Analysis and design of reconfigurable multimode multiport microstrip antennas for mimo systems and diversity schemes

Las comunicaciones inalámbricas han transformado profundamente la forma en la que la gente se comunica en el día a día y es, sin lugar a dudas, una de las tecnologías de nuestro tiempo que más rápidamente evoluciona. Este rápido crecimiento implica retos enormes en la tecnología subyacente, debido y entre otros motivos, a la gran demanda de capacidad de los nuevos servicios inalámbricos. Los sistemas Multiple Input Multiple Output (MIMO) han despertado mucho interés como medio de mejorar el rendimiento global del sistema, satisfaciendo de este modo y en cierta medida los nuevo requisitos exigidos. De hecho, el papel relevante de esta tecnología en los actuales esfuerzos de estandarización internacionales pone de manifiesto esta utilidad. Los sistemas MIMO sacan provecho de los grados de libertad espaciales, disponibles a través del entorno multitrayecto, para mejorar el rendimiento de la comunicación con una destacable eficiencia espectral. Con el fin de alcanzar esta mejora en el rendimiento, la diversidad espacial y por diagrama han sido empleadas tradicionalmente para reducir la correlación entre los elementos radiantes, ya que una correlación baja es condición necesaria, si bien no suficiente, para dicha mejora. Tomando como referencia, o punto de partida, las técnicas empleadas para obtener diversidad por diagrama, esta tesis doctoral surge de la búsqueda de la obtención de diversidad por diagrama y/o multiplexación espacial a través del comportamiento multimodal de la antena microstrip, proponiendo para ello un modelo cuasi analítico original para el análisis y diseño de antenas microstrip multipuerto, multimodo y reconfigurables. Este novedoso enfoque en este campo, en vez de recurrir a simulaciones de onda completa por medio de herramientas comerciales tal y como se emplea en las publicaciones existentes, reduce significativamente el esfuerzo global de análisis y diseño, en este último caso por medio de guías de diseño generales. Con el fin de lograr el objetivo planteado y después de una revisión de los principales conceptos de los sistemas MIMO que se emplearán más adelante, se fija la atención en encontrar, implementar y verificar la corrección y exactitud de un modelo analítico que sirva de base sobre la cual añadir las mejoras necesarias para obtener las características buscadas del modelo cuasi analítico propuesto. Posteriormente y partiendo del modelo analítico base seleccionado, se exploran en profundidad y en diferentes entornos multitrayecto, las posibilidades en cuanto a rendimiento se refiere de diversidad por diagrama y multiplexación espacial, proporcionadas por el comportamiento multimodal de las antenas parche microstrip sin cargar. Puesto que cada modo de la cavidad tiene su propia frecuencia de resonancia, es necesario encontrar formas de desplazar la frecuencia de resonancia de cada modo empleado para ubicarlas en la misma banda de frecuencia, manteniendo cada modo al mismo tiempo tan independiente como sea posible. Este objetivo puede lograrse cargando adecuadamente la cavidad con cargas reactivas, o alterando la geometría del parche radiante. Por consiguiente, la atención en este punto se fija en el diseño, implementación y verificación de un modelo cuasi analítico para el análisis de antenas parche microstrip multipuerto, multimodo y cargadas que permita llevar a cabo la tarea indicada, el cuál es una de las contribuciones principales de esta tesis doctoral. Finalmente y basándose en el conocimiento adquirido a través del modelo cuasi analítico, se proporcionan y aplican guías generales para el diseño de antenas microstrip multipuerto, multimodo y reconfigurables para sistemas MIMO, con el fin de mejorar su diversidad por diagrama y/o su capacidad por medio del comportamiento multimodal de las antenas parche