Development of Efficient Techniques for the Analysis and Design of Antennas in Dual-Reflectarray Configuration

This thesis contributes to the analysis and design of printed reflectarray antennas. The main part of the work is focused on the analysis of dual offset antennas comprising two reflectarray surfaces, one of them acts as sub-reflector and the second one acts as mainreflector. These configurations introduce additional complexity in several aspects respect to conventional dual offset reflectors, however they present a lot of degrees of freedom that can be used to improve the electrical performance of the antenna. The thesis is organized in four parts: the development of an analysis technique for dualreflectarray antennas, a preliminary validation of such methodology using equivalent reflector systems as reference antennas, a more rigorous validation of the software tool by manufacturing and testing a dual-reflectarray antenna demonstrator and the practical design of dual-reflectarray systems for some applications that show the potential of these kind of configurations to scan the beam and to generate contoured beams. In the first part, a general tool has been implemented to analyze high gain antennas which are constructed of two flat reflectarray structures. The classic reflectarray analysis based on MoM under local periodicity assumption is used for both sub and main reflectarrays, taking into account the incident angle on each reflectarray element. The incident field on the main reflectarray is computed taking into account the field radiated by all the elements on the sub-reflectarray.. Two approaches have been developed, one which employs a simple approximation to reduce the computer run time, and the other which does not, but offers in many cases, improved accuracy. The approximation is based on computing the reflected field on each element on the main reflectarray only once for all the fields radiated by the sub-reflectarray elements, assuming that the response will be the same because the only difference is a small variation on the angle of incidence. This approximation is very accurate when the reflectarray elements on the main reflectarray show a relatively small sensitivity to the angle of incidence. An extension of the analysis technique has been implemented to study dual-reflectarray antennas comprising a main reflectarray printed on a parabolic surface, or in general in a curved surface. In many applications of dual-reflectarray configurations, the reflectarray elements are in the near field of the feed-horn. To consider the near field radiated by the horn, the incident field on each reflectarray element is computed using a spherical mode expansion. In this region, the angles of incidence are moderately wide, and they are considered in the analysis of the reflectarray to better calculate the actual incident field on the sub-reflectarray elements. This technique increases the accuracy for the prediction of co- and cross-polar patterns and antenna gain respect to the case of using ideal feed models. In the second part, as a preliminary validation, the proposed analysis method has been used to design a dual-reflectarray antenna that emulates previous dual-reflector antennas in Ku and W-bands including a reflectarray as subreflector. The results for the dualreflectarray antenna compare very well with those of the parabolic reflector and reflectarray subreflector; radiation patterns, antenna gain and efficiency are practically the same when the main parabolic reflector is substituted by a flat reflectarray. The results show that the gain is only reduced by a few tenths of a dB as a result of the ohmic losses in the reflectarray. The phase adjustment on two surfaces provided by the dual-reflectarray configuration can be used to improve the antenna performance in some applications requiring multiple beams, beam scanning or shaped beams. Third, a very challenging dual-reflectarray antenna demonstrator has been designed, manufactured and tested for a more rigorous validation of the analysis technique presented. The proposed antenna configuration has the feed, the sub-reflectarray and the main-reflectarray in the near field one to each other, so that the conventional far field approximations are not suitable for the analysis of such antenna. This geometry is used as benchmarking for the proposed analysis tool in very stringent conditions. Some aspects of the proposed analysis technique that allow improving the accuracy of the analysis are also discussed. These improvements include a novel method to reduce the inherent cross polarization which is introduced mainly from grounded patch arrays. It has been checked that cross polarization in offset reflectarrays can be significantly reduced by properly adjusting the patch dimensions in the reflectarray in order to produce an overall cancellation of the cross-polarization. The dimensions of the patches are adjusted in order not only to provide the required phase-distribution to shape the beam, but also to exploit the crosses by zero of the cross-polarization components. The last part of the thesis deals with direct applications of the technique described. The technique presented is directly applicable to the design of contoured beam antennas for DBS applications, where the requirements of cross-polarisation are very stringent. The beam shaping is achieved by synthesithing the phase distribution on the main reflectarray while the sub-reflectarray emulates an equivalent hyperbolic subreflector. Dual-reflectarray antennas present also the ability to scan the beam over small angles about boresight. Two possible architectures for a Ku-band antenna are also described based on a dual planar reflectarray configuration that provides electronic beam scanning in a limited angular range. In the first architecture, the beam scanning is achieved by introducing a phase-control in the elements of the sub-reflectarray and the mainreflectarray is passive. A second alternative is also studied, in which the beam scanning is produced using 1-bit control on the main reflectarray, while a passive subreflectarray is designed to provide a large focal distance within a compact configuration. The system aims to develop a solution for bi-directional satellite links for emergency communications. In both proposed architectures, the objective is to provide a compact optics and simplicity to be folded and deployed.

