A Tele-Health Communication and Information System for Underserved Children in Rural Areas of Nicaragua

Millennium Development Goals point out the necessity of actively promoting maternal-child health care status, especially in underserved areas. This article details the development actions carried out between 2008 and 2011 in some rural communities of Nicaragua with the aim to provide a low-cost tele-health communication service. The service is managed by the health care center of Cusmapa, which leads the program and maintains a communication link between its health staff and the health brigades of 26 distant communities. Local agents can use the system to report urgent maternal-child health care episodes to be assessed through WiMAX-WiFi voice and data communications attended by two physicians and six nurses located at the health care center. The health and nutritional status of the maternal-child population can be monitored to prevent diseases, subnutrition, and deaths. The action approach assumes the fundamentals of appropriate technology and looks for community- based, sustainable, replicable, and scalable solutions to ensure future deployments according to the strategies of the United Nations.

Reporting experiments to satisfy professionals information needs

Although the aim of empirical software engineering is to provide evidence for selecting the appropriate technology, it appears that there is a lack of recognition of this work in industry. Results from empirical research only rarely seem to find their way to company decision makers. If information relevant for software managers is provided in reports on experiments, such reports can be considered as a source of information for them when they are faced with making decisions about the selection of software engineering technologies. To bridge this communication gap between researchers and professionals, we propose characterizing the information needs of software managers in order to show empirical software engineering researchers which information is relevant for decision-making and thus enable them to make this information available. We empirically investigated decision makers? information needs to identify which information they need to judge the appropriateness and impact of a software technology. We empirically developed a model that characterizes these needs. To ensure that researchers provide relevant information when reporting results from experiments, we extended existing reporting guidelines accordingly.We performed an experiment to evaluate our model with regard to its effectiveness. Software managers who read an experiment report according to the proposed model judged the technology?s appropriateness significantly better than those reading a report about the same experiment that did not explicitly address their information needs. Our research shows that information regarding a technology, the context in which it is supposed to work, and most importantly, the impact of this technology on development costs and schedule as well as on product quality is crucial for decision makers.

Urban agriculture in the new framework of green cities.

Urban Agriculture was a common practice in the old times. However after a period of low interest by urban population there is a movement of renaissance of urban agriculture especially in the new megalopolis. It is important to understand the role of UA in the new framework, and the interface of urban and rural agricultures, with their comparative advantages. Thus, we describe the impact of UA in several scenarios: political, socioeconomic and environmental. As a consequence several actions should be developed for improving the situation, with the stimulus to UA: urban planning, food value chain, appropriate technology, education and extension services, entertainment and leisure, selection of botanic varieties and agrochemical inputs, design and landscape and good farming practices. As a complement, there is an analysis of the Urban Greening Value Organization in our society. In the paper there is a description of the situation of urban agriculture in Spain (located mainly in roofs, walls, indoor and ground places) the existence of local regulations, barriers and opportunities in the new situation. Due to the social dimension of urban agriculture there are some comments about the role of the more significant stakeholders, and the goals and the structure of the neighbor communities.

Planta de trigeneración para industria papelera

El alcance de este proyecto es dimensionar un sistema de trigeneración para una industria papelera. El proyecto se realizará en base a la propuesta de la nueva reforma de la ley energética, por la cual no se podrá vender la energía eléctrica generada a la red sino que toda la energía generada ha de ser utilizada de forma exclusiva para autoconsumo. En primer lugar se desarrolla un proceso de selección de los equipos y tecnologías para la cogeneración, que posteriormente servirá para el dimensionamiento de la planta, en el cual se elegirá la tecnología oportuna para la generación de energía eléctrica y energía térmica, tanto en forma de frío como de calor. Con este estudio se podrá calcular el ahorro conseguido por el nuevo sistema propuesto, comparado con los costes de la generación por sistemas convencionales y desde ese ahorro, analizar la rentabilidad y viabilidad del proyecto en función de la inversión inicial que supone dicho proyecto. Abstract The scope of this project is to measure a trigeneration system for paper industry. The project will be based on the proposal of the new reform of the energy law, by which the electricity generated to the network may not be sold but that all the generated energy has to be used exclusively for self-consumption. First of all the study develops a process of selection of the equipment and technologies for cogeneration, which subsequently will be used for the dimensioning of the plant, the result will be an election of the appropriate technology for the generation of electric power and heat energy, both in the form of cold and heat. With this study the savings achieved by the new proposed system will be estimated, compared with costs of conventional generation and from these savings, analized for profitability and viability of the project on the basis of the initial investment involved in this project.

Reporting experiments to satisfy professionals’information needs

Although the aim of empirical software engineering is to provide evidence for selecting the appropriate technology, it appears that there is a lack of recognition of this work in industry. Results from empirical research only rarely seem to find their way to company decision makers. If information relevant for software managers is provided in reports on experiments, such reports can be considered as a source of information for them when they are faced with making decisions about the selection of software engineering technologies. To bridge this communication gap between researchers and professionals, we propose characterizing the information needs of software managers in order to show empirical software engineering researchers which information is relevant for decision-making and thus enable them to make this information available. We empirically investigated decision makers? information needs to identify which information they need to judge the appropriateness and impact of a software technology. We empirically developed a model that characterizes these needs. To ensure that researchers provide relevant information when reporting results from experiments, we extended existing reporting guidelines accordingly. We performed an experiment to evaluate our model with regard to its effectiveness. Software managers who read an experiment report according to the proposed model judged the technology?s appropriateness significantly better than those reading a report about the same experiment that did not explicitly address their information needs. Our research shows that information regarding a technology, the context in which it is supposed to work, and most importantly, the impact of this technology on development costs and schedule as well as on product quality is crucial for decision makers.

