Broadband active differential array for the mid-frequency SKA band

This paper presents the design and characterization process of an active array demonstrator for the mid-frequency range (i.e., 300 MHz-1000 MHz) of the future Square Kilometre Array (SKA) radio telescope. This demonstrator, called FIDA3 (FG-IGN: Fundación General Instituto Geográfico Nacional - Differential Active Antenna Array), is part of the Spanish contribution for the SKA project. The main advantages provided by this design include the use of a dielectric-free structure, and the use of a fully-differential receiver in which differential low-noise amplifiers (LNAs) are directly connected to the balanced tapered-slot antennas (TSAs). First, the radiating structure and the differential low-noise amplifiers were separately designed and measured, obtaining good results (antenna elements with low voltage standing-wave ratios, array scanning capabilities up to 45°, and noise temperatures better than 52 K with low-noise amplifiers at room temperature). The potential problems due to the differential nature of the proposed solution are discussed, so some effective methods to overcome such limitations are proposed. Second, the complete active antenna array receiving system was assembled, and a 1 m2 active antenna array tile was characterized.

Low-Profile Dual Circularly Polarized Antenna Array for Satellite Communications in the X Band

A planar antenna is introduced that works as a portable system for X-band satellite communications. This antenna is low-profile and modular with dimensions of 40 × 40 × 2.5 × cm. It is composed of a square array of 144 printed circuit elements that cover a wide bandwidth (14.7%) for transmission and reception along with dual and interchangeable circular polarization. A radiation efficiency above 50% is achieved by a low-loss stripline feeding network. This printed antenna has a 3 dB beamwidth of 5°, a maximum gain of 26 dBi and an axial ratio under 1.9 dB over the entire frequency band. The complete design of the antenna is shown, and the measurements are compared with simulations to reveal very good agreement.

Advanced Topics in Resource Analysis: Certification, Incrementality, Concurrency and Array-Sensitivity