Conformación de Superficies Reflectoras de Sistemas Dobles de Tipo Offset con Alimentadores descritos en Campo Próximo

This work discusses an iterative procedure of shaping offset dual-reflector antennas based on geometrical optics considering both far-field and near-field measurements of amplitude and phase from the feed horn. The surfaces synthesized will transform a known radiation field of a feed to a desired aperture distribution. This technique is applied for both circular and elliptical apertures and has the advantage to simplify the problem compared with existing techniques based on solving nonlinear differential equations. A MATLAB tool has been developed to implement the shaping algorithms. This procedure is applied for the design of a 1.1 m high-gain antenna for the ESA’s Solar Orbiter spacecraft. This antenna operating at X-band will manage high data rate and high efficiency communications with Earth stations.

Medidas de propiedades dieléctricas de materiales de construcción mediante elipsometría

A set of measurements of electromagnetic properties of building materials is presented in this work. The method is based on the measurement of the polarization state of the reflected signal from the material under study at a fixed angle of incidence. From the measured data, by using the Fresnel equations, it has been obtained the dielectric constant. Measurements were done by using two horn antennas at the frequency of 9 GHz. The obtained results are compared with the free space reflexion and transmission Fresnel method and other reflection methods based on a conductor waveguide. The method explained in this work can be used for other type of materials and its main advantage is the non-destructive character and the ease implementation.

Automated attribute inference in complex service workflows based on sharing analysis

The properties of data and activities in business processes can be used to greatly facilítate several relevant tasks performed at design- and run-time, such as fragmentation, compliance checking, or top-down design. Business processes are often described using workflows. We present an approach for mechanically inferring business domain-specific attributes of workflow components (including data Ítems, activities, and elements of sub-workflows), taking as starting point known attributes of workflow inputs and the structure of the workflow. We achieve this by modeling these components as concepts and applying sharing analysis to a Horn clause-based representation of the workflow. The analysis is applicable to workflows featuring complex control and data dependencies, embedded control constructs, such as loops and branches, and embedded component services.

A flexible (C)LP-based approach to the analysis of object-oriented programs

Static analyses of object-oriented programs usually rely on intermediate representations that respect the original semantics while having a more uniform and basic syntax. Most of the work involving object-oriented languages and abstract interpretation usually omits the description of that language or just refers to the Control Flow Graph(CFG) it represents. However, this lack of formalization on one hand results in an absence of assurances regarding the correctness of the transformation and on the other it typically strongly couples the analysis to the source language. In this work we present a framework for analysis of object-oriented languages in which in a first phase we transform the input program into a representation based on Horn clauses. This allows on one hand proving the transformation correct attending to a simple condition and on the other being able to apply an existing analyzer for (constraint) logic programming to automatically derive a safe approximation of the semantics of the original program. The approach is flexible in the sense that the first phase decouples the analyzer from most languagedependent features, and correct because the set of Horn clauses returned by the transformation phase safely approximates the standard semantics of the input program. The resulting analysis is also reasonably scalable due to the use of mature, modular (C)LP-based analyzers. The overall approach allows us to report results for medium-sized programs.