Application of PZT and FBG impedance sensors for structural health monitoring of reinforced concrete beams strengthened with FRP composite materials

Esta Tesis tiene como objetivo principal el desarrollo de métodos de identificación del daño que sean robustos y fiables, enfocados a sistemas estructurales experimentales, fundamentalmente a las estructuras de hormigón armado reforzadas externamente con bandas fibras de polímeros reforzados (FRP). El modo de fallo de este tipo de sistema estructural es crítico, pues generalmente es debido a un despegue repentino y frágil de la banda del refuerzo FRP originado en grietas intermedias causadas por la flexión. La detección de este despegue en su fase inicial es fundamental para prevenir fallos futuros, que pueden ser catastróficos. Inicialmente, se lleva a cabo una revisión del método de la Impedancia Electro-Mecánica (EMI), de cara a exponer sus capacidades para la detección de daño. Una vez la tecnología apropiada es seleccionada, lo que incluye un analizador de impedancias así como novedosos sensores PZT para monitorización inteligente, se ha diseñado un procedimiento automático basado en los registros de impedancias de distintas estructuras de laboratorio. Basándonos en el hecho de que las mediciones de impedancias son posibles gracias a una colocación adecuada de una red de sensores PZT, la estimación de la presencia de daño se realiza analizando los resultados de distintos indicadores de daño obtenidos de la literatura. Para que este proceso sea automático y que no sean necesarios conocimientos previos sobre el método EMI para realizar un experimento, se ha diseñado e implementado un Interfaz Gráfico de Usuario, transformando la medición de impedancias en un proceso fácil e intuitivo. Se evalúa entonces el daño a través de los correspondientes índices de daño, intentando estimar no sólo su severidad, sino también su localización aproximada. El desarrollo de estos experimentos en cualquier estructura genera grandes cantidades de datos que han de ser procesados, y algunas veces los índices de daño no son suficientes para una evaluación completa de la integridad de una estructura. En la mayoría de los casos se pueden encontrar patrones de daño en los datos, pero no se tiene información a priori del estado de la estructura. En este punto, se ha hecho una importante investigación en técnicas de reconocimiento de patrones particularmente en aprendizaje no supervisado, encontrando aplicaciones interesantes en el campo de la medicina. De ahí surge una idea creativa e innovadora: detectar y seguir la evolución del daño en distintas estructuras como si se tratase de un cáncer propagándose por el cuerpo humano. En ese sentido, las lecturas de impedancias se emplean como información intrínseca de la salud de la propia estructura, de forma que se pueden aplicar las mismas técnicas que las empleadas en la investigación del cáncer. En este caso, se ha aplicado un algoritmo de clasificación jerárquica dado que ilustra además la clasificación de los datos de forma gráfica, incluyendo información cualitativa y cuantitativa sobre el daño. Se ha investigado la efectividad de este procedimiento a través de tres estructuras de laboratorio, como son una viga de aluminio, una unión atornillada de aluminio y un bloque de hormigón reforzado con FRP. La primera ayuda a mostrar la efectividad del método en sencillos escenarios de daño simple y múltiple, de forma que las conclusiones extraídas se aplican sobre los otros dos, diseñados para simular condiciones de despegue en distintas estructuras. Demostrada la efectividad del método de clasificación jerárquica de lecturas de impedancias, se aplica el procedimiento sobre las estructuras de hormigón armado reforzadas con bandas de FRP objeto de esta tesis, detectando y clasificando cada estado de daño. Finalmente, y como alternativa al anterior procedimiento, se propone un método para la monitorización continua de la interfase FRP-Hormigón, a través de una red de sensores FBG permanentemente instalados en dicha interfase. De esta forma, se obtienen medidas de deformación de la interfase en condiciones de carga continua, para ser implementadas en un modelo de optimización multiobjetivo, cuya solución se haya por medio de una expansión multiobjetivo del método Particle Swarm Optimization (PSO). La fiabilidad de este último método de detección se investiga a través de sendos ejemplos tanto numéricos como experimentales. ABSTRACT This thesis aims to develop robust and reliable damage identification methods focused on experimental structural systems, in particular Reinforced Concrete (RC) structures externally strengthened with Fiber Reinforced Polymers (FRP) strips. The failure mode of this type of structural system is critical, since it is usually due to sudden and brittle debonding of the FRP reinforcement originating from intermediate flexural cracks. Detection of the debonding in its initial stage is essential thus to prevent future failure, which might be catastrophic. Initially, a revision of the Electro-Mechanical Impedance (EMI) method is carried out, in order to expose its capabilities for local damage detection. Once the appropriate technology is selected, which includes impedance analyzer as well as novel PZT sensors for smart monitoring, an automated procedure has been design based on the impedance signatures of several lab-scale structures. On the basis that capturing impedance measurements is possible thanks to an adequately deployed PZT sensor network, the estimation of damage presence is done by analyzing the results of different damage indices obtained from the literature. In order to make this process automatic so that it is not necessary a priori knowledge of the EMI method to carry out an experimental test, a Graphical User Interface has been designed, turning the impedance measurements into an easy and intuitive procedure. Damage is then assessed through the analysis of the corresponding damage indices, trying to estimate not only the damage severity, but also its approximate location. The development of these tests on any kind of structure generates large amounts of data to be processed, and sometimes the information provided by damage indices is not enough to achieve a complete analysis of the structural health condition. In most of the cases, some damage patterns can be found in the data, but none a priori knowledge of the health condition is given for any structure. At this point, an important research on pattern recognition techniques has been carried out, particularly on unsupervised learning techniques, finding interesting applications in the medicine field. From this investigation, a creative and innovative idea arose: to detect and track the evolution of damage in different structures, as if it were a cancer propagating through a human body. In that sense, the impedance signatures are used to give intrinsic information of the health condition of the structure, so that the same clustering algorithms applied in the cancer research can be applied to the problem addressed in this dissertation. Hierarchical clustering is then applied since it also provides a graphical display of the clustered data, including quantitative and qualitative information about damage. The performance of this approach is firstly investigated using three lab-scale structures, such as a simple aluminium beam, a bolt-jointed aluminium beam and an FRP-strengthened concrete specimen. The first one shows the performance of the method on simple single and multiple damage scenarios, so that the first conclusions can be extracted and applied to the other two experimental tests, which are designed to simulate a debonding condition on different structures. Once the performance of the impedance-based hierarchical clustering method is proven to be successful, it is then applied to the structural system studied in this dissertation, the RC structures externally strengthened with FRP strips, where the debonding failure in the interface between the FRP and the concrete is successfully detected and classified, proving thus the feasibility of this method. Finally, as an alternative to the previous approach, a continuous monitoring procedure of the FRP-Concrete interface is proposed, based on an FBGsensors Network permanently deployed within that interface. In this way, strain measurements can be obtained under controlled loading conditions, and then they are used in order to implement a multi-objective model updating method solved by a multi-objective expansion of the Particle Swarm Optimization (PSO) method. The feasibility of this last proposal is investigated and successfully proven on both numerical and experimental RC beams strengthened with FRP.