El Análisis de Consumo de Recursos o Análisis de Coste trata de aproximar el coste de ejecutar un programa como una función dependiente de sus datos de entrada. A pesar de que existen trabajos previos a esta tesis doctoral que desarrollan potentes marcos para el análisis de coste de programas orientados a objetos, algunos aspectos avanzados, como la eficiencia, la precisión y la fiabilidad de los resultados, todavía deben ser estudiados en profundidad. Esta tesis aborda estos aspectos desde cuatro perspectivas diferentes: (1) Las estructuras de datos compartidas en la memoria del programa son una pesadilla para el análisis estático de programas. Trabajos recientes proponen una serie de condiciones de localidad para poder mantener de forma consistente información sobre los atributos de los objetos almacenados en memoria compartida, reemplazando éstos por variables locales no almacenadas en la memoria compartida. En esta tesis presentamos dos extensiones a estos trabajos: la primera es considerar, no sólo los accesos a los atributos, sino también los accesos a los elementos almacenados en arrays; la segunda se centra en los casos en los que las condiciones de localidad no se cumplen de forma incondicional, para lo cual, proponemos una técnica para encontrar las precondiciones necesarias para garantizar la consistencia de la información acerca de los datos almacenados en memoria. (2) El objetivo del análisis incremental es, dado un programa, los resultados de su análisis y una serie de cambios sobre el programa, obtener los nuevos resultados del análisis de la forma más eficiente posible, evitando reanalizar aquellos fragmentos de código que no se hayan visto afectados por los cambios. Los analizadores actuales todavía leen y analizan el programa completo de forma no incremental. Esta tesis presenta un análisis de coste incremental, que, dado un cambio en el programa, reconstruye la información sobre el coste del programa de todos los métodos afectados por el cambio de forma incremental. Para esto, proponemos (i) un algoritmo multi-dominio y de punto fijo que puede ser utilizado en todos los análisis globales necesarios para inferir el coste, y (ii) una novedosa forma de almacenar las expresiones de coste que nos permite reconstruir de forma incremental únicamente las funciones de coste de aquellos componentes afectados por el cambio. (3) Las garantías de coste obtenidas de forma automática por herramientas de análisis estático no son consideradas totalmente fiables salvo que la implementación de la herramienta o los resultados obtenidos sean verificados formalmente. Llevar a cabo el análisis de estas herramientas es una tarea titánica, ya que se trata de herramientas de gran tamaño y complejidad. En esta tesis nos centramos en el desarrollo de un marco formal para la verificación de las garantías de coste obtenidas por los analizadores en lugar de analizar las herramientas. Hemos implementado esta idea mediante la herramienta COSTA, un analizador de coste para programas Java y KeY, una herramienta de verificación de programas Java. De esta forma, COSTA genera las garantías de coste, mientras que KeY prueba la validez formal de los resultados obtenidos, generando de esta forma garantías de coste verificadas. (4) Hoy en día la concurrencia y los programas distribuidos son clave en el desarrollo de software. Los objetos concurrentes son un modelo de concurrencia asentado para el desarrollo de sistemas concurrentes. En este modelo, los objetos son las unidades de concurrencia y se comunican entre ellos mediante llamadas asíncronas a sus métodos. La distribución de las tareas sugiere que el análisis de coste debe inferir el coste de los diferentes componentes distribuidos por separado. En esta tesis proponemos un análisis de coste sensible a objetos que, utilizando los resultados obtenidos mediante un análisis de apunta-a, mantiene el coste de los diferentes componentes de forma independiente. Abstract Resource Analysis (a.k.a. Cost Analysis) tries to approximate the cost of executing programs as functions on their input data sizes and without actually having to execute the programs. While a powerful resource analysis framework on object-oriented programs existed before this thesis, advanced aspects to improve the efficiency, the accuracy and the reliability of the results of the analysis still need to be further investigated. This thesis tackles this need from the following four different perspectives. (1) Shared mutable data structures are the bane of formal reasoning and static analysis. Analyses which keep track of heap-allocated data are referred to as heap-sensitive. Recent work proposes locality conditions for soundly tracking field accesses by means of ghost non-heap allocated variables. In this thesis we present two extensions to this approach: the first extension is to consider arrays accesses (in addition to object fields), while the second extension focuses on handling cases for which the locality conditions cannot be proven unconditionally by finding aliasing preconditions under which tracking such heap locations is feasible. (2) The aim of incremental analysis is, given a program, its analysis results and a series of changes to the program, to obtain the new analysis results as efficiently as possible and, ideally, without having to (re-)analyze fragments of code that are not affected by the changes. During software development, programs are permanently modified but most analyzers still read and analyze the entire program at once in a non-incremental way. This thesis presents an incremental resource usage analysis which, after a change in the program is made, is able to reconstruct the upper-bounds of all affected methods in an incremental way. To this purpose, we propose (i) a multi-domain incremental fixed-point algorithm which can be used by all global analyses required to infer the cost, and (ii) a novel form of cost summaries that allows us to incrementally reconstruct only those components of cost functions affected by the change. (3) Resource guarantees that are automatically inferred by static analysis tools are generally not considered completely trustworthy, unless the tool implementation or the results are formally verified. Performing full-blown verification of such tools is a daunting task, since they are large and complex. In this thesis we focus on the development of a formal framework for the verification of the resource guarantees obtained by the analyzers, instead of verifying the tools. We have implemented this idea using COSTA, a state-of-the-art cost analyzer for Java programs and KeY, a state-of-the-art verification tool for Java source code. COSTA is able to derive upper-bounds of Java programs while KeY proves the validity of these bounds and provides a certificate. The main contribution of our work is to show that the proposed tools cooperation can be used for automatically producing verified resource guarantees. (4) Distribution and concurrency are today mainstream. Concurrent objects form a well established model for distributed concurrent systems. In this model, objects are the concurrency units that communicate via asynchronous method calls. Distribution suggests that analysis must infer the cost of the diverse distributed components separately. In this thesis we propose a novel object-sensitive cost analysis which, by using the results gathered by a points-to analysis, can keep the cost of the diverse distributed components separate.

