Selective area growth and characterization of InGaN nano-disks implemented in GaN nanocolumns with different top morphologies

This work reports on the morphology control of the selective area growth of GaN-based nanostructures on c-plane GaN templates. By decreasing the substrate temperature, the nanostructures morphology changes from pyramidal islands (no vertical m-planes), to GaN nanocolumns with top semipolar r-planes, and further to GaN nanocolumns with top polar c-planes. When growing InGaN nano-disks embedded into the GaN nanocolumns, the different morphologies mentioned lead to different optical properties, due to the semi-polar and polar nature of the r-planes and c-planes involved. These differences are assessed by photoluminescence measurements at low temperature and correlated to the specific nano-disk geometry.

Methods for the analysis of multi-scale cell dynamics from fluorescence microscopy images

La embriogénesis es el proceso mediante el cual una célula se convierte en un ser un vivo. A lo largo de diferentes etapas de desarrollo, la población de células va proliferando a la vez que el embrión va tomando forma y se configura. Esto es posible gracias a la acción de varios procesos genéticos, bioquímicos y mecánicos que interaccionan y se regulan entre ellos formando un sistema complejo que se organiza a diferentes escalas espaciales y temporales. Este proceso ocurre de manera robusta y reproducible, pero también con cierta variabilidad que permite la diversidad de individuos de una misma especie. La aparición de la microscopía de fluorescencia, posible gracias a proteínas fluorescentes que pueden ser adheridas a las cadenas de expresión de las células, y los avances en la física óptica de los microscopios han permitido observar este proceso de embriogénesis in-vivo y generar secuencias de imágenes tridimensionales de alta resolución espacio-temporal. Estas imágenes permiten el estudio de los procesos de desarrollo embrionario con técnicas de análisis de imagen y de datos, reconstruyendo dichos procesos para crear la representación de un embrión digital. Una de las más actuales problemáticas en este campo es entender los procesos mecánicos, de manera aislada y en interacción con otros factores como la expresión genética, para que el embrión se desarrolle. Debido a la complejidad de estos procesos, estos problemas se afrontan mediante diferentes técnicas y escalas específicas donde, a través de experimentos, pueden hacerse y confrontarse hipótesis, obteniendo conclusiones sobre el funcionamiento de los mecanismos estudiados. Esta tesis doctoral se ha enfocado sobre esta problemática intentando mejorar las metodologías del estado del arte y con un objetivo específico: estudiar patrones de deformación que emergen del movimiento organizado de las células durante diferentes estados del desarrollo del embrión, de manera global o en tejidos concretos. Estudios se han centrado en la mecánica en relación con procesos de señalización o interacciones a nivel celular o de tejido. En este trabajo, se propone un esquema para generalizar el estudio del movimiento y las interacciones mecánicas que se desprenden del mismo a diferentes escalas espaciales y temporales. Esto permitiría no sólo estudios locales, si no estudios sistemáticos de las escalas de interacción mecánica dentro de un embrión. Por tanto, el esquema propuesto obvia las causas de generación de movimiento (fuerzas) y se centra en la cuantificación de la cinemática (deformación y esfuerzos) a partir de imágenes de forma no invasiva. Hoy en día las dificultades experimentales y metodológicas y la complejidad de los sistemas biológicos impiden una descripción mecánica completa de manera sistemática. Sin embargo, patrones de deformación muestran el resultado de diferentes factores mecánicos en interacción con otros elementos dando lugar a una organización mecánica, necesaria para el desarrollo, que puede ser cuantificado a partir de la metodología propuesta en esta tesis. La metodología asume un medio continuo descrito de forma Lagrangiana (en función de las trayectorias de puntos materiales que se mueven en el sistema en lugar de puntos espaciales) de la dinámica del movimiento, estimado a partir de las imágenes mediante métodos de seguimiento de células o de técnicas de registro de imagen. Gracias a este esquema es posible describir la deformación instantánea y acumulada respecto a un estado inicial para cualquier dominio del embrión. La aplicación de esta metodología a imágenes 3D + t del pez zebra sirvió para desvelar estructuras mecánicas que tienden a estabilizarse a lo largo del tiempo en dicho embrión, y que se organizan a una escala semejante al del mapa de diferenciación celular y con indicios de correlación con patrones de expresión genética. También se aplicó la metodología al estudio del tejido amnioserosa de la Drosophila (mosca de la fruta) durante el cierre dorsal, obteniendo indicios de un acoplamiento entre escalas subcelulares, celulares y supracelulares, que genera patrones complejos en respuesta a la fuerza generada por los esqueletos de acto-myosina. En definitiva, esta tesis doctoral propone una estrategia novedosa de análisis de la dinámica celular multi-escala que permite