Caracterización de parámetros petrofísicos relacionados con la capacidad de almacenamiento de CO2 en el acuífero salino profundo de Hontomín (Burgos)

La conciencia de la crisis de la modernidad -que comienza ya a finales del siglo XIX- ha cobrado más experiencia debido al conocimiento de los límites del desarrollo económico, ya que como parecía razonable pensar, también los recursos naturales son finitos. En 1972, el Club de Roma analizó las distintas opciones disponibles para conseguir armonizar el desarrollo sostenible y las limitaciones medioambientales. Fue en 1987 cuando la Comisión Mundial para el Medio Ambiente y el Desarrollo de la ONU definía por primera vez el concepto de desarrollo sostenible. Definición que posteriormente fue incorporada en todos los programas de la ONU y sirvió de eje, por ejemplo, a la Cumbre de la Tierra celebrada en Río de Janeiro en 1992. Parece evidente que satisfacer la demanda energética, fundamentalmente desde la Revolución Industrial en el s XIX, trajo consigo un creciente uso de los combustibles fósiles, con la consiguiente emisión de los gases de efecto invernadero (GEI) y el aumento de la temperatura global media terrestre. Esta temperatura se incrementó en los últimos cien años en una media de 0.74ºC. La mayor parte del incremento observado desde la mitad del siglo XX en esta temperatura media se debe, con una probabilidad de al menos el 90%, al aumento observado en los GEI antropogénicos, siendo uno de ellos el CO2 que proviene de la transformación del carbono de los combustibles fósiles durante su combustión. Ante el creciente uso de los combustibles fósiles, los proyectos CAC, proyectos de captura, transporte y almacenamiento, se presentan como una contribución al desarrollo sostenible ya que se trata de una tecnología que permite mitigar el cambio climático. Para valorar si la tecnología CAC es sostenible, habrá que comprobar si existe o no capacidad para almacenar el CO2 en una cantidad mayor a la de producción y durante el tiempo necesario que impone la evolución de la concentración de CO2 en la atmósfera para mantenerla por debajo de las 450ppmv (concentración de CO2 que propone el Panel Intergubernamental para el Cambio Climático). El desarrollo de los proyectos CAC completos pasa por la necesaria selección de adecuados almacenes de CO2 que sean capaces de soportar los efectos de las presiones de inyección, así como asegurar la capacidad de dichos almacenes y la estanqueidad del CO2 en los mismos. La caracterización geológica de un acuífero susceptible de ser almacén de CO2 debe conducir a determinar las propiedades que dicho almacén posee para asegurar un volumen adecuado de almacenamiento, una inyectabilidad del CO2 en el mismo a un ritmo adecuado y la estanqueidad del CO2 en dicho acuífero a largo plazo. El presente trabajo pretende estudiar los parámetros que tienen influencia en el cálculo de la capacidad del almacén, para lo que en primer lugar se ha desarrollado la tecnología necesaria para llevar a cabo la investigación mediante ensayos de laboratorio. Así, se ha desarrollado una patente, "ATAP, equipo para ensayos petrofísicos (P201231913)", con la que se ha llevado a cabo la parte experimental de este trabajo para la caracterización de los parámetros que tienen influencia en el cálculo de la capacidad del almacén. Una vez desarrollada la tecnología, se aborda el estudio de los distintos parámetros que tienen influencia en la capacidad del almacén realizando ensayos con ATAP. Estos ensayos definen el volumen del almacenamiento, llegándose a la conclusión de que en la determinación de este volumen, juegan un papel importante el alcance de los mecanismos trampa, físicos o químicos, del CO2 en el almacén. Ensayos que definen la capacidad del almacén de "aceptar" o "rechazar" el CO2 inyectado, la inyectabilidad, y por último, ensayos encaminados a determinar posibles fugas que se pueden dar a través de los pozos de inyección, definidos estos como caminos preferenciales de fugas en un almacén subterráneo de CO2. Queda de este modo caracterizada la estanqueidad del CO2 en el acuífero a largo plazo y su influencia obvia en la determinación de la capacidad del almacén. Unido al propósito de la estimación de la capacidad del almacén, se encuentra el propósito de asegurar la estanqueidad de dichos almacenes en el tiempo, y adelantarse a la evolución de la pluma de CO2 en el interior de dichos almacenes. Para cumplir este propósito, se ha desarrollado un modelo dinámico a escala de laboratorio, mediante el programa ECLIPSE 300, con el fin de establecer una metodología para el cálculo de la capacidad estimada