Fast magnetosonic wave excitation by an array of wires with time-modulated currents

The excitation of Fast Magnetosonic (FMS)waves by a cylindrical array of parallel tethers carrying timemodulated current is discussed. The tethers would fly vertical in the equatorial plane, which is perpendicular to the geomagnetic field when its tilt is ignored, and would be stabilized by the gravity gradient. The tether array would radiate a single FMS wave. In the time-dependent background made of geomagnetic field plus radiated wave, plasma FMS perturbations are excited in the array vicinity through a parametric instability. The growth rate is estimated by truncating the evolution equation for FMS perturbations to the two azimuthal modes of lowest order. Design parameters such as tether length and number, required power and mass are discussed for Low Earth Orbit conditions. The array-attached wave structure would have the radiated wave controlled by the intensity and modulation frequency of the currents, making an active experiment on non-linear low frequency waves possible in real space plasma conditions.

Aspects of a phased array radar feed and bias network design

Radar technologies have been developed to improve the efficiency when detecting targets. Radar is a system composed by several devices connected and working together. Depending on the type of radar, the improvements are focused on different functionalities of the radar. One of the most important devices composing a radar is the antenna, that sends the radio-frequency signal to the space in order to detect targets. This project is focused on a specific type of radar called phased array radar. This type of radar is characterized by its antenna, which consist on a linear array of radiating elements, in this particular case, eight dipoles working at the frequency band S. The main advantage introduced by the phased array antenna is that using the fundamentals of arrays, the directivity of the antenna can change by shifting the phase of the signal at the input of each radiating element. This can be done using phase shifters. Phase shifter consists on a device which produces a phase shift in the radio-frequency input signal depending on a control DC voltage. Using a phased array antenna allows changing the directivity of the antenna without a mechanical rotating system. The objective of this project is to design the feed network and the bias network of the phased antenna. The feed network consists on a parallel-fed network composed by power dividers that sends the radio-frequency signal from the source to each radiating element of the antenna. The bias network consists on a system that generates the control DC voltages supplied to the phase shifters in order to change the directivity. The architecture of the bias network is composed by a software, implemented in Matlab and run in a laptop which is connected to a micro-controller by a serial communication port. The software calculates the control DC voltages needed to obtain a determined directivity or scan angle. These values are sent by the serial communication port to the micro-controller as data. Then the micro-controller generates the desired control DC voltages and supplies them to the phase shifters. In this project two solutions for bias network are designed. Each one is tested and final conclusions are obtained to determine the advantages and disadvantages. Finally a graphic user interface is developed in order to make the system easy to use. RESUMEN. Las tecnologías empleadas por lo dispositivos radar se han ido desarrollando para mejorar su eficiencia y usabilidad. Un radar es un sistema formado por varios subsistemas conectados entre sí. Por lo que dependiendo del tipo de radar las mejoras se centran en los subsistemas correspondientes. Uno de los elementos más importantes de un radar es la antena. Esta se emplea para enviar la señal de radiofrecuencia al espacio y así poder detectar los posibles obstáculos del entorno. Este proyecto se centra en un tipo específico de radar llamado phased array radar. Este tipo de radar se caracteriza por la antena que es un array de antenas, en concreto para este proyecto se trata de un array lineal de ocho dipolos en la banda de frequencia S. El uso de una antena de tipo phased array supone una ventaja importante. Empleando los fundamentos de radiación aplicado a array de antenas se obtiene que la directividad de la antena puede ser modificada. Esto se consigue aplicando distintos desfasajes a la señal de radiofrecuencia que alimenta a cada elemento del array. Para aplicar los desfasajes se emplea un desplazador de fase, este dispositivo aplica una diferencia de fase a su salida con respecto a la señal de entrada dependiendo de una tensión continua de control. Por tanto el empleo de una antena de tipo phased array supone una gran ventaja puesto que no se necesita un sistema de rotación para cambiar la directividad de la antena. El objetivo principal del proyecto consiste en el diseño de la red de alimentación y la red de polarización de la antena de tipo phased array. La red de alimentación consiste en un circuito pasivo que permite alimentar a cada elemento del array con la misma cantidad de señal. Dicha red estará formada por divisores de potencia pasivos y su configuración será en paralelo. Por otro lado la red de polarización consiste en el diseño de un sistema automático que permite cambiar la directividad de la antena. Este sistema consiste en un programa en Matlab que es ejecutado en un ordenador conectado a un micro-controlador mediante una comunicación serie. El funcionamiento se basa en calcular las tensiones continuas de control, que necesitan los desplazadores de fase, mediante un programa en Matlab y enviarlos como datos al micro-controlador. Dicho micro-controlador genera las tensiones de control deseadas y las proporciona a cada desplazador de fase, obteniendo así la directividad deseada. Debido al amplio abanico de posibilidades, se obtienen dos soluciones que son sometidas a pruebas. Se obtienen las ventajas y desventajas de cada una. Finalmente se implementa una interfaz gráfica de usuario con el objetivo de hacer dicho sistema manejable y entendible para cualquier usuario.