microstrip. Se debe destacar que el trabajo presentado en esta tesis doctoral ha dado lugar a una publicación en una revista técnica internacional de un alto factor de impacto. De igual manera, el trabajo también ha sido presentado en algunas de las más importantes conferencias internacionales en el ámbito de las antenas ABSTRACT Wireless communications have deeply transformed the way people communicate on daily basis and it is undoubtedly one of the most rapidly evolving technologies of our time. This fast growing behaviour involves huge challenges on the bearing technology, due to and among others reasons, the high demanding capacity of new wireless services. MIMO systems have given rise to considerable interest as a means to enhance the overall system performance, thus satisfying somehow the new demanding requirements. Indeed, the significant role of this technology on current international standardization efforts, highlights this usefulness. MIMO systems make profit from the spatial degrees of freedom available through the multipath scenario to improve the communication performance with a remarkable spectral efficiency. In order to achieve this performance improvement, spatial and pattern diversity have been traditionally used to decrease the correlation between antenna elements, as low correlation is a necessary but not sufficient condition. Taking as a reference, or starting point, the techniques used to achieve pattern diversity, this Philosophiae Doctor (Ph.D.) arises from the pursuit of obtaining pattern diversity and/or spatial multiplexing capabilities through the multimode microstrip behaviour, thus proposing a novel quasi analytical model for the analysis and design of reconfigurable multimode multiport microstrip antennas. This innovative approach on this field, instead of resorting to full-wave simulations through commercial tools as done in the available publications, significantly reduces the overall analysis and design effort, in this last case through comprehensive design guidelines. In order to achieve this goal and after a review of the main concepts of MIMO systems which will be followed used, the spotlight is fixed on finding, implementing and verifying the correctness and accuracy of a base quasi analytical model over which add the necessary enhancements to obtain the sought features of the quasi analytical model proposed. Afterwards and starting from the base quasi analytical model selected, the pattern diversity and spatial multiplexing performance capabilities provided by the multimode behaviour of unloaded microstrip patch antennas under different multipath environments are fully explored. As each cavity mode has its own resonant frequency, it is required to find ways to displace the resonant frequency of each used mode to place them at the same frequency band while keeping each mode as independent as possible. This objective can be accomplished with an appropriate loading of the cavity with reactive loads, or through the alteration of the geometry of the radiation patch. Thus, the focus is set at this point on the design, implementation and verification of a quasi analytical model for the analysis of loaded multimode multiport microstrip patch antennas to carry out the aforementioned task, which is one of the main contributions of this Ph.D. Finally and based on the knowledge acquired through the quasi analytical model, comprehensive guidelines to design reconfigurable multimode MIMO microstrip antennas to improve the spatial multiplexing and/or diversity system performance by means of the multimode microstrip patch antenna behaviour are given and applied. It shall be highlighted that the work presented in this Ph.D. has given rise to a publication in an international technical journal of high impact factor. Moreover, the work has also been presented at some of the most important international conferences in antenna area.