del almacén, así como el estudio de la evolución de la pluma de CO2 dentro del acuífero a lo largo del tiempo, partiendo de los resultados obtenidos en los ensayos realizados en ATAP y con la modelización de la probeta de roca almacén empleada en dichos ensayos. Presentamos por tanto un trabajo que establece las bases metodológicas para el estudio de la influencia de distintos parámetros petrofísicos en el cálculo de la capacidad del almacén unidos al desarrollo tecnológico de ATAP y su utilización para la determinación de dichos parámetros aplicables a cada acuífero concreto de estudio. ABSTRACT The crisis of modernity –which begins at the end of 19th Century- has been more important due to the knowledge of the limits of economic development, since it appeared to be thought reasonable, the natural resources are finite. In 1972, The Club of Rome analyzed the different options available in order to harmonize the sustainability and the environment development. It was in 1987 when The Global Commission on The Environment and the Development of UN, defined for the first time the concept of Sustainable Development. This definition that was fully incorporated in all the UN programs and it was useful as an axis, for example, in La Cumbre de la Tierra summit in Río de Janeiro in 1992. It seems obvious to satisfy energetic demand, basically after The Industrial Revolution in 19th Century, which represented an increasing use of fossil fuels, therefore greenhouse gases emission and the increasing of global average temperature. This temperature increased in the last 100 years up to 0.74ºC. The major part of the temperature increase is due to the increase observed in Greenhouse gases with human origin, at least with 90% of probability. The most important gas is the CO2 because of its quantity. In the face of the increasing use of fossil fuels, the CCS projects, Carbon Capture and Storage projects, appear as a contribution of sustainable development since it is a technology for avoiding the climate change. In order to evaluate if CCS technology is sustainable, it will be necessary to prove if the capacity for CO2 storage is available or not in a quantity greater than the production one and during the time necessary to keep the CO2 concentration in the atmosphere lower than 450ppmv (concentration imposed by IPCC). The development of full CCS projects goes through the selection of good CO2 storages that are able to support the effects of pressure injection, and assure the capacity of such storages and the watertightness of CO2. The geological characterization of the aquifer that could be potential CO2 storage should lead to determine the properties that such storage has in order to assure the adequate storage volume, the CO2 injectivity in a good rate, and the watertightness of the CO2 in the long term. The present work aims to study the parameters that have influence on the calculation of storage capacity, and for that purpose the appropriate technology has been developed for carrying out the research by mean of laboratory tests. Thus, a patent has been developed, "ATAP, equipo para ensayos petrofísicos (P201231913)", that has been used for developing the experimental part of this work. Once the technology has been developed, the study of different parameters, that have influence on the capacity of the storage, has been addressed developing different tests in ATAP. These tests define the storage volume which is related to the scope of different CO2 trap mechanisms, physical or chemical, in the storage. Tests that define the capacity of the storage to “accept” or “reject” the injected CO2, the injectivity, and tests led to determine possible leakages through injection wells. In this way we could talk about the watertightness in the aquifer in the long term and its influence on the storage capacity estimation. Together with the purpose of the storage capacity estimation, is the purpose of assuring the watertightness of such storages in the long term and anticipating the evolution of CO2 plume inside such aquifers. In order to fulfill this purpose, a dynamic model has been developed with ECLIPSE 300, for stablishing the methodology for the calculation of storage capacity estimation and the evolution of the CO2 plume, starting out with the tests carried out in ATAP. We present this work that establishes the methodology bases for the study of the influence of different petrophysics parameters in the calculation of the capacity of the storage together with the technological development of ATAP and its utilization for the determination of such parameters applicable to each aquifer.