Using array based techniques for noise source identification in cars

Una de las principales causas del ruido en nuestras ciudades es el tráfico rodado. El ruido generado por los vehículos no es sólo debido al motor, sino que existen diversas fuentes de ruido en los mismos, entre las que se puede destacar el ruido de rodadura. Para localizar las causas del ruido e identificar las principales fuentes del mismo se han utilizado en diversos estudios las técnicas de coherencia y las técnicas basadas en arrays. Sin embargo, en la bibliografía existente, no es habitual encontrar el uso de estas técnicas en el sector automovilístico. En esta tesis se parte de la premisa de la posibilidad de usar estas técnicas de medida en coches, para demostrar a la largo de la misma su factibilidad y su bondad para evaluar las fuentes de ruido en dos condiciones distintas: cuando el coche está parado y cuando está en movimiento. Como técnica de coherencia se elige la de Intensidad Selectiva, utilizándose la misma para evaluar la coherencia existente entre el ruido que llega a los oídos del conductor y la intensidad radiada por distintos puntos del motor. Para la localización de fuentes de ruido, las técnicas basadas en array son las que mejores resultados ofrecen. Statistically Optimized Near-field Acoustical Holography (SONAH) es la técnica elegida para la localización y caracterización de las fuentes de ruido en el motor a baja frecuencia. En cambio, Beamforming es la técnica seleccionada para el caso de media-alta frecuencia y para la evaluación de las fuentes de ruido cuando el coche se encuentra en movimiento. Las técnicas propuestas no sólo pueden utilizarse en medidas reales, sino que además proporcionan abundante información y frecen una gran versatilidad a la hora de caracterizar fuentes de ruido. ABSTRACT One of the most important noise causes in our cities is the traffic. The noise generated by the vehicles is not only due to the engine, but there are some other noise sources. Among them the tyre/road noise can be highlighted. Coherence and array based techniques have been used in some research to locate the noise causes and identify the main noise sources. Nevertheless, it is not usual in the literature to find the application of this kind of techniques in the car sector. This Thesis starts taking into account the possibility of using this kind of measurement techniques in cars, to demonstrate their feasability and their quality to evaluate the noise sources under two different conditions: when the car is stopped and when it is in movement. Selective Intensity was chosen as coherence technique, evaluating the coherence between the noise in the driver’s ears and the intensity radiated in different points of the engine. Array based techniques carry out the best results to noise source location. Statistically Optimized Near-field Acoustical Holography (SONAH) is the measurement technique chosen for noise source location and characterization in the engine at low frequency. On the other hand, Beamforming is the technique chosen in the case of medium-high frequency and to characterize the noise sources when the car is in movement. The proposed techniques not only can be used in actual measurements, but also provide a lot of information and are very versatile to noise source characterization.

Large aperture antenna arrays with subband delay compensation for reception of wideband satellite signals