Plant β-diversity i in human-altered forest ecosystems: the importance of the structural, spatial, and topographical characteristics of stands in patterning plant species assemblages

An understanding of spatial patterns of plant species diversity and the factors that drive those patterns is critical for the development of appropriate biodiversity management in forest ecosystems. We studied the spatial organization of plants species in human- modified and managed oak forests (primarily, Quercus faginea) in the Central Pre- Pyrenees, Spain. To test whether plant community assemblages varied non-randomly across the spatial scales, we used multiplicative diversity partitioning based on a nested hierarchical design of three increasingly coarser spatial scales (transect, stand, region). To quantify the importance of the structural, spatial, and topographical characteristics of stands in patterning plant species assemblages and identify the determinants of plant diversity patterns, we used canonical ordination. We observed a high contribution of ˟-diversity to total -diversity and found ˟-diversity to be higher and ˞-diversity to be lower than expected by random distributions of individuals at different spatial scales. Results, however, partly depended on the weighting of rare and abundant species. Variables expressing the historical management intensities of the stand such as mean stand age, the abundance of the dominant tree species (Q. faginea), age structure of the stand, and stand size were the main factors that explained the compositional variation in plant communities. The results indicate that (1) the structural, spatial, and topographical characteristics of the forest stands have the greatest effect on diversity patterns, (2) forests in landscapes that have different land use histories are environmentally heterogeneous and, therefore, can experience high levels of compositional differentiation, even at local scales (e.g., within the same stand). Maintaining habitat heterogeneity at multiple spatial scales should be considered in the development of management plans for enhancing plant diversity and related functions in human-altered forests