cuantificar patrones de manera inmediata y que además ofrece una representación que reconstruye la evolución de los procesos como los ven las células, en lugar de como son observados desde el microscopio. Esta metodología por tanto permite nuevas formas de análisis y comparación de embriones y tejidos durante la embriogénesis a partir de imágenes in-vivo. ABSTRACT The embryogenesis is the process from which a single cell turns into a living organism. Through several stages of development, the cell population proliferates at the same time the embryo shapes and the organs develop gaining their functionality. This is possible through genetic, biochemical and mechanical factors that are involved in a complex interaction of processes organized in different levels and in different spatio-temporal scales. The embryogenesis, through this complexity, develops in a robust and reproducible way, but allowing variability that makes possible the diversity of living specimens. The advances in physics of microscopes and the appearance of fluorescent proteins that can be attached to expression chains, reporting about structural and functional elements of the cell, have enabled for the in-vivo observation of embryogenesis. The imaging process results in sequences of high spatio-temporal resolution 3D+time data of the embryogenesis as a digital representation of the embryos that can be further analyzed, provided new image processing and data analysis techniques are developed. One of the most relevant and challenging lines of research in the field is the quantification of the mechanical factors and processes involved in the shaping process of the embryo and their interactions with other embryogenesis factors such as genetics. Due to the complexity of the processes, studies have focused on specific problems and scales controlled in the experiments, posing and testing hypothesis to gain new biological insight. However, methodologies are often difficult to be exported to study other biological phenomena or specimens. This PhD Thesis is framed within this paradigm of research and tries to propose a systematic methodology to quantify the emergent deformation patterns from the motion estimated in in-vivo images of embryogenesis. Thanks to this strategy it would be possible to quantify not only local mechanisms, but to discover and characterize the scales of mechanical organization within the embryo. The framework focuses on the quantification of the motion kinematics (deformation and strains), neglecting the causes of the motion (forces), from images in a non-invasive way. Experimental and methodological challenges hamper the quantification of exerted forces and the mechanical properties of tissues. However, a descriptive framework of deformation patterns provides valuable insight about the organization and scales of the mechanical interactions, along the embryo development. Such a characterization would help to improve mechanical models and progressively understand the complexity of embryogenesis. This framework relies on a Lagrangian representation of the cell dynamics system based on the trajectories of points moving along the deformation. This approach of analysis enables the reconstruction of the mechanical patterning as experienced by the cells and tissues. Thus, we can build temporal profiles of deformation along stages of development, comprising both the instantaneous events and the cumulative deformation history. The application of this framework to 3D + time data of zebrafish embryogenesis allowed us to discover mechanical profiles that stabilized through time forming structures that organize in a scale comparable to the map of cell differentiation (fate map), and also suggesting correlation with genetic patterns. The framework was also applied to the analysis of the amnioserosa tissue in the drosophila’s dorsal closure, revealing that the oscillatory contraction triggered by the acto-myosin network organized complexly coupling different scales: local force generation foci, cellular morphology control mechanisms and tissue geometrical constraints. In summary, this PhD Thesis proposes a theoretical framework for the analysis of multi-scale cell dynamics that enables to quantify automatically mechanical patterns and also offers a new representation of the embryo dynamics as experienced by cells instead of how the microscope captures instantaneously the processes. Therefore, this framework enables for new strategies of quantitative analysis and comparison between embryos and tissues during embryogenesis from in-vivo images.

Control of the morphology on selective area growth of GaN nanocolumns by rf-plasma-assisted

Selective area growth (SAG) of GaN nanocolumns (NCs), making use of patterned or masked (nanoholes) substrates, yields a periodic, homogeneous distribution of nanostructures, that makes their processing much easier compared with self-assembled ones. In addition, the control on the diameter and density of NCs avoids dispersion in the electrooptical characteristics of the heterostructures based on this type of material (embedded InGaN/GaN quantum disks for example). Selective area growth using a mask with nanohole arrays has been demonstrated by rf-plasma-assisted MBE [1, 2].