Con esta disertación se pretenden resolver algunos de los problemas encontrados actualmente en la recepción de señales de satélites bajo dos escenarios particularmente exigentes: comunicaciones de Espacio Profundo y en banda Ka. Las comunicaciones con sondas de Espacio Profundo necesitan grandes aperturas en tierra para poder incrementar la velocidad de datos. La opción de usar antennas con diámetro mayor de 35 metros tiene serios problemas, pues antenas tan grandes son caras de mantener, difíciles de apuntar, pueden tener largos tiempo de reparación y además tienen una efeciencia decreciente a medida que se utilizan bandas más altas. Soluciones basadas en agrupaciones de antenas de menor tamaño (12 ó 35 metros) son mas ecónomicas y factibles técnicamente. Las comunicaciones en banda Ka tambien pueden beneficiarse de la combinación de múltiples antennas. Las antenas de menor tamaño son más fáciles de apuntar y además tienen un campo de visión mayor. Además, las técnicas de diversidad espacial pueden ser reemplazadas por una combinación de antenas para así incrementar el margen del enlace. La combinación de antenas muy alejadas sobre grandes anchos de banda, bien por recibir una señal de banda ancha o múltiples de banda estrecha, es complicada técnicamente. En esta disertación se demostrará que el uso de conformador de haz en el dominio de la frecuencia puede ayudar a relajar los requisitos de calibración y, al mismo tiempo, proporcionar un mayor campo de visión y mayores capacidades de ecualización. Para llevar esto a cabo, el trabajo ha girado en torno a tres aspectos fundamentales. El primero es la investigación bibliográfica del trabajo existente en este campo. El segundo es el modelado matemático del proceso de combinación y el desarrollo de nuevos algoritmos de estimación de fase y retardo. Y el tercero es la propuesta de nuevas aplicaciones en las que usar estas técnicas. La investigación bibliográfica se centra principalmente en los capítulos 1, 2, 4 y 5. El capítulo 1 da una breve introducción a la teoría de combinación de antenas de gran apertura. En este capítulo, los principales campos de aplicación son descritos y además se establece la necesidad de compensar retardos en subbandas. La teoría de bancos de filtros se expone en el capítulo 2; se selecciona y simula un banco de filtros modulado uniformemente con fase lineal. Las propiedades de convergencia de varios filtros adaptativos se muestran en el capítulo 4. Y finalmente, las técnicas de estimación de retardo son estudiadas y resumidas en el capítulo 5. Desde el punto de vista matemático, las principales contribución de esta disertación han sido: • Sección 3.1.4. Cálculo de la desviación de haz de un conformador de haz con compensación de retardo en pasos discretos en frecuencia intermedia. • Sección 3.2. Modelo matemático de un conformador de haz en subbandas. • Sección 3.2.2. Cálculo de la desviación de haz de un conformador de haz en subbandas con un buffer de retardo grueso. • Sección 3.2.4. Análisis de la influencia de los alias internos en la compensación en subbandas de retardo y fase. • Sección 3.2.4.2. Cálculo de la desviación de haz de un conformador de haz con compensación de retardo en subbandas. • Sección 3.2.6. Cálculo de la ganancia de relación señal a ruido de la agrupación de antenas en cada una de las subbandas. • Sección 3.3.2. Modelado de la función de transferencia de la agrupación de antenas bajo errores de estimación de retardo. • Sección 3.3.3. Modelado de los efectos de derivas de fase y retardo entre actualizaciones de las estimaciones. • Sección 3.4. Cálculo de la directividad de la agrupación de antenas con y sin compensación de retardos en subbandas. • Sección 5.2.6. Desarrollo de un algorimo para estimar la fase y el retardo entre dos señales a partir de su descomposición de subbandas bajo entornos estacionarios. • Sección 5.5.1. Desarrollo de un algorimo para estimar la fase, el retardo y la deriva de retardo entre dos señales a partir de su descomposición de subbandas bajo entornos no estacionarios. Las aplicaciones que se pueden beneficiar de estas técnicas son descritas en el capítulo 7: • Sección 6.2. Agrupaciones de antenas para comunicaciones de Espacio Profundo con capacidad multihaz y sin requisitos de calibración geométrica o de retardo de grupo. • Sección 6.2.6. Combinación en banda ancha de antenas con separaciones de miles de kilómetros, para recepción de sondas de espacio profundo. • Secciones 6.4 and 6.3. Combinación de estaciones remotas en banda Ka en escenarios de diversidad espacial, para recepción de satélites LEO o GEO. • Sección 6.3. Recepción de satélites GEO colocados con arrays de antenas multihaz. Las publicaciones a las que ha dado lugar esta tesis son las siguientes • A. Torre. Wideband antenna arraying over long distances. Interplanetary Progress Report, 42-194:1–18, 2013. En esta pulicación se resumen los resultados de las secciones 3.2, 3.2.2, 3.3.2, los algoritmos en las secciones 5.2.6, 5.5.1 y la aplicación destacada en 6.2.6. • A. Torre. Reception of wideband signals from geostationary