Balancing management and preservation of mediterranean scattered oak woodlands (Dehesas) in human-dominated landscapes

Los sistemas agroforestales mediterráneos tienen una gran importancia ecológica y socioeconómica, y mantienen altos valores medioambientales y de diversidad biológica a la vez que producen importantes servicios ecosistémicos. Estos sistemas han sido testigos de diversos cambios rápidos y drásticos en su gestión y aprovechamiento durante el último siglo. La mayor parte de la investigación desarrollada en esta tesis doctoral ha sido llevada a cabo en las dehesas españolas. Esta tesis nos muestra: i) la evidencia de la existencia de un cambio global del estrato arbóreo y del manejo del pastoreo en el todo el área de distribución de la dehesa durante los últimos 60 años; ii) la importancia del papel que juega el arbolado disperso y el adecuado manejo del ganado en la mejora de la producción, calidad y diversidad de las comunidades herbáceas, que a su vez, un pasto herbáceo bien desarrollado es importante para la rentabilidad del sistema, evaluando estos efectos bajo distintos escenarios de clima y calidad de estación; y iii) la evidencia de la falta de regeneración en sistemas agroforestales mediterráneos bajo distintos tipos de manejo del pastoreo, y además se evalúa el crecimiento y desarrollo de las pocas plántulas existentes que serán las que aseguren la viabilidad y persistencia y de estos sistemas. El arbolado disperso de estos sistemas ha experimentado una reducción importante en su densidad arbórea y fracción de cabida cubierta durante el periodo entre 1950-1980 donde tuvieron lugar importantes transformaciones en la actividad agropecuaria. La cabaña ganadera de ovino disminuyó drásticamente en los años 70 en comparación a la de bovino que desde entonces ha aumentado progresivamente hasta la actualidad. Por otro lado, el mismo tipo de manejo del ganado doméstico (especialmente bovino) durante bastante tiempo (mínimo 30 años) provocó una reducción significativa de la densidad de las plántulas. Además la probabilidad de ocurrencia y la intensidad de daños por herbivoría fue mayor bajo pastoreo bovino (con daños más intensos y consistentes) que bajo pastoreo ovino o sin pastoreo doméstico (presencia de ciervos). También el patrón de crecimiento de las plantas jóvenes estuvo afectado por el tipo de manejo, generando plántulas achaparradas en el caso del bovino y plántulas esbeltas favoreciendo el crecimiento en altura en el caso del ovino. La presencia de un arbolado disperso generó una mayor diversidad y variación en la producción de las comunidades herbáceas según las condiciones de disponibilidad de agua. Especialmente, el ecotono como microhábitat sostuvo altos valores de diversidad herbácea. La presencia del ganado bajo pastoreo continuo de intensidad moderada a alta, especialmente el bovino, incrementó los rendimientos de producción y diversidad del estrato herbáceo. Los resultados de esta tesis nos muestran la importancia que tiene la existencia de un equilibrio entre la producción y la conservación de los sistemas agroforestales mediterráneos para obtener una producción sostenible de servicios ecosistémicos mientras se asegura la perpetuación del sistema a largo plazo. Es crucial diseñar planes de gestión incorporando objetivos de conservación que integren técnicas silvopastorales apropiadas para poder aplicar en los sistemas agroforestales mediterráneos. ABSTRACT Mediterranean scattered oak woodlands have great ecological and socio-economic importance, supporting high environmental and amenity values, and relatively rich biological diversity while producing important ecosystem services. They have been witnesses of different and fast changes developed in the last century. Most of the research developed in this dissertation has conducted within dehesas. This thesis provides: i) the global change evidence of the tree layer and grazing management experienced in the land-use range of a Mediterranean scattered oak woodland (dehesa) over the last 60 years; ii) the important role of scattered trees and adequate management grazing in the improvement of grassland yield, quality and diversity - which it is important, in turn, for the system profitability - under different climate scenarios and site quality; and iii) the lack of oak regeneration evidence under some given representative management regimes and how is the growth development of these plants to assure the viability and persistence of Mediterranean scattered oak woodlands. Tree layer experienced a significant reduction in dehesas during 1950-1980 period where the highest human impacts took place. Sheep herd decreased drastically during the 1970s and, in contrast, cattle have been increasing gradually since then. On the other hand, same livestock grazing management (especially cattle) during long time (minimum 30 years) within Mediterranean scattered oak woodlands reduced strongly the density of young oak plants and showed high probability of herbivory occurrence and intensity. Young plant growth pattern was greatly modified by livestock. Cattle grazing generated stunted plants and sheep grazing generated slender plants favoring the height growth. Microsites created by large trees modified the herbaceous yield according the water availability of the year and generated high plant diversity within herbaceous communities. Especially, ecotone microsite supported high values of herbaceous diversity. The presence of livestock species increased the herbaceous yield and maintained a more diverse community under continuous grazing at both moderate and high intensities; especially cattle. Thus, around the influence of scattered trees there is a high amount of different interactions among livestock, trees and grasslands maintaining and enhancing the quality of whole dehesa system. The results of this thesis highlight how important is balancing management and preservation of Mediterranean scattered oak woodlands to obtain the optimum ecosystem services while the system conservation is assured for a long-term. It is crucial to design management plans with conservation goals that include appropriate silvopastoral practices in Mediterranean scattered oak woodlands.