Soft solution fluorine-free synthesis of anatase nanoparticles with tailored morphology

TiO2 nanoparticles with tailored morphology have been synthesized under exceptionally soft conditions. The strategy is based on the use of a non-aqueous alcoholic reaction medium in which water traces, coming either from the air (atmospheric water) or from an ethanol–water azeotropic mixture (ethanol 96%), are incorporated in order to accelerate hydrolysis of the Ti–precursor. Moreover, organic surfactants have been used as capping agents so as to tailor crystal growth in certain preferential directions. Combinations of oleic acid and oleylamine, which lead to the formation of another surfactant, dioleamide, are employed instead of fluorine-based compounds, thus increasing the sustainability of the process. As a result, TiO2 nanostructured hierarchical microspheres and individual nanoparticles with exposed high-energy facets can be obtained at atmospheric pressure and temperatures as low as 78 °C.

Emission control of InGaN nanocolumns grown by molecular-beam epitaxy on Si(111) substrates

This work studies the effect of the growth temperature on the morphology and emission characteristics of self-assembled InGaN nanocolumns grown by plasma assisted molecular beam epitaxy. Morphology changes are assessed by scanning electron microscopy, while emission is measured by photoluminescence. Within the growth temperature range of 750 to 650 °C, an increase in In incorporation for decreasing temperature is observed. This effect allows tailoring the InGaN nanocolumns emission line shape by using temperature gradients during growth. Depending on the gradient rate, span, and sign, broad emission line shapes are obtained, covering the yellow to green range, even yielding white emission

Band gap control via tuning of inversion degree in CdIn2S4 spinel

Based on theoretical arguments, we propose a possible route for controlling the band-gap in the promising photovoltaic material CdIn2S4. Our ab initio calculations show that the experimental degree of inversion in this spinel (fraction of tetrahedral sites occupied by In) corresponds approximately to the equilibrium value given by the minimum of the theoretical inversion free energy at a typical synthesis temperature. Modification of this temperature, or of the cooling rate after synthesis, is then expected to change the inversion degree, which in turn sensitively tunes the electronic band-gap of the solid, as shown here by screened hybrid functional calculations.

Leakage and temperature aware server control for improving energy efficiency in data centers

Reducing the energy consumption for computation and cooling in servers is a major challenge considering the data center energy costs today. To ensure energy-efficient operation of servers in data centers, the relationship among computa- tional power, temperature, leakage, and cooling power needs to be analyzed. By means of an innovative setup that enables monitoring and controlling the computing and cooling power consumption separately on a commercial enterprise server, this paper studies temperature-leakage-energy tradeoffs, obtaining an empirical model for the leakage component. Using this model, we design a controller that continuously seeks and settles at the optimal fan speed to minimize the energy consumption for a given workload. We run a customized dynamic load-synthesis tool to stress the system. Our proposed cooling controller achieves up to 9% energy savings and 30W reduction in peak power in comparison to the default cooling control scheme.

Influence of source and micronization of soya bean meal on growth performance, nutrient digestibility and ileal mucosal morphology of Iberian piglets

The effects of inclusion in the diet of different sources of soya bean meal (SBM) on growth performance, total tract apparent digestibility (TTAD) and apparent ileal digestibility (AID) of major dietary components and mucosal ileum morphology were studied in Iberian pigs weaned at 30 days of age. From 30 to 51 days of age (phase I), there was a control diet based on regular soya bean meal (R-SBM; 44% CP) of Argentina (ARG) origin and five extra diets in which a high-protein soya bean meal (HP-SBM; 49% CP) of the USA or ARG origin, either ground (990 μm) or micronized (60 μm), or a soya protein concentrate (SPC; 65% CP) substituted the R-SBM. From 51 to 61 days of age (phase II), all pigs were fed a common commercial diet in mash form. The following pre-planned orthogonal contrasts were conducted: (1) R-SBM v. all the other diets, (2) SPC v. all the HP-SBM diets, (3) micronized HP-SBM v. ground HP-SBM, (4) HP-SBM of ARG origin v. HP-SBM of US origin and (5) interaction between source and the degree of grinding of the HP-SBM. Dietary treatment did not affect growth performance of the pigs at any age but from 30 to 51 days of age, post weaning diarrhoea (PWD) was higher (P<0.001) and the TTAD and AID of all nutrients were lower for pigs fed the R-SBM diet than for pigs fed the HP-SBM or the SPC diets. However, no differences between the HP-SBM and the SPC containing diets were detected for any trait. The TTAD of organic matter (P=0.07) and gross energy (GE) (P=0.05) tended to be higher for the micronized HP-SBM than for the ground HP-SBM and that of GE was higher (P<0.05) for US meal than for the ARG meal. Pigs fed R-SBM had lower villus height (P<0.01) than pigs fed HP-SBM or SPC but no differences in ileal mucosal morphology were detected between SPC and HP-SBM containing diets. It is concluded that feeding the HP-SBM or SPC-reduced PWD and improved nutrient digestibility and ileal morphology as compared with feeding the R-SBM, but had no effect on pig performance. The inclusion in the diet of added value soya products (micronized SBM or SPC) in substitution of the R-SBM increased the TTAD of all nutrients and reduced PWD but had no advantage in terms of growth performance over the use of ground HP-SBM.