Amplificador de señal analógico basado en conceptos biomiméticos. Desarrollo de modelos computacionales y validación experimental

La presente tesis doctoral estudia las características de un transductor acústico bioinspirado en la estructura del maxilar inferior de un Zifio de Couvier (Ziphius cavirostris). El mecanismo de funcionamiento del sensor se basa en las características de un sistema acoplado formado por los distintos componentes acústicos identificados en el maxilar. Para analizar las características del sensor se propone un modelo simplificado 2D que consta de una cavidad cerrada con forma de bocina acoplada a una lengüeta. Una parte de la lengüeta se encuentra dentro de la cavidad y otra en el exterior. Dicha lengüeta detecta los cambios de presión acústica y las vibraciones generadas por el sonido y las transmite con ondas de flexión al interior de la cavidad. La excitación prolongada sobre la placa puede provocar la activación de los modos propios del sistema acoplado. Dichos modos se caracterizan porque presentan un máximo de presión en el cono de la bocina la cual a su vez actúa como un amplificador acústico. Mediante el Método de los elementos Finitos se analizan las características acústicas del sensor y se construye un prototipo experimental para validar los resultados evaluados en el modelo numérico. Se propone una metodología numérica que permite desarrollar y validar un elemento tetraédrico para caracterizar el comportamiento isotrópico de los medios porosos. La metodología permite construir elementos de línea y bidimensionales. A partir de esta metodología se desarrolla un elemento plano ortotrópico. Se realiza un modelo de la cavidad en el que una de las paredes de la bocina está constituida por material poroso y se une la parte exterior de la lengüeta a dicho material para que constituya una viga sobre un apoyo elástico. Se calcula la respuesta modal y se discuten los efectos del material poroso en la eficiencia del transductor y las posibles mejoras a introducir en el mismo. SUMMARY This Thesis studies the characteristics of an acoustic transducer bioinspired by the structure of the lower maxilla of an odontoceto. In this case a Cuvier’s beaked whale (Ziphius cavirostris). The transducer working mechanism is based in a coupled system, with components identified in the maxilla. To analyze the transducer a simplified 2D model composed by a horn shaped closed cavity is modeled. The cavity is coupled with a flat belt. The belt has one part inside the cavity and the other part outside of it. The belt traverses the cavity wall and it is in charge to pick the vibrations from outside and introduce it inside the cavity. The transmission is obtained through the belt bending. A sustained external load with the right frequency contents will allow the system to reach a stationary pressure intensity distribution inside the cavity. Frequencies with modal shapes that show an important intensity increase at the horn tip are of special interest because of the signal amplification. A finite element model is constructed to study the transducer coupled modes and a prototype is constructed to validate the numerical results. A numerical methodology to construct and validate a tetrahedral finite element for isotropic porous materials is presented. The methodology allows constructing linear and 2D elements. It is extended to model orthotropic porous materials behavior. At the end, one of the horn walls is made of an orthotropic material and the external belt is glued to it in order to configure a belt over an elastic foundation. Modal response is evaluated and the porous material effects in the transducer efficiency and further improvements are discussed.