Soluciones de control para el Hogar Digital Accesible

En este proyecto, se pretende obtener la solución óptima para el control del hogar digital accesible. Para ello, comenzaremos explicando el funcionamiento básico de un sistema dómotico, enumeraremos los diversos dispositivos que se utilizan en este tipo de automatizaciones, y comentaremos las diferentes posibilidades con respecto a la arquitectura del sistema. Para elegir la opción más adecuada, se realizará un pequeño estudio a acerca de cada una de las tecnologías existentes, protocolos cerrados, y abiertos, así como tecnologías inalámbricas o de bus. Se realizará un estudio con mayor profundidad del estándar KNX, ya que será una de las tecnologías elegidas finalmente para la realización del proyecto. Una vez elegido el estándar, hemos de centrarnos en las necesidades del recinto, para así poder empezar a definir cada uno de los elementos que incluiremos en nuestra instalación, sensores, actuadores, elementos de intercomunicación, procesadores y dispositivos de control. El siguiente paso consistiría en la programación de la vivienda, para ello hemos de tener previamente estructurados y definidos tanto el número de circuitos eléctricos, como la función que estos desempeñan dentro del recinto inteligente, es decir, accionamiento, regulación etc, para así poder asignar cada circuito a la salida correspondiente de su propio actuador. La vivienda se programará a través de ETS, software asociado a la marca KNX. Mediante este protocolo controlaremos, iluminación, motores, climatización y seguridad. Debido a los recursos limitados que ofrece KNX con respecto a la programación lógica de eventos y secuencias de acciones, y la necesidad de visualizar la interfaz gráfica de la vivienda se ha integrado un procesador. Considerando el deseo de integrar el control de un televisor en la vivienda, futuras ampliaciones y otros aspectos, el procesador integrado será de Crestron Electronics, marca correspondiente a un protocolo cerrado de automatización de sistemas, que cuenta con grandes avances en el control multimedia. Por tanto, la segunda parte de la programación se realizará mediante otros dos softwares diferentes, pertenecientes a la marca, Simple Windows se encargará de la programación lógica del sistema, mientras que Vision Tools creará la visualización. Por último, obtendremos las conclusiones necesarias, adjuntaremos un diagrama de conexionado, presupuesto de la instalación, planos y un pequeño manual de usuario. ABSTRACT. The aim of this project is to optimize the environment control of the Accesible Digital Home unit located in ETSIST - UPM, through different essays, valuing the domestic possibilities and the current interfaces. The tests will be carried out comparing different protocols and the possibilities of optimization that they offer to a Digital Home. Aspects such as: ease the communications with other systems, reliability, costs, long term maintenance of the installation, etc. After conducting trials protocol or most appropriate technology for the automation of the enclosure shall be elected. One Chosen the standard, we have to focus on the needs of the enclosure, so, to begin defining each of the elements included in our installation, sensors, actuators, elements intercom, processors and control devices. The next step is the programing of housing, for that we have previously structured and defined both the number of electrical circuits, as the role they play in the intelligent enclosure, that is, switching, dimming etc., in order to assign each circuit to the corresponding output of its own actuator. The house will be scheduled through ETS, software associated with the brand KNX. Through this protocol we will control, lighting, motors, air conditioning and security. Due to the limited resources available in KNX with respect logic programming of events and sequences of actions, and the need to display the graphical interface housing has been integrated processor belonging to the closed protocol or Crestron electronics brand. Finally, when we get the necessary conclusions, enclose a diagram of wiring, installation budget, planes and a small manual.

The Experience of Helicopters subject-course in the OCW-UPM Project. A Proposal on Technology Dissemination.

An experience developed by the authors in the design of educational tools, funded on multimedia support for using in teaching, will be presented. These tools have been used on the subject of Helicopters, http://ocw.upm.es/ingenieriaaeroespacial/ helicopteros at the Universidad Politécnica de Madrid (E.U.I.T. Aeronáutica). Throughout more than ten years, these didactical and educational elements have been defined and developed. It has the singularity that most of them have been designed for undergraduate students, as a part of their end of degree projectwork. This peculiarity has led to a wide range of proposals and solutions, as well as an appropriate approach. depending on the level of knowledge. The evolution of tools for developing these materials will be presented, discussing advantages and disadvantages. Finally, we will advance the new materials which are being prepared at present.

Proposal for a semantic hierarchy of terminological metaphors in science and technology

Cognitive linguistics is considered as one of the most appropriate approaches to the study of scientific and technical language formation and development, where metaphor is accepted to play an essential role. This paper, based on the Cognitive Theory of Metaphor, takes as the starting point the terminological metaphors established in the research project METACITEC(Note 1), which was developed with the purpose of unfolding constitutive metaphors and their function in the language of science and technology. After the analysis of metaphorical terms and using a mixed corpus from the fields of Agriculture, Geology, Mining, Metallurgy, and other related technical fields, this study presents a proposal for a hierarchy of the selected metaphors underlying the scientific conceptual system, based on the semantic distance found in the projection from the source domain to the target domain. We argue that this semantic distance can be considered as an important parameter to take into account in order to establish the metaphoricity of science and technology metaphorical terms. The findings contribute to expand on the CTM stance that metaphor is a matter of cognition by reviewing the abstract-concrete conceptual relationship between the target and source domains, and to determine the role of human creativity and imagination in the language of science and technology configuration

Contribution to the analysis and design of reflectarray antennas for reconfigurable beam applications at frequencies above 100 GHz using liquid crystal technology