Height control of self-assembled quantum dots

The capping of epitaxially grown Quantum Dots (QD) is a key process in the fabrication of devices based on these nanostructures because capping can significantly affect the QDs morphology [3]. We have studied the QD morphology after capping in order to better understand the role of the capping process. We have grown real structures and compared the QD morphology obtained by cross-sectional Scanning Tunneling Microscopy (X-STM) with the morphology of QDs that were virtually grown in simulations based on a Kinetic Monte Carlo model (KMC) [1].

Influence of source and micronization of soya bean meal on growth performance, nutrient digestibility and ileal mucosal morphology of Iberian piglets

The effects of inclusion in the diet of different sources of soya bean meal (SBM) on growth performance, total tract apparent digestibility (TTAD) and apparent ileal digestibility (AID) of major dietary components and mucosal ileum morphology were studied in Iberian pigs weaned at 30 days of age. From 30 to 51 days of age (phase I), there was a control diet based on regular soya bean meal (R-SBM; 44% CP) of Argentina (ARG) origin and five extra diets in which a high-protein soya bean meal (HP-SBM; 49% CP) of the USA or ARG origin, either ground (990 ?m) or micronized (60 ?m), or a soya protein concentrate (SPC; 65% CP) substituted the R-SBM. From 51 to 61 days of age (phase II), all pigs were fed a common commercial diet in mash form.

La arquitectura religiosa en Santiago de Chile 1850-1950: razones de las reminiscencias góticas