Inference Models in DNA Computing

La computación molecular es una disciplina que se ocupa del diseño e implementación de dispositivos para el procesamiento de información sobre un sustrato biológico, como el ácido desoxirribonucleico (ADN), el ácido ribonucleico (ARN) o las proteínas. Desde que Watson y Crick descubrieron en los años cincuenta la estructura molecular del ADN en forma de doble hélice, se desencadenaron otros descubrimientos, como las enzimas de restricción o la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), contribuyendo de manera determinante a la irrupción de la tecnología del ADN recombinante. Gracias a esta tecnología y al descenso vertiginoso de los precios de secuenciación y síntesis del ADN, la computación biomolecular pudo abandonar su concepción puramente teórica. El trabajo presentado por Adleman (1994) logró resolver un problema de computación NP-completo (El Problema del Camino de Hamilton dirigido) utilizando únicamente moléculas de ADN. La gran capacidad de procesamiento en paralelo ofrecida por las técnicas del ADN recombinante permitió a Adleman ser capaz de resolver dicho problema en tiempo polinómico, aunque a costa de un consumo exponencial de moléculas de ADN. Utilizando algoritmos de fuerza bruta similares al utilizado por Adleman se logró resolver otros problemas NP-completos, como por ejemplo el de Satisfacibilidad de Fórmulas Lógicas / SAT (Lipton, 1995). Pronto se comprendió que la computación biomolecular no podía competir en velocidad ni precisión con los ordenadores de silicio, por lo que su enfoque y objetivos se centraron en la resolución de problemas con aplicación biomédica (Simmel, 2007), dejando de lado la resolución de problemas clásicos de computación. Desde entonces se han propuesto diversos modelos de dispositivos biomoleculares que, de forma autónoma (sin necesidad de un bio-ingeniero realizando operaciones de laboratorio), son capaces de procesar como entrada un sustrato biológico y proporcionar una salida también en formato biológico: procesadores que aprovechan la extensión de la polimerasa (Hagiya et al., 1997), autómatas que funcionan con enzimas de restricción (Benenson et al., 2001) o con deoxiribozimas (Stojanovic et al., 2002), o circuitos de hibridación competitiva (Yurke et al., 2000). Esta tesis presenta un conjunto de modelos de dispositivos de ácidos nucleicos capaces de implementar diversas operaciones de computación lógica aprovechando técnicas de computación biomolecular (hibridación competitiva del ADN y reacciones enzimáticas) con aplicaciones en diagnóstico genético. El primer conjunto de modelos, presentados en el Capítulo 5 y publicados en Sainz de Murieta and Rodríguez-Patón (2012b), Rodríguez-Patón et al. (2010a) y Sainz de Murieta and Rodríguez-Patón (2010), define un tipo de biosensor que usa hebras simples de ADN para codificar reglas sencillas, como por ejemplo "SI hebra-ADN-1 Y hebra-ADN-2 presentes, ENTONCES enfermedad-B". Estas reglas interactúan con señales de entrada (ADN o ARN de cualquier tipo) para producir una señal de salida (también en forma de ácido nucleico). Dicha señal de salida representa un diagnóstico, que puede medirse mediante partículas fluorescentes técnicas FRET) o incluso ser un tratamiento administrado en respuesta a un conjunto de síntomas. El modelo presentado en el Capítulo 5, publicado en Rodríguez-Patón et al. (2011), es capaz de ejecutar cadenas de resolución sobre fórmulas lógicas en forma normal conjuntiva. Cada cláusula de una fórmula se codifica en una molécula de ADN. Cada proposición p se codifica asignándole una hebra simple de ADN, y la correspondiente hebra complementaria a la proposición ¬p. Las cláusulas se codifican incluyendo distintas proposiciones en la misma hebra de ADN. El modelo permite ejecutar programas lógicos de cláusulas Horn aplicando múltiples iteraciones de resolución en cascada, con el fin de implementar la función de un nanodispositivo autónomo programable. Esta técnica también puede emplearse para resolver SAP sin ayuda externa. El modelo presentado en el Capítulo 6 se ha publicado en publicado en Sainz de Murieta and Rodríguez-Patón (2012c), y el modelo presentado en el Capítulo 7 se ha publicado en (Sainz de Murieta and Rodríguez-Patón, 2013c). Aunque explotan métodos de computación biomolecular diferentes (hibridación competitiva de ADN en el Capítulo 6 frente a reacciones enzimáticas en el 7), ambos modelos son capaces de realizar inferencia Bayesiana. Funcionan tomando hebras simples de ADN como entrada, representando la presencia o la ausencia de un indicador molecular concreto (una evidencia). La probabilidad a priori de una enfermedad, así como la probabilidad condicionada de una señal (o síntoma) dada la enfermedad representan la base de conocimiento, y se codifican combinando distintas moléculas de ADN y sus concentraciones relativas. Cuando las moléculas de entrada interaccionan con las de la base de conocimiento, se liberan dos clases de hebras de ADN, cuya proporción relativa representa la aplicación del teorema de Bayes: la probabilidad condicionada de la enfermedad dada la señal (o síntoma). Todos estos dispositivos pueden verse como elementos básicos que, combinados modularmente, permiten la implementación de sistemas in vitro a partir de sensores de ADN, capaces de percibir y procesar señales biológicas. Este tipo de autómatas tienen en la actualidad una gran potencial, además de una gran repercusión científica. Un perfecto ejemplo fue la publicación de (Xie et al., 2011) en Science, presentando un autómata biomolecular de diagnóstico capaz de activar selectivamente el proceso de apoptosis en células cancerígenas sin afectar a células sanas.