El trabajo contenido en esta tesis doctoral está encuadrado en el desarrollo de antenas reconfigurables electrónicamente capaces de proporcionar prestaciones competitivas a las aplicaciones cada vez más comunes que operan a frecuencias superiores a 60 GHz. En concreto, esta tesis se centra en el estudio, diseño, e implementación de las antenas reflectarray, a las que se introduce la tecnología de cristal líquido como elemento característico con el que se consigue reconfigurabilidad de haz de forma electrónica. Desde un punto de vista muy general, se puede describir un cristal líquido como un material cuya permitividad eléctrica es variable y controlada por una excitación externa, que generalmente suele corresponderse con un campo eléctrico quasi-estático (AC). Las antenas reflectarray de cristal líquido se han escogido como objeto de estudio por varias razones. La primera de ellas tiene que ver con las ventajas que los reflectarrays, y en especial aquellos realizados en configuración planar, proporcionan con respecto a otras antenas de alta ganancia como los reflectores o los “phased-arrays”. En los reflectarrays, la alimentación a través de una fuente primaria común (característica de reflectores) y el elevado número de grados de libertad de las celdas que los componen (característica de arrays) hacen que estas antenas puedan proporcionar prestaciones eléctricas iguales o mejores que las anteriores, a un coste más reducido y con estructuras de antena más compactas. La segunda razón radica en la flexibilidad que ofrece el cristal líquido a ser confinado y polarizado en recintos de geometría variada, como consecuencia de su fluidez (propiedad de los líquidos). Por ello, la tecnología de cristal líquido permite que el propio elemento reconfigurable en las celdas de reflectarray se adapte a la configuración planar de manera que en sí mismo, el cristal líquido sea una o varias de las capas características de esta configuración. Esto simplifica de forma drástica la estructura y la fabricación de este tipo de antenas, incluso si se comparan con reflectarrays reconfigurables basados en otras tecnologías como diodos, MEMS, etc. Por tanto, su coste y desarrollo es muy reducido, lo que hace que se puedan fabricar reflectarrays reconfigurables eléctricamente grandes, a bajo coste, y en producción elevada. Un ejemplo claro de una estructura similar, y que ha tenido éxito comercial, son las pantallas de cristal líquido. La tercera razón reside en el hecho de que el cristal líquido es, hasta la fecha, de las pocas tecnologías capaces de ofrecer reconfigurabilidad del haz a frecuencias superiores a 60 GHz. De hecho, el cristal líquido permite reconfigurabilidad en un amplio margen de frecuencias, que va desde DC a frecuencias del espectro visible, incluyendo las microondas y los THz. Otras tecnologías, como los materiales ferroeléctricos, el grafeno o la tecnología CMOS “on chip” permiten también conmutar el haz en estas frecuencias. Sin embargo, la tecnología CMOS tiene un elevado coste y actualmente está limitada a frecuencias inferiores a 150 GHz, y aunque los materiales ferroeléctricos o el grafeno puedan conmutar a frecuencias más altas y en un rango más amplio, tienen serias dificultades que los hacen aún inmaduros. En el caso de los materiales ferroeléctricos, los elevados voltajes para conmutar el material los hacen poco atractivos, mientras que en el caso del grafeno, su modelado aún está en discusión, y todavía no se han arrojado resultados experimentales que validen su idoneidad. Estas tres razones hacen que los reflectarrays basados en cristal líquido sean atractivos para multitud de aplicaciones de haz reconfigurable a frecuencias superiores a 60 GHz. Aplicaciones como radar de escaneo de imágenes de alta resolución, espectroscopia molecular, radiómetros para observación atmosférica, o comunicaciones inalámbricas de alta frecuencia (WiGig) son algunas de ellas. La tesis está estructurada en tres partes. En la primera de ellas se describen las características más comunes de los cristales líquidos, centrándonos en detalle en aquellas propiedades ofrecidas por este material en fase nemática. En concreto, se estudiará la anisotropía dieléctrica (Ae) de los cristales líquidos uniaxiales, que son los que se emplean en esta tesis, definida como la diferencia entre la permitividad paralela (£//) y la perpendicular (e±): Ae = e,, - e±. También se estudiará la variación de este parámetro (Ae) con la frecuencia, y el modelado electromagnético macroscópico más general que, extraído a partir de aquella, permite describir el cristal líquido para cada tensión de polarización en celdas de geometría planar. Este modelo es de suma importancia para garantizar precisión en el desfasaje proporcionado por las diferentes celdas reconfigurables para reflectarrays que se describirán en la siguiente parte de la tesis. La segunda parte de la tesis se centra en el diseño de celdas reflectarray resonantes basadas en cristal líquido. La razón por la que se escogen estos tipos de celdas reside en el hecho de que son las únicas capaces de proporcionar rangos de fase elevados ante la reducida anisotropía dieléctrica que ofrecen los cristales líquidos. El objetivo de esta parte trata, por tanto, de obtener estructuras de celdas reflectarray que sean capaces de proporcionar buenas prestaciones eléctricas a nivel de antena, mejorando sustancialmente las prestaciones de las celdas reportadas en el estado del arte, así como de desarrollar una herramienta de diseño general para aquellas. Para ello, se estudian las prestaciones eléctricas de diferentes tipos de elementos resonantes de cristal líquido que van, desde el más sencillo, que ha limitado el estado de la técnica hasta el desarrollo de esta tesis y que está formado por un sólo resonador, a elementos que constan de varios resonadores (multi-resonantes) y que pueden ser monocapa o multicapa. En un primer paso, el procedimiento de diseño de estas estructuras hace uso de un modelo convencional de cristal líquido que ha venido siendo usado en el estado del arte para este tipo de celdas, y que considera el cristal líquido como un material homogéneo e isótropo cuya permitividad varía entre (e/7) y (e±). Sin embargo, en esta parte de la tesis se demuestra que dicho modelado no es suficiente para describir de forma genérica el comportamiento del cristal líquido en las celdas tipo reflectarray. En la tesis se proponen procedimientos más exactos para el análisis y diseño basados en un modelo más general que define el cristal líquido como un material anisótropo e inhomogeneo en tres dimensiones, y se ha implementado una técnica que permite optimizar celdas multi-resonantes de forma eficiente para conseguir elevadas