Históricamente la estrategia de localización de la infraestructura religiosa católica en Chile ha estado condicionada por intenciones destinadas a la captación y tutela de feligreses, proceso desarrollado a través de intervenciones que han generado externalidades difíciles de anticipar y posibles de visualizar en un marco temporal mayor. En este contexto la producción e instalación de los templos católicos en distintos lugares de la ciudad condicionaron los territorios y marcaron presencia en su afán por colonizar y mantener el dominio, mecanismo propio de la institución religiosa que se adaptó al medio y a las circunstancias político social para cumplir su misión y mantener el poder. En esta investigación se buscó identificar desde las edificaciones destinadas al culto, la relación escalar entre localización, modo de instalación y morfología que incluye la forma y técnica de construcción, reconociendo la manera cómo modifican los entornos, el efecto que provocan y las expectativas que abren a nuevas intervenciones. El escenario escogido para realizar el estudio correspondió a un período de la historia de la ciudad de Santiago de Chile no documentado en que las circunstancias políticas, económicas, sociales y culturales contribuyeron a que el modo de disposición de las edificaciones de culto condicionaron el desarrollo urbano y orientaron el crecimiento de la ciudad. El período en que se desarrolló el estudio correspondió a la época de mayor riqueza material y cultural de la historia del país y estuvo modelada por las intenciones y planes de desarrollo tendientes a consolidar lo que se ha denominado el modelo Republicano. Escenario en que el espacio público cobró interés y se transformó en el motor de los cambios e indicador de la escala de la ciudad, estableciendo las condiciones para que las distintas corrientes europeas se manifestaran en el hacer arquitectónico cambiando la imagen original de la ciudad colonial. Este proceso que ocurrió sobre la estructura existente, densificó la manzana a través de la subdivisión predial, que complementado con los avances tecnológicos permitieron mayores alturas de edificación, situación que dio origen a nuevas concepciones espaciales, posibles de desarrollar con los recursos materiales, intelectuales y técnicos disponibles. El estudio se centró en la centuria 1850-1950 analizando la forma como la infraestructura religiosa Católica se localizó en el tejido urbano adoptando distintas tipologías edilicias, en una época caracterizada por el eclecticismo arquitectónico. Específicamente se estudiaron las edificaciones que utilizaron reminiscencias góticas, identificando los casos más significativos, estableciendo el contexto en que se originaron e indagando en la significación que tuvieron por la función que cumplieron, considerando emplazamiento y conexión con el entorno construido, conformación, dimensiones, destino y patrocinios. El área de estudio se fundamentó por la concentración de construcciones con la tendencia historicista, producciones que en el corto y mediano plazo orientaron las transformaciones de la ciudad y por la presencia que conservan hasta estos días. Se observó la incidencia de la acción de la Iglesia Católica en las políticas de Estado, orientando las decisiones de planificación y ocupación del territorio, condicionando la localización de los templos a fin de conseguir las mayores coberturas de la población y el mayor rendimiento de las inversiones. En el contexto latinoamericano la construcción de iglesias, templos y catedrales con reminiscencias góticas fue una constante que caracterizó al último cuarto del siglo XIX y las tres primeras décadas del siglo XX. El estudio permitió conocer en términos cuantitativos y cualitativos la producción, destacando la morfología y materialidad caracterizada por la adopción de estrategias contemporáneas estructuralmente exigentes. Se observó la utilización de la arquitectura como un medio de acercamiento a la población, capaz de transformar a los edificios en símbolos barriales, que facilitaron la generación de identidad, al convertirse en los referentes materiales que se destacan, que se recuerdan y que asumen la representatividad de barrios, permaneciendo en el tiempo y convirtiéndose en íconos asociados a la cultura local. En síntesis, la instalación de las infraestructuras religiosas en la ciudad de Santiago fue consecuencia de un modo de producción, que entregó lugares de encuentro y símbolos para la ciudad, a través de la localización de los edificios que buscaron ocupar áreas visibles, relevantes y convocantes, lo que consiguieron mediante la instalación geográfica, central y equidistante de conglomerados residenciales consolidados o en vías de desarrollo, como también a través de edificaciones monumentales y siempre destacadas respecto de su entorno, lo que marcó exclusividad y dominio. La elección de tipos arquitectónicos fue coyuntural a los tiempos e inspirada en intelectuales y profesionales mayoritariamente foráneos que aportaron conocimientos y experiencia para auspiciar edificaciones que fueron reconocidas como señeras y precursoras de la época. La intensidad en el uso de los recursos que demandaron las exigentes estructuras obligó a la iglesia católica a establecer estrategias de financiación destinadas a suplir la falta de recursos provenientes del Estado. Para lo cual convocaron a distintos actores los que participaron desde sus fronteras y en función de sus intereses cubriendo desde el altruismo hasta la rentabilización de su patrimonio. La organización iglesia católica se comporta de la misma manera que cualquier otra organización: busca expandirse, concentrar, controlar y administrar. Busca