Diseño, implementación y verificación de una antena de microondas

A lo largo de este proyecto se han tratado las diferentes fases que tienen lugar durante el desarrollo del programa de Diseño y Verificación de una Bocina en Banda C destinada a un satélite comercial de comunicaciones. En un primer lugar, se introduce el proyecto en el mundo real realizando una pequeña aproximación a los satélites artificiales y su historia. Después, en una primera fase, se describen los diversos puntos de la etapa de diseño y los resultados de la simulación de nuestra Antena. Se estudian por separado los diferentes elementos que componen el equipo, y además, se realiza un análisis de los parámetros eléctricos que se deben tener en cuenta durante el diseño para adaptar el comportamiento de la Antena a los requisitos solicitados por el cliente. Antes de realizar la verificación de la Antena, se procede a la definición de los ensayos, que se debe realizar sobre el equipo con el fin de simular las condiciones a las que se verá sometido. Pruebas y medidas, niveles de test, etc. que nos ayudan a demostrar que nuestra Antena está preparada para realizar su misión en el espacio. Se hará una descripción sobre la forma de realizar de los ensayos y de las instalaciones donde se van a llevar a cabo, además del orden que llevaremos durante la campaña. Una vez determinados los test y con la Antena fabricada y lista, se procede a la Verificación de nuestro equipo mediante la Campaña de Ensayos con el objetivo de caracterizar por completo el funcionamiento de nuestra Antena en cualquier circunstancia. Se muestran los resultados obtenidos en los test siguiendo el orden establecido por el Test Plan. Medidas en Laboratorio y Radiación, los test de vibración y las pruebas ambientales en las Cámaras Térmicas de Vacío, y medidas eléctricas en condiciones extremas de temperatura y presión. Y una vez realizada la Campaña, se vuelve a medir la Antena para comprobar el funcionamiento tras soportar todos los ensayos. Se analizan los resultados obtenidos en cada una de las pruebas y se comparan con las simulaciones obtenidas durante la fase de diseño. Finalmente, se realiza un pequeño resumen de los valores más importantes obtenidos durante la Verificación y exponen las Conclusiones que se desprende de dicho proceso. Como último punto del proyecto, se estudian las correcciones y mejoras que se podrán llevar a cabo en futuros programas gracias a lo que hemos aprendido en este proyecto. Abstract This project presents a C Band Horn Antenna for a commercial communications satellite. All the different phases from Design to Verification are presented. First of all, an introduction to artificial satellites and their history is presented to put this project into perspective. Next, the electrical design of the Antenna is presented. Taking into account the theoretical fundamentals, each element that comprises this Antenna was designed. Their electrical performances, obtained from analysis using commercial software, are presented in the simulation results. In the design of each element of the antenna, some critical parameters are set and optimized in order to be compliant with the global requirements requested by the customer. After the design is completed, it is necessary to define the Test Campaign that has to be carried out in order to verify the validity of the designed and manufactured Antenna. Therefore, a Test Plan and the Electrical and Environmental Test Procedures are defined. This Test Campaign must be representative of the same conditions of the real space mission. Considering this, the following are defined: parameters for the network analyzer and radiation patterns measurements; test levels for the environmental test; definition of the RF measurements to be carried out and the temperatures to be applied in the thermal vacuum cycling. If the Antenna surpasses these tests, it will be ready to perform its mission in space over the entire satellite’s life cycle. The facilities where the tests are performed, as well as the sequence of the tests along the campaign are described too. After that, the Test Campaign is performed to fully characterize the Antenna in the space simulated conditions. Following the order established in the Test Plan, a radiation pattern and laboratory parameters are measured to correlate its electrical response with the simulations. Then, vibration and thermal vacuum tests are performed to verify its behavior in extreme environmental conditions. Last, if the final electrical results are the same as the initial ones, it can be stated that the antenna has successfully passed the Test Campaign. And finally, conclusions obtained from the data simulation design and Test Campaign results are presented. Status of Compliance with the specification is shown to demonstrate that the Antenna fulfills the requested requirements. Although the purpose of this project is to design and verify the response of C Band Horn Antenna, it is important to highlight improvements for future developments and the lessons learnt during this project.