prestaciones en cuanto a ancho de banda, rango de fase, pérdidas, o sensibilidad al ángulo de incidencia. Los errores cometidos en el uso del modelado convencional a nivel de celda (amplitud y fase) se han analizado para varias geometrías, usando medidas de varios prototipos de antena que usan un cristal líquido real a frecuencias superiores a 100 GHz. Las medidas se han realizado en entorno periódico mediante un banco cuasi-óptico, que ha sido diseñado especialmente para este fin. Uno de estos prototipos se ha optimizado a 100 GHz para conseguir un ancho de banda relativamente elevado (10%), pérdidas reducidas, un rango de fase mayor de 360º, baja sensibilidad al ángulo de incidencia, y baja influencia de la inhomogeneidad transversal del cristal líquido en la celda. Estas prestaciones a nivel de celda superan de forma clara aquellas conseguidas por otros elementos que se han reportado en la literatura, de manera que dicho prototipo se ha usado en la última parte de la tesis para realizar diversas antenas de barrido. Finalmente, en esta parte se presenta una estrategia de caracterización de la anisotropía macroscópica a partir de medidas de los elementos de reflectarray diseñados en banco cuasi-óptico, obteniendo resultados tanto en las frecuencias de interés en RF como en AC, y comparándolas con aquellas obtenidas mediante otros métodos. La tercera parte de la tesis consiste en el estudio, diseño, fabricación y medida de antenas reconfigurables basadas en cristal líquido en configuraciones complejas. En reflectarrays pasivos, el procedimiento de diseño de la antena se limita únicamente al ajuste en cada celda de la antena de las dimensiones de las metalizaciones que se emplean para el control de fase, mediante procesos de optimización bien conocidos. Sin embargo, en el caso de reflectarrays reconfigurables basados en cristal líquido, resulta necesario un paso adicional, que consiste en calcular de forma adecuada las tensiones de control en cada celda del reflectarray para configurar la fase requerida en cada una de ellas, así como diseñar la estructura y los circuitos de control que permitan direccionar a cada elemento su tensión correspondiente. La síntesis de tensiones es por tanto igual o más importante que el diseño de la geometría de las celdas, puesto que éstas son las que están directamente relacionadas con la fase. En el estado del arte, existen varias estrategias de síntesis de tensiones que se basan en la caracterización experimental de la curva de fase respecto al voltaje. Sin embargo, esta caracterización sólo puede hacerse a un solo ángulo de incidencia y para unas determinadas dimensiones de celda, lo que produce que las tensiones sintetizadas sean diferentes de las adecuadas, y en definitiva que se alcancen errores de fase mayores de 70º. De esta forma, hasta la fecha, las prestaciones a nivel de antena que se han conseguido son reducidas en cuanto a ancho de banda, rango de escaneo o nivel de lóbulos secundarios. En esta última parte de la tesis, se introduce una nueva estrategia de síntesis de tensiones que es capaz de predecir mediante simulaciones, y con alta precisión, las tensiones que deben introducirse en cada celda teniendo en cuenta su ángulo de incidencia, sus dimensiones, la frecuencia, así como la señal de polarización definida por su frecuencia y forma de onda AC. Esta estrategia se basa en modelar cada uno de los estados de permitividad del cristal líquido como un sustrato anisótropo con inhomogeneidad longitudinal (1D), o en ciertos casos, como un tensor equivalente homogéneo. La precisión de ambos modelos electromagnéticos también se discute. Con el objetivo de obtener una herramienta eficiente de cálculo de tensiones, también se ha escrito e implementado una herramienta de análisis basada en el Método de los Momentos en el Dominio Espectral (SD-MoM) para sustratos estratificados anisótropos, que se usa en cada iteración del procedimiento de síntesis para analizar cada una de las celdas de la antena. La síntesis de tensiones se ha diseñado además para reducir al máximo el efecto del rizado de amplitud en el diagrama de radiación, que es característico en los reflectarrays que están formados por celdas con pérdidas elevadas, lo que en sí, supone un avance adicional para la obtención de mejores prestaciones de antena. Para el cálculo de los diagramas de radiación empleados en el procedimiento de síntesis, se asume un análisis elemento a elemento considerando periodicidad local, y se propone el uso de un método capaz de modelar el campo incidente de forma que se elimine la limitación de la periodicidad local en la excitación. Una vez definida la estrategia adecuada de cálculo de las tensiones a aplicar al cristal líquido en cada celda, la estructura de direccionamiento de las mismas en la antena, y diseñados los circuitos de control, se diseñan, fabrican y miden dos prototipos diferentes de antena de barrido electrónico a 100 GHz usando las celdas anteriormente presentadas. El primero de estos prototipos es un reflectarray en configuración “single offset” con capacidad de escaneo en un plano (elevación o azimut). Aunque previamente se realizan diseños de antenas de barrido en 2D a varias frecuencias en el rango de milimétricas y sub-milimétricas, y se proponen ciertas estrategias de direccionamiento que permiten conseguir este objetivo, se desarrolla el prototipo con direccionamiento en una dimensión con el fin de reducir el número de controles y posibles errores de fabricación, y así también validar la herramienta de diseño. Para un tamaño medio de apertura (con un numero de filas y columnas entre 30 y 50 elementos, lo que significa un reflectarray con un número de elementos superior a 900), la configuración “single offset” proporciona rangos de escaneo elevados, y ganancias que pueden oscilar entre los 20 y 30 dBi. En concreto, el prototipo medido proporciona un haz de barrido en un rango angular de 55º, en el que el nivel de lóbulos secundarios (SLL) permanece mejor de -13 dB en un ancho de banda de un 8%. La ganancia máxima es de 19.4 dBi. Estas prestaciones superan de forma clara aquellas conseguidas por otros autores. El segundo prototipo se corresponde con una antena de doble reflector que usa el reflectarray de cristal líquido como sub-reflector para escanear el haz en un plano (elevación o azimut). El objetivo básico de esta geometría es obtener mayores ganancias que en el reflectarray “single offset” con una estructura más compacta, aunque a expensas de reducir el rango de barrido. En concreto, se obtiene una ganancia máxima de 35 dBi, y un rango de barrido de 12º. Los procedimientos de síntesis de tensiones y de diseño de las estructuras de las celdas forman, en su conjunto, una