codificar todo su entorno (Raffestin, 2011), busca trascender y materialmente lo logra desde sus construcciones. ABSTRACT Historically the location strategies of the catholic religious infrastructure in Chile has been conditioned by intentions aimed at attracting and guardianship of parishioners, process developed through interventions that have generated externalities difficult to anticipate and possible to visualize in a in a major temporary frame. In this context, the production and installation of the catholic churches in different places in the city determined the territories and marked presence in their quest to colonize and maintain domain, mechanism of the religious institution that was adapted to the environment and in the political and social circumstances to fulfill its mission and maintain power. This research sought to identify from the buildings intended for worship in a multi-scale relationship between location, the placement mode, morphology and shape and construction technique and the effect caused by them, the way how they alter the environments and the expectations that are open to new interventions. The chosen scenario for the study corresponded to a not documented period in the history of the city of Santiago de Chile in which political, economic, social and cultural circumstances contributed to the form of disposition of the buildings of worship that determined the urban development and guided the growth of the city. The study period was the epoch of largest material and cultural wealth of Chile history and it was modeled by the intentions and development plans tending to consolidate what has been named the Republican ideal. Scenario in which public space gained interest and became the engine of change and indicator of the scale of the city, establishing the conditions for the various European trends manifested themselves in transforming the original image of the colonial city. This process that took place on the existing structure, produced a higher density of the original blocks through the predial compartimentation, which supplemented with technological advances enabled greater building heights, a situation that gave rise to new spatial conceptions, possible of developing with the material resources, intellectuals and technicians available at the moment. The study focused on the century 1850-1950 by analyzing how the Catholic religious infrastructure was located in the urban fabric by adopting different typologies locality, in an epoch characterised by architectural eclecticism. Specifica lly, it is studied the buildings that used gothic reminiscences, identifying the most significant cases, establishing the context in which they originated and inquiring about the significance that they had for the role it played, considering location and connection to the built environment, shaping, dimensions, destination, and sponsorships. The study area was established by the concentration of buildings with this historicist trend, productions that in the short and medium term guided the transformation of the city and the presence that keeps up to these days. It was noted the incidence of the of the Catholic Church actions in guiding State policies, planning decisions and occupation of the territory, as well as conditioning the location of the temples in order to achieve greater coverage of the population and the greatest return on investment. In the context of Latin America the construction of churches, temples and cathedrals with reminiscences gothic was a constant that characterized the last quarter of the nineteenth century and the first three decades of the twentieth century. The study allowed to know in quantitative and qualitative terms the production of the period, highlighting the morphology and materiality characterized by contemporary and structurally challenging strategies. It was noted the use of architecture as a means of approaching to the population, able to transform buildings into neighborhood symbols, which facilitated the production of identity, to become the reference materials that stand out, that will be remembered and that assume the representativeness of neighborhoods, remaining in the time and becoming icons associated with the local culture. In synthesis, the installation of religious infrastructure in the city of Santiago was result of a mode of production, that provided meeting places and symbols for the city, through the location of buildings that sought to occupy visible, relevant and summoning areas, what they obtained by means of the geographical, central and equidistant installation of consolidated residential conglomerates cluster or about to development, as also through always outstanding and monumental buildings with respect to its surroundings, which marked uniqueness and domain. The choice of architectural types was related to the time and inspired by intellectuals and professionals mostly outsiders who contributed with expertise and experience to sponsor buildings were recognized as outstanding and precursor of the time. The intensity of use of the resources that requested the demanding structures forced to the Catholic church to establish funding strategies designed to compensate for the lack of funds from the State. For which convened to different actors who participated from their borders and depending on their interests covering from the altruism up to the rentabilización of its patrimony. The Catholic Church organization behaves the same way as any other organization: seeks to expand, focus, control and manage. Looking for coding the entire environment (Raffestin, 2011), seeks to transcend and succeeds materially from its building.