Balancing management and preservation of mediterranean scattered oak woodlands (Dehesas) in human-dominated landscapes

Los sistemas agroforestales mediterráneos tienen una gran importancia ecológica y socioeconómica, y mantienen altos valores medioambientales y de diversidad biológica a la vez que producen importantes servicios ecosistémicos. Estos sistemas han sido testigos de diversos cambios rápidos y drásticos en su gestión y aprovechamiento durante el último siglo. La mayor parte de la investigación desarrollada en esta tesis doctoral ha sido llevada a cabo en las dehesas españolas. Esta tesis nos muestra: i) la evidencia de la existencia de un cambio global del estrato arbóreo y del manejo del pastoreo en el todo el área de distribución de la dehesa durante los últimos 60 años; ii) la importancia del papel que juega el arbolado disperso y el adecuado manejo del ganado en la mejora de la producción, calidad y diversidad de las comunidades herbáceas, que a su vez, un pasto herbáceo bien desarrollado es importante para la rentabilidad del sistema, evaluando estos efectos bajo distintos escenarios de clima y calidad de estación; y iii) la evidencia de la falta de regeneración en sistemas agroforestales mediterráneos bajo distintos tipos de manejo del pastoreo, y además se evalúa el crecimiento y desarrollo de las pocas plántulas existentes que serán las que aseguren la viabilidad y persistencia y de estos sistemas. El arbolado disperso de estos sistemas ha experimentado una reducción importante en su densidad arbórea y fracción de cabida cubierta durante el periodo entre 1950-1980 donde tuvieron lugar importantes transformaciones en la actividad agropecuaria. La cabaña ganadera de ovino disminuyó drásticamente en los años 70 en comparación a la de bovino que desde entonces ha aumentado progresivamente hasta la actualidad. Por otro lado, el mismo tipo de manejo del ganado doméstico (especialmente bovino) durante bastante tiempo (mínimo 30 años) provocó una reducción significativa de la densidad de las plántulas. Además la probabilidad de ocurrencia y la intensidad de daños por herbivoría fue mayor bajo pastoreo bovino (con daños más intensos y consistentes) que bajo pastoreo ovino o sin pastoreo doméstico (presencia de ciervos). También el patrón de crecimiento de las plantas jóvenes estuvo afectado por el tipo de manejo, generando plántulas achaparradas en el caso del bovino y plántulas esbeltas favoreciendo el crecimiento en altura en el caso del ovino. La presencia de un arbolado disperso generó una mayor diversidad y variación en la producción de las comunidades herbáceas según las condiciones de disponibilidad de agua. Especialmente, el ecotono como microhábitat sostuvo altos valores de diversidad herbácea. La presencia del ganado bajo pastoreo continuo de intensidad moderada a alta, especialmente el bovino, incrementó los rendimientos de producción y diversidad del estrato herbáceo. Los resultados de esta tesis nos muestran la importancia que tiene la existencia de un equilibrio entre la producción y la conservación de los sistemas agroforestales mediterráneos para obtener una producción sostenible de servicios ecosistémicos mientras se asegura la perpetuación del sistema a largo plazo. Es crucial diseñar planes de gestión incorporando objetivos de conservación que integren técnicas silvopastorales apropiadas para poder aplicar en los sistemas agroforestales mediterráneos. ABSTRACT Mediterranean scattered oak woodlands have great ecological and socio-economic importance, supporting high environmental and amenity values, and relatively rich biological diversity while producing important ecosystem services. They have been witnesses of different and fast changes developed in the last century. Most of the research developed in this dissertation has conducted within dehesas. This thesis provides: i) the global change evidence of the tree layer and grazing management experienced in the land-use range of a Mediterranean scattered oak woodland (dehesa) over the last 60 years; ii) the important role of scattered trees and adequate management grazing in the improvement of grassland yield, quality and diversity - which it is important, in turn, for the system profitability - under different climate scenarios and site quality; and iii) the lack of oak regeneration evidence under some given representative management regimes and how is the growth development of these plants to assure the viability and persistence of Mediterranean scattered oak woodlands. Tree layer experienced a significant reduction in dehesas during 1950-1980 period where the highest human impacts took place. Sheep herd decreased drastically during the 1970s and, in contrast, cattle have been increasing gradually since then. On the other hand, same livestock grazing management (especially cattle) during long time (minimum 30 years) within Mediterranean scattered oak woodlands reduced strongly the density of young oak plants and showed high probability of herbivory occurrence and intensity. Young plant growth pattern was greatly modified by livestock. Cattle grazing generated stunted plants and sheep grazing generated slender plants favoring the height growth. Microsites created by large trees modified the herbaceous yield according the water availability of the year and generated high plant diversity within herbaceous communities. Especially, ecotone microsite supported high values of herbaceous diversity. The presence of livestock species increased the herbaceous yield and maintained a more diverse community under continuous grazing at both moderate and high intensities; especially cattle. Thus, around the influence of scattered trees there is a high amount of different interactions among livestock, trees and grasslands maintaining and enhancing the quality of whole dehesa system. The results of this thesis highlight how important is balancing management and preservation of Mediterranean scattered oak woodlands to obtain the optimum ecosystem services while the system conservation is assured for a long-term. It is crucial to design management plans with conservation goals that include appropriate silvopastoral practices in Mediterranean scattered oak woodlands.

Climate and grazing control nurse effects in an Ecuadorian dry shrubby community

Positive plant interactions have strong effects on plant diversity at several spatial scales, expanding species distribution under stressful conditions. We evaluated the joint effect of climate and grazing on the nurse effect of Croton wagneri, by monitoring several community attributes at two spatial scales: microhabitat and plant community. Two very close locations that only differed in grazing intensity were surveyed in an Ecuadorian dry scrub ecosystem. At each location, two 30 × 30-m plots were established at four altitudinal levels (1500, 2630, 1959 and 2100 m asl) and 40 microsites were surveyed in each plot. Croton wagneri acted as community hubs, increasing species richness and plant cover at both scales. Beneath nurses mean richness and cover values were 3.4 and 21.9%, and in open areas 2.3 and 4.5%, respectively. Magnitude of nurse effect was dependent on climate and grazing conditions. In ungrazed locations, cover increased and diversity reduced with altitude, while grazed locations showed the opposite trend. In ungrazed plots the interactions shifted from positive to negative with altitude, in grazed locations interactions remained positive. We conclude that the nurse effect is a key mechanism regulating community properties not only at microsite but also at the entire community scale.