueva línea de investigación que trata de responder a la siguiente pregunta: ¿cuál es la impedancia de superficie que describe una estructura de conductor eléctrico perfecto (PEC) convexa recubierta por un material no conductor? Este tipo de estudios tienen interés hoy en día porque ayudan a predecir el campo electromagnético incidente, radiado o que se propaga sobre estructuras metálicas y localmente convexas que se encuentran recubiertas de algún material dieléctrico, o sobre estructuras metálicas con pérdidas, como por ejemplo se necesita en determinadas aplicaciones aeroespaciales, marítimas o automovilísticas. Además, desde un punto de vista teórico, la caracterización de la impedancia de superficie de una estructura PEC recubierta o no por un dieléctrico es una generalización de varias soluciones que tratan ambos tipos de problemas por separado. En esta tesis se desarrolla una teoría uniforme de la difracción (UTD) para analizar el problema canónico del campo electromagnético dispersado y superficial en un cilindro circular eléctricamente grande con una condición de contorno de impedancia (IBC) para frecuencias altas. Construir una solución basada en UTD para este problema canónico es crucial en el desarrollo de un método UTD para el caso más general de una superficie arbitrariamente convexa, mediante el uso del principio de localización de los campos electromagnéticos a altas frecuencias. Esta tesis doctoral se ha llevado a cabo a través de una serie de hitos que se enumeran a continuación, enfatizando las contribuciones a las que ha dado lugar. Inicialmente se realiza una revisión en profundidad del estado del arte de los métodos asintóticos con numerosas referencias. As í, cualquier lector novel puede llegar a conocer la historia de la óptica geométrica (GO) y la teoría geométrica de la difracción (GTD), que dieron lugar al desarrollo de la UTD. Después, se investiga ampliamente la UTD y los trabajos más importantes que pueden encontrarse en la literatura. As í, este capítulo, nos coloca en la posición de afirmar que, hasta donde nosotros conocemos, nadie ha intentado antes llevar a cabo una investigación rigurosa sobre la caracterización de la impedancia de superficie de una estructura PEC recubierta por un material dieléctrico, utilizando para ello la UTD. Primero, se desarrolla una UTD para el problema canónico de la dispersión electromagnética de un cilindro circular eléctricamente grande con una IBC uniforme, cuando es iluminado por una onda plana con incidencia oblicua a frecuencias altas. La solución a este problema canónico se construye a partir de una solución exacta mediante una expansión de autofunciones de propagación radial. Entonces, ésta se convierte en una nueva expansión de autofunciones de propagación circunferencial muy apropiada para cilindros grandes, a través de la transformación de Watson. De esta forma, la expresión del campo se reduce a una integral que se evalúa asintóticamente, para altas frecuencias, de manera uniforme. El resultado se expresa según el trazado de rayos descrito en la UTD. La solución es uniforme porque tiene la importante propiedad de mantenerse continua a lo largo de la región de transición, a ambos lados de la superficie del contorno de sombra. Fuera de la región de transición la solución se reduce al campo incidente y reflejado puramente ópticos en la región iluminada del cilindro, y al campo superficial difractado en la región de sombra. Debido a la IBC el campo dispersado contiene una componente contrapolar a causa de un acoplamiento entre las ondas TEz y TMz (donde z es el eje del cilindro). Esta componente contrapolar desaparece cuando la incidencia es normal al cilindro, y también en la región iluminada cuando la incidencia es oblicua donde el campo se reduce a la solución de GO. La solución UTD presenta una muy buena exactitud cuando se compara numéricamente con una solución de referencia exacta. A continuación, se desarrolla una IBC efectiva para el cálculo del campo electromagnético dispersado en un cilindro circular PEC recubierto por un dieléctrico e iluminado por una onda plana incidiendo oblicuamente. Para ello se derivan dos impedancias de superficie en relación directa con las ondas creeping y de superficie TM y TE que se excitan en un cilindro recubierto por un material no conductor. Las impedancias de superficie TM y TE están acopladas cuando la incidencia es oblicua, y dependen de la geometría del problema y de los números de onda. Además, se ha derivado una impedancia de superficie constante, aunque con diferente valor cuando el observador se encuentra en la zona iluminada o en la zona de sombra. Después, se presenta una solución UTD para el cálculo de la dispersión de una onda plana con incidencia oblicua sobre un cilindro eléctricamente grande y convexo, mediante la generalización del problema canónico correspondiente al cilindro circular. La solución asintótica es uniforme porque se mantiene continua a lo largo de la región de transición, en las inmediaciones del contorno de sombra, y se reduce a la solución de rayos ópticos en la zona iluminada y a la contribución de las ondas de superficie dentro de la zona de sombra, lejos de la región de transición. Cuando se usa cualquier material no conductor se excita una componente contrapolar que tiende a desaparecer cuando la incidencia es normal al cilindro y en la región iluminada. Se discuten ampliamente las limitaciones de las fórmulas para la impedancia de superficie efectiva, y se compara la solución UTD con otras soluciones de referencia, donde se observa una muy buena concordancia. Y en tercer lugar, se presenta una aproximación para una impedancia de superficie efectiva para el cálculo de los campos superficiales en un cilindro circular conductor recubierto por un dieléctrico. Se discuten las principales diferencias que existen entre un cilindro PEC recubierto por un dieléctrico desde un punto de vista riguroso y un cilindro con una IBC. Mientras para un cilindro de impedancia se considera una impedancia de superficie constante o uniforme, para un cilindro conductor recubierto por un dieléctrico se derivan dos impedancias de superficie. Estas impedancias de superficie están asociadas a los modos de ondas creeping TM y TE excitadas en un cilindro, y dependen de la posición y de la orientación del observador y de la fuente. Con esto en mente, se deriva una solución UTD con IBC para los campos superficiales teniendo en cuenta las dependencias de la impedancia de superficie. La expansión asintótica se realiza, mediante la transformación de Watson, sobre la representación en serie de las funciones de Green correspondientes, evitando as í calcular las derivadas de orden superior de las integrales de tipo Fock, y dando lugar a una solución rápida y precisa. En los ejemplos numéricos realizados se observa una muy buena precisión cuando el cilindro y la separación entre el observador y la fuente son grandes. Esta solución, junto con el método de los momentos (MoM), se puede aplicar para el cálculo eficiente del acoplamiento mutuo de grandes arrays conformados de antenas de parches. Los métodos propuestos