New methods for the synthesis of radiation patterns of coupled antenna arrays = Nuevos métodos de síntesis de diagramas de radiación de agrupaciones de antenas acopladas

El principal objetivo de esta tesis es el desarrollo de métodos de síntesis de diagramas de radiación de agrupaciones de antenas, en donde se realiza una caracterización electromagnética rigurosa de los elementos radiantes y de los acoplos mutuos existentes. Esta caracterización no se realiza habitualmente en la gran mayoría de métodos de síntesis encontrados en la literatura, debido fundamentalmente a dos razones. Por un lado, se considera que el diagrama de radiación de un array de antenas se puede aproximar con el factor de array que únicamente tiene en cuenta la posición de los elementos y las excitaciones aplicadas a los mismos. Sin embargo, como se mostrará en esta tesis, en múltiples ocasiones un riguroso análisis de los elementos radiantes y del acoplo mutuo entre ellos es importante ya que los resultados obtenidos pueden ser notablemente diferentes. Por otro lado, no es sencillo combinar un método de análisis electromagnético con un proceso de síntesis de diagramas de radiación. Los métodos de análisis de agrupaciones de antenas suelen ser costosos computacionalmente, ya que son estructuras grandes en términos de longitudes de onda. Generalmente, un diseño de un problema electromagnético suele comprender varios análisis de la estructura, dependiendo de las variaciones de las características, lo que hace este proceso muy costoso. Dos métodos se utilizan en esta tesis para el análisis de los arrays acoplados. Ambos están basados en el método de los elementos finitos, la descomposición de dominio y el análisis modal para analizar la estructura radiante y han sido desarrollados en el grupo de investigación donde se engloba esta tesis. El primero de ellos es una técnica de análisis de arrays finitos basado en la aproximación de array infinito. Su uso es indicado para arrays planos de grandes dimensiones con elementos equiespaciados. El segundo caracteriza el array y el acoplo mutuo entre elementos a partir de una expansión en modos esféricos del campo radiado por cada uno de los elementos. Este método calcula los acoplos entre los diferentes elementos del array usando las propiedades de traslación y rotación de los modos esféricos. Es capaz de analizar agrupaciones de elementos distribuidos de forma arbitraria. Ambas técnicas utilizan una formulación matricial que caracteriza de forma rigurosa el campo radiado por el array. Esto las hace muy apropiadas para su posterior uso en una herramienta de diseño, como los métodos de síntesis desarrollados en esta tesis. Los resultados obtenidos por estas técnicas de síntesis, que incluyen métodos rigurosos de análisis, son consecuentemente más precisos. La síntesis de arrays consiste en modificar uno o varios parámetros de las agrupaciones de antenas buscando unas determinadas especificaciones de las características de radiación. Los parámetros utilizados como variables de optimización pueden ser varios. Los más utilizados son las excitaciones aplicadas a los elementos, pero también es posible modificar otros parámetros de diseño como son las posiciones de los elementos o las rotaciones de estos. Los objetivos de las síntesis pueden ser dirigir el haz o haces en una determinada dirección o conformar el haz con formas arbitrarias. Además, es posible minimizar el nivel de los lóbulos secundarios o del rizado en las regiones deseadas, imponer nulos que evitan posibles interferencias o reducir el nivel de la componente contrapolar. El método para el análisis de arrays finitos basado en la aproximación de array infinito considera un array finito como un array infinito con un número finito de elementos excitados. Los elementos no excitados están físicamente presentes y pueden presentar tres diferentes terminaciones, corto-circuito, circuito abierto y adaptados. Cada una de estas terminaciones simulará mejor el entorno real en el que el array se encuentre. Este método de análisis se integra en la tesis con dos métodos diferentes de síntesis de diagramas de radiación. En el primero de ellos se presenta un método basado en programación lineal en donde es posible dirigir el haz o haces, en la dirección deseada, además de ejercer un control sobre los lóbulos secundarios o imponer nulos. Este método es muy eficiente y obtiene soluciones óptimas. El mismo método de análisis es también aplicado a un método de conformación de haz, en donde un problema originalmente no convexo (y de difícil solución) es transformado en un problema convexo imponiendo restricciones de simetría, resolviendo de este modo eficientemente un problema complejo. Con este método es posible diseñar diagramas de radiación con haces de forma arbitraria, ejerciendo un control en el rizado del lóbulo principal, así como en el nivel de los lóbulos secundarios. El método de análisis de arrays basado en la expansión en modos esféricos se integra en la tesis con tres técnicas de síntesis de diagramas de radiación. Se propone inicialmente una síntesis de conformación del haz basado en el método de la recuperación de fase resuelta de forma iterativa mediante métodos convexos, en donde relajando las restricciones del problema original se consiguen unas soluciones cercanas a las óptimas de manera eficiente. Dos métodos de síntesis se han propuesto, donde las variables de optimización son las posiciones y las rotaciones de los elementos respectivamente. Se define una función de coste basada en la intensidad de radiación, la cual es minimizada de forma iterativa con el método del gradiente. Ambos métodos reducen el nivel de los lóbulos secundarios minimizando una función de coste. El gradiente de la función de coste es obtenido en términos de la variable de optimización en cada método. Esta función de coste está formada por la expresión rigurosa de la intensidad de radiación y por una función de peso definida por el usuario para imponer prioridades sobre las diferentes regiones de radiación, si así se desea. Por último, se presenta un método en el cual, mediante técnicas de programación entera, se buscan las fases discretas que generan un diagrama de radiación lo más cercano posible al deseado. Con este método se obtienen diseños que minimizan el coste de fabricación. En cada uno de las diferentes técnicas propuestas en la tesis, se presentan resultados con elementos reales que muestran las capacidades y posibilidades que los métodos ofrecen. Se comparan los resultados con otros métodos disponibles en la literatura. Se muestra la importancia de tener en cuenta los diagramas de los elementos reales y los acoplos mutuos en el proceso de síntesis y se comparan los