collocated satellites with antenna arrays. IET Communications, Vol. 8, Issue 13:2229–2237, September, 2014. En esta segunda se muestran los resultados de la sección 3.2.4, el algoritmo en la sección 5.2.6.1 , y la aplicación mostrada en 6.3. ABSTRACT This dissertation is an attempt to solve some of the problems found nowadays in the reception of satellite signals under two particular challenging scenarios: Deep Space and Ka-band communications. Deep Space communications require from larger apertures on ground in order to increase the data rate. The option of using single dishes with diameters larger than 35 meters has severe drawbacks. Such antennas are expensive to maintain, prone to long downtimes, difficult to point and have a degraded performance in high frequency bands. The array solution, either with 12 meter or 35 meter antennas is deemed to be the most economically and technically feasible solution. Ka-band communications can also benefit from antenna arraying technology. The smaller aperture antennas that make up the array are easier to point and have a wider field of view allowing multiple simultaneous beams. Besides, site diversity techniques can be replaced by pure combination in order to increase link margin. Combination of far away antennas over a large bandwidth, either because a wideband signal or multiple narrowband signals are received, is a demanding task. This dissertation will show that the use of frequency domain beamformers with subband delay compensation can help to ease calibration requirements and, at the same time, provide with a wider field of view and enhanced equalization capabilities. In order to do so, the work has been focused on three main aspects. The first one is the bibliographic research of previous work on this subject. The second one is the mathematical modeling of the array combination process and the development of new phase/delay estimation algorithms. And the third one is the proposal of new applications in which these techniques can be used. Bibliographic research is mainly done in chapters 1, 2, 4 and 5. Chapter 1 gives a brief introduction to previous work in the field of large aperture antenna arraying. In this chapter, the main fields of application are described and the need for subband delay compensation is established. Filter bank theory is shown in chapter 2; a linear phase uniform modulated filter bank is selected and simulated under diverse conditions. The convergence properties of several adaptive filters are shown in chapter 4. Finally, delay estimation techniques are studied and summarized in chapter 5. From a mathematical point of view, the main contributions of this dissertation have been: • Section 3.1.4. Calculation of beam squint of an IF beamformer with delay compensation at discrete time steps. • Section 3.2. Establishment of a mathematical model of a subband beamformer. • Section 3.2.2. Calculation of beam squint in a subband beamformer with a coarse delay buffer. • Section 3.2.4. Analysis of the influence of internal aliasing on phase and delay subband compensation. • Section 3.2.4.2. Calculation of beam squint of a beamformer with subband delay compensation. • Section 3.2.6. Calculation of the array SNR gain at each of the subbands. • Section 3.3.2. Modeling of the transfer function of an array subject to delay estimation errors. • Section 3.3.3. Modeling of the effects of phase and delay drifts between estimation updates. • Section 3.4. Calculation of array directivity with and without subband delay compensation. • Section 5.2.6. Development of an algorithm to estimate relative delay and phase between two signals from their subband decomposition in stationary environments. • Section 5.5.1. Development of an algorithm to estimate relative delay rate, delay and phase between two signals from their subband decomposition in non stationary environments. The applications that can benefit from these techniques are described in chapter 7: • Section 6.2. Arrays of antennas for Deep Space communications with multibeam capacity and without geometric or group delay calibration requirement. • Section 6.2.6. Wideband antenna arraying over long distances, in the range of thousands of kilometers, for reception of Deep Space probes. • Sections 6.4 y 6.3. Combination of remote stations in Ka-band site diversity scenarios for reception of LEO or GEO satellites. • Section 6.3. Reception of GEO collocated satellites with multibeam antenna arrays. The publications that have been made from the work in this dissertation are • A. Torre. Wideband antenna arraying over long distances. Interplanetary Progress Report, 42-194:1–18, 2013. This article shows the results in sections 3.2, 3.2.2, 3.3.2, the algorithms in sections 5.2.6, 5.5.1 and the application in section 6.2.6. • A. Torre. Reception of wideband signals from geostationary collocated satellites with antenna arrays. IET Communications, Vol. 8, Issue 13:2229–2237, September, 2014. This second article shows among others the results in section 3.2.4, the algorithm in section 5.2.6.1 , and the application in section 6.3.