Analysis of service-oriented computing systems

La computación basada en servicios (Service-Oriented Computing, SOC) se estableció como un paradigma ampliamente aceptado para el desarollo de sistemas de software flexibles, distribuidos y adaptables, donde las composiciones de los servicios realizan las tareas más complejas o de nivel más alto, frecuentemente tareas inter-organizativas usando los servicios atómicos u otras composiciones de servicios. En tales sistemas, las propriedades de la calidad de servicio (Quality of Service, QoS), como la rapídez de procesamiento, coste, disponibilidad o seguridad, son críticas para la usabilidad de los servicios o sus composiciones en cualquier aplicación concreta. El análisis de estas propriedades se puede realizarse de una forma más precisa y rica en información si se utilizan las técnicas de análisis de programas, como el análisis de complejidad o de compartición de datos, que son capables de analizar simultáneamente tanto las estructuras de control como las de datos, dependencias y operaciones en una composición. El análisis de coste computacional para la composicion de servicios puede ayudar a una monitorización predictiva así como a una adaptación proactiva a través de una inferencia automática de coste computacional, usando los limites altos y bajos como funciones del valor o del tamaño de los mensajes de entrada. Tales funciones de coste se pueden usar para adaptación en la forma de selección de los candidatos entre los servicios que minimizan el coste total de la composición, basado en los datos reales que se pasan al servicio. Las funciones de coste también pueden ser combinadas con los parámetros extraídos empíricamente desde la infraestructura, para producir las funciones de los límites de QoS sobre los datos de entrada, cuales se pueden usar para previsar, en el momento de invocación, las violaciones de los compromisos al nivel de servicios (Service Level Agreements, SLA) potenciales or inminentes. En las composiciones críticas, una previsión continua de QoS bastante eficaz y precisa se puede basar en el modelado con restricciones de QoS desde la estructura de la composition, datos empiricos en tiempo de ejecución y (cuando estén disponibles) los resultados del análisis de complejidad. Este enfoque se puede aplicar a las orquestaciones de servicios con un control centralizado del flujo, así como a las coreografías con participantes multiples, siguiendo unas interacciones complejas que modifican su estado. El análisis del compartición de datos puede servir de apoyo para acciones de adaptación, como la paralelización, fragmentación y selección de los componentes, las cuales son basadas en dependencias funcionales y en el contenido de información en los mensajes, datos internos y las actividades de la composición, cuando se usan construcciones de control complejas, como bucles, bifurcaciones y flujos anidados. Tanto las dependencias funcionales como el contenido de información (descrito a través de algunos atributos definidos por el usuario) se pueden expresar usando una representación basada en la lógica de primer orden (claúsulas de Horn), y los resultados del análisis se pueden interpretar como modelos conceptuales basados en retículos. ABSTRACT Service-Oriented Computing (SOC) is a widely accepted paradigm for development of flexible, distributed and adaptable software systems, in which service compositions perform more complex, higher-level, often cross-organizational tasks using atomic services or other service compositions. In such systems, Quality of Service (QoS) properties, such as the performance, cost, availability or security, are critical for the usability of services and their compositions in concrete applications. Analysis of these properties can become more precise and richer in information, if it employs program analysis techniques, such as the complexity and sharing analyses, which are able to simultaneously take into account both the control and the data structures, dependencies, and operations in a composition. Computation cost analysis for service composition can support predictive monitoring and proactive adaptation by automatically inferring computation cost using the upper and lower bound functions of value or size of input messages. These cost functions can be used for adaptation by selecting service candidates that minimize total cost of the composition, based on the actual data that is passed to them. The cost functions can also be combined with the empirically collected infrastructural parameters to produce QoS bounds functions of input data that can be used to predict potential or imminent Service Level Agreement (SLA) violations at the moment of invocation. In mission-critical applications, an effective and accurate continuous QoS prediction, based on continuations, can be achieved by constraint modeling of composition QoS based on its structure, known data at runtime, and (when available) the results of complexity analysis. This approach can be applied to service orchestrations with centralized flow control, and choreographies with multiple participants with complex stateful interactions. Sharing analysis can support adaptation actions, such as parallelization, fragmentation, and component selection, which are based on functional dependencies and information content of the composition messages, internal data, and activities, in presence of complex control constructs, such as loops, branches, and sub-workflows. Both the functional dependencies and the information content (described using user-defined attributes) can be expressed using a first-order logic (Horn clause) representation, and the analysis results can be interpreted as a lattice-based conceptual models.