resultados obtenidos con herramientas de software comerciales. ABSTRACT The main objective of this thesis is the development of optimization methods for the radiation pattern synthesis of array antennas in which a rigorous electromagnetic characterization of the radiators and the mutual coupling between them is performed. The electromagnetic characterization is usually overlooked in most of the available synthesis methods in the literature, this is mainly due to two reasons. On the one hand, it is argued that the radiation pattern of an array is mainly influenced by the array factor and that the mutual coupling plays a minor role. As it is shown in this thesis, the mutual coupling and the rigorous characterization of the array antenna influences significantly in the array performance and its computation leads to differences in the results obtained. On the other hand, it is difficult to introduce an analysis procedure into a synthesis technique. The analysis of array antennas is generally expensive computationally as the structure to analyze is large in terms of wavelengths. A synthesis method requires to carry out a large number of analysis, this makes the synthesis problem very expensive computationally or intractable in some cases. Two methods have been used in this thesis for the analysis of coupled antenna arrays, both of them have been developed in the research group in which this thesis is involved. They are based on the finite element method (FEM), the domain decomposition and the modal analysis. The first one obtains a finite array characterization with the results obtained from the infinite array approach. It is specially indicated for the analysis of large arrays with equispaced elements. The second one characterizes the array elements and the mutual coupling between them with a spherical wave expansion of the radiated field by each element. The mutual coupling is computed using the properties of translation and rotation of spherical waves. This method is able to analyze arrays with elements placed on an arbitrary distribution. Both techniques provide a matrix formulation that makes them very suitable for being integrated in synthesis techniques, the results obtained from these synthesis methods will be very accurate. The array synthesis stands for the modification of one or several array parameters looking for some desired specifications of the radiation pattern. The array parameters used as optimization variables are usually the excitation weights applied to the array elements, but some other array characteristics can be used as well, such as the array elements positions or rotations. The desired specifications may be to steer the beam towards any specific direction or to generate shaped beams with arbitrary geometry. Further characteristics can be handled as well, such as minimize the side lobe level in some other radiating regions, to minimize the ripple of the shaped beam, to take control over the cross-polar component or to impose nulls on the radiation pattern to avoid possible interferences from specific directions. The analysis method based on the infinite array approach considers an infinite array with a finite number of excited elements. The infinite non-excited elements are physically present and may have three different terminations, short-circuit, open circuit and match terminated. Each of this terminations is a better simulation for the real environment of the array. This method is used in this thesis for the development of two synthesis methods. In the first one, a multi-objective radiation pattern synthesis is presented, in which it is possible to steer the beam or beams in desired directions, minimizing the side lobe level and with the possibility of imposing nulls in the radiation pattern. This method is very efficient and obtains optimal solutions as it is based on convex programming. The same analysis method is used in a shaped beam technique in which an originally non-convex problem is transformed into a convex one applying symmetry restrictions, thus solving a complex problem in an efficient way. This method allows the synthesis of shaped beam radiation patterns controlling the ripple in the mainlobe and the side lobe level. The analysis method based on the spherical wave expansion is applied for different synthesis techniques of the radiation pattern of coupled arrays. A shaped beam synthesis is presented, in which a convex formulation is proposed based on the phase retrieval method. In this technique, an originally non-convex problem is solved using a relaxation and solving a convex problems iteratively. Two methods are proposed based on the gradient method. A cost function is defined involving the radiation intensity of the coupled array and a weighting function that provides more degrees of freedom to the designer. The gradient of the cost function is computed with respect to the positions in one of them and the rotations of the elements in the second one. The elements are moved or rotated iteratively following the results of the gradient. A highly non-convex problem is solved very efficiently, obtaining very good results that are dependent on the starting point. Finally, an optimization method is presented where discrete digital phases are synthesized providing a radiation pattern as close as possible to the desired one. The problem is solved using linear integer programming procedures obtaining array designs that greatly reduce the fabrication costs. Results are provided for every method showing the capabilities that the above mentioned methods offer. The results obtained are compared with available methods in the literature. The importance of introducing a rigorous analysis into the synthesis method is emphasized and the results obtained are compared with a commercial software, showing good agreement.

Design of Mm-Wave RLSA with lossy waveguides by slot coupling control techniques

This paper discusses how to design a Radial Line Slot Antenna (RLSA) whose waveguide is filled with high loss dielectric materials. We introduce a new design for the aperture slot coupling synthesis to restrain the dielectric losses and improve the antenna gain. Based on a newly defined slot coupling, a number of RLSAs with different sizes and loss factors are analyzed and their performances are predicted. Theoretical calculations suggest that the gain is sensitive to the material losses in the radial lines. The gain enhancement by using the new coupling formula is notable for larger antenna size and higher loss factor of the dielectric material. Three prototype RLSAs are designed and fabricated at 60GHz following different slot coupling syntheses, and their measured performances consolidate our theory.