herramienta completa de diseño precisa y eficiente de antenas reflectarray reconfigurables basados en cristales líquidos. Dicha herramienta se ha validado mediante el diseño, la fabricación y la medida de los prototipos anteriormente citados a 100 GHz, que consiguen algo nunca alcanzado anteriormente en la investigación de este tipo de antenas: unas prestaciones competitivas y una predicción excelente de los resultados. El procedimiento es general, y por tanto se puede usar a cualquier frecuencia en la que el cristal líquido ofrezca anisotropía dieléctrica, incluidos los THz. Los prototipos desarrollados en esta tesis doctoral suponen también unas de las primeras antenas de barrido real a frecuencias superiores a 100 GHz. En concreto, la antena de doble reflector para escaneo de haz es la primera antena reconfigurable electrónicamente a frecuencias superiores a 60 GHz que superan los 25 dBi de ganancia, siendo a su vez la primera antena de doble reflector que contiene un reflectarray reconfigurable como sub-reflector. Finalmente, se proponen ciertas mejoras que aún deben se deben realizar para hacer que estas antenas puedan ser un producto completamente desarrollado y competitivo en el mercado. ABSTRACT The work presented in this thesis is focused on the development of electronically reconfigurable antennas that are able to provide competitive electrical performance to the increasingly common applications operating at frequencies above 60 GHz. Specifically, this thesis presents the study, design, and implementation of reflectarray antennas, which incorporate liquid crystal (LC) materials to scan or reconfigure the beam electronically. From a general point of view, a liquid crystal can be defined as a material whose dielectric permittivity is variable and can be controlled with an external excitation, which usually corresponds with a quasi-static electric field (AC). By changing the dielectric permittivity at each cell that makes up the reflectarray, the phase shift on the aperture is controlled, so that a prescribed radiation pattern can be configured. Liquid Crystal-based reflectarrays have been chosen for several reasons. The first has to do with the advantages provided by the reflectarray antenna with respect to other high gain antennas, such as reflectors or phased arrays. The RF feeding in reflectarrays is achieved by using a common primary source (as in reflectors). This arrangement and the large number of degrees of freedom provided by the cells that make up the reflectarray (as in arrays), allow these antennas to provide a similar or even better electrical performance than other low profile antennas (reflectors and arrays), but assuming a more reduced cost and compactness. The second reason is the flexibility of the liquid crystal to be confined in an arbitrary geometry due to its fluidity (property of liquids). Therefore, the liquid crystal is able to adapt to a planar geometry so that it is one or more of the typical layers of this configuration. This simplifies drastically both the structure and manufacture of this type of antenna, even when compared with reconfigurable reflectarrays based on other technologies, such as diodes MEMS, etc. Therefore, the cost of developing this type of antenna is very small, which means that electrically large reconfigurable reflectarrays could be manufactured assuming low cost and greater productions. A paradigmatic example of a similar structure is the liquid crystal panel, which has already been commercialized successfully. The third reason lies in the fact that, at present, the liquid crystal is one of the few technologies capable of providing switching capabilities at frequencies above 60 GHz. In fact, the liquid crystal allows its permittivity to be switched in a wide range of frequencies, which are from DC to the visible spectrum, including microwaves and THz. Other technologies, such as ferroelectric materials, graphene or CMOS "on chip" technology also allow the beam to be switched at these frequencies. However, CMOS technology is expensive and is currently limited to frequencies below 150 GHz, and although ferroelectric materials or graphene can switch at higher frequencies and in a wider range, they have serious difficulties that make them immature. Ferroelectric materials involve the use of very high voltages to switch the material, making them unattractive, whereas the electromagnetic modelling of the graphene is still under discussion, so that the experimental results of devices based on this latter technology have not been reported yet. These three reasons make LC-based reflectarrays attractive for many applications that involve the use of electronically reconfigurable beams at frequencies beyond 60 GHz. Applications such as high resolution imaging radars, molecular spectroscopy, radiometers for atmospheric observation, or high frequency wireless communications (WiGig) are just some of them. This thesis is divided into three parts. In the first part, the most common properties of the liquid crystal materials are described, especially those exhibited in the nematic phase. The study is focused on the dielectric anisotropy (Ac) of uniaxial liquid crystals, which is defined as the difference between the parallel (e/7) and perpendicular (e±) permittivities: Ae = e,, - e±. This parameter allows the permittivity of a LC confined in an arbitrary volume at a certain biasing voltage to be described by solving a variational problem that involves both the electrostatic and elastic energies. Thus, the frequency dependence of (Ae) is also described and characterised. Note that an appropriate LC modelling is quite important to ensure enough accuracy in the phase shift provided by each cell that makes up the reflectarray, and therefore to achieve a good electrical performance at the antenna level. The second part of the thesis is focused on the design of resonant reflectarray cells based on liquid crystal. The reason why resonant cells have been chosen lies in the fact that they are able to provide enough phase range using the values of the dielectric anisotropy of the liquid crystals, which are typically small. Thus, the aim of this part is to investigate several reflectarray cell architectures capable of providing good electrical performance at the antenna level, which significantly improve the electrical performance of the cells reported in the literature. Similarly, another of the objectives is to develop a general tool to design these cells. To fulfill these objectives, the electrical yields of different types of resonant reflectarray elements are investigated, beginning from the simplest, which is made up of a single resonator and limits the state of the art. To overcome the