basados en UTD para el cálculo del campo electromagnético dispersado y superficial sobre un cilindro PEC recubierto de dieléctrico con una IBC efectiva suponen un primer paso hacia la generalización de una solución UTD para superficies metálicas convexas arbitrarias cubiertas por un material no conductor e iluminadas por una fuente electromagnética arbitraria. ABSTRACT With this thesis ”Development of a Uniform Theory of Diffraction for Scattered and Surface Electromagnetic Field Analysis on a Cylinder” we have initiated a line of investigation whose goal is to answer the following question: what is the surface impedance which describes a perfect electric conductor (PEC) convex structure covered by a material coating? These studies are of current and future interest for predicting the electromagnetic (EM) fields incident, radiating or propagating on locally smooth convex parts of highly metallic structures with a material coating, or by a lossy metallic surfaces, as for example in aerospace, maritime and automotive applications. Moreover, from a theoretical point of view, the surface impedance characterization of PEC surfaces with or without a material coating represents a generalization of independent solutions for both type of problems. A uniform geometrical theory of diffraction (UTD) is developed in this thesis for analyzing the canonical problem of EM scattered and surface field by an electrically large circular cylinder with an impedance boundary condition (IBC) in the high frequency regime, by means of a surface impedance characterization. The construction of a UTD solution for this canonical problem is crucial for the development of the corresponding UTD solution for the more general case of an arbitrary smooth convex surface, via the principle of the localization of high frequency EM fields. The development of the present doctoral thesis has been carried out through a series of landmarks that are enumerated as follows, emphasizing the main contributions that this work has given rise to. Initially, a profound revision is made in the state of art of asymptotic methods where numerous references are given. Thus, any reader may know the history of geometrical optics (GO) and geometrical theory of diffraction (GTD), which led to the development of UTD. Then, the UTD is deeply investigated and the main studies which are found in the literature are shown. This chapter situates us in the position to state that, as far as we know, nobody has attempted before to perform a rigorous research about the surface impedance characterization for material-coated PEC convex structures via UTD. First, a UTD solution is developed for the canonical problem of the EM scattering by an electrically large circular cylinder with a uniform IBC, when it is illuminated by an obliquely incident high frequency plane wave. A solution to this canonical problem is first constructed in terms of an exact formulation involving a radially propagating eigenfunction expansion. The latter is converted into a circumferentially propagating eigenfunction expansion suited for large cylinders, via the Watson transformation, which is expressed as an integral that is subsequently evaluated asymptotically, for high frequencies, in a uniform manner. The resulting solution is then expressed in the desired UTD ray form. This solution is uniform in the sense that it has the important property that it remains continuous across the transition region on either side of the surface shadow boundary. Outside the shadow boundary transition region it recovers the purely ray optical incident and reflected ray fields on the deep lit side of the shadow boundary and to the modal surface diffracted ray fields on the deep shadow side. The scattered field is seen to have a cross-polarized component due to the coupling between the TEz and TMz waves (where z is the cylinder axis) resulting from the IBC. Such cross-polarization vanishes for normal incidence on the cylinder, and also in the deep lit region for oblique incidence where it properly reduces to the GO or ray optical solution. This UTD solution is shown to be very accurate by a numerical comparison with an exact reference solution. Then, an effective IBC is developed for the EM scattered field on a coated PEC circular cylinder illuminated by an obliquely incident plane wave. Two surface impedances are derived in a direct relation with the TM and TE surface and creeping wave modes excited on a coated cylinder. The TM and TE surface impedances are coupled at oblique incidence, and depend on the geometry of the problem and the wave numbers. Nevertheless, a constant surface impedance is found, although with a different value when the observation point lays in the lit or in the shadow region. Then, a UTD solution for the scattering of an obliquely incident plane wave on an electrically large smooth convex coated PEC cylinder is introduced, via a generalization of the canonical circular cylinder problem. The asymptotic solution is uniform because it remains continuous across the transition region, in the vicinity of the shadow boundary, and it recovers the ray optical solution in the deep lit region and the creeping wave formulation within the deep shadow region. When a coating is present a cross-polar field term is excited, which vanishes at normal incidence and in the deep lit region. The limitations of the effective surface impedance formulas are discussed, and the UTD solution is compared with some reference solutions where a very good agreement is met. And in third place, an effective surface impedance approach is introduced for determining surface fields on an electrically large coated metallic circular cylinder. Differences in analysis of rigorouslytreated coated metallic cylinders and cylinders with an IBC are discussed. While for the impedance cylinder case a single constant or uniform surface impedance is considered, for the coated metallic cylinder case two surface impedances are derived. These are associated with the TM and TE creeping wave modes excited on a cylinder and depend on observation and source positions and orientations. With this in mind, a UTD based method with IBC is derived for the surface fields by taking into account the surface impedance variation. The asymptotic expansion is performed, via the Watson transformation, over the appropriate series representation of the Green’s functions, thus avoiding higher-order derivatives of Fock-type integrals, and yielding a fast and an accurate solution. Numerical examples reveal a very good accuracy for large cylinders when the separation between the observation and the source point is large. Thus, this solution could be efficiently applied in mutual coupling analysis, along with the method of moments (MoM), of large conformal microstrip array antennas. The proposed UTD methods for scattered and surface EM field analysis on a coated PEC cylinder with an effective IBC are considered the first steps toward the generalization of a UTD solution for large arbitrarily convex smooth metallic surfaces covered by a material coating and illuminated by an arbitrary EM source.

Surface impedance for electromagnetic fields over a dielectric-coated circular cylinder

For small or medium size conformal array antennas in terms of the wave length, modal solutions in spectral domain for mutual coupling analysis are convenient for canonical shapes such as circular cylinder [1] or sphere [2], but as the antenna dimensions increase a large number of terms are necessary. For large structures the uniform theory of diffraction (UTD) is commonly used to solve this problem for canonical and arbitrarily convex shaped perfect electric conductor (PEC) surfaces [3]. A UTD solution for mutual coupling on an impedance cylinder has been introduced in [4], [5] but using a constant surface impedance.

Modelling relativistic solitary wave interactions in over-dense plasmas: a perturbed nonlinear Schröndinger equation framework

We investigate the dynamics of localized solutions of the relativistic cold-fluid plasma model in the small but finite amplitude limit, for slightly overcritical plasma density. Adopting a multiple scale analysis, we derive a perturbed nonlinear Schrödinger equation that describes the evolution of the envelope of circularly polarized electromagnetic field. Retaining terms up to fifth order in the small perturbation parameter, we derive a self-consistent framework for the description of the plasma response in the presence of localized electromagnetic field. The formalism is applied to standing electromagnetic soliton interactions and the results are validated by simulations of the full cold-fluid model. To lowest order, a cubic nonlinear Schrödinger equation with a focusing nonlinearity is recovered. Classical quasiparticle theory is used to obtain analytical estimates for the collision time and minimum distance of approach between solitons. For larger soliton amplitudes the inclusion of the fifth-order terms is essential for a qualitatively correct description of soliton interactions. The defocusing quintic nonlinearity leads to inelastic soliton collisions, while bound states of solitons do not persist under perturbations in the initial phase or amplitude

A resistance emulation approach to optimize the wave energy harvesting for a direct drive point absorber

In general, a major challenge for the exploitation of renewable energies is to improve their efficiency. In electricity generation from the energy of ocean waves, not unlike other technologies, the converter must be optimized to make the energy harvesting economically feasible. This paper proposes a passive tuning control strategy of a point absorber in which the power captured is maximized by controlling the electromagnetic force of the generator with a resistance emulation approach. The proposed strategy consists of mapping the optimal values for regular waves and applying them to irregular waves. This strategy is tested in a wave energy converter in which the generator is connected to a boost rectifier converter whose controller is designed to emulate a resistance. The power electronics system implemented is validated by comparing its performance with the case in which the generator is directly connected to a resistive load. The simulation results show the effectiveness of the proposed strategy as the maximum captured power is concentrated around the optimal values previously calculated and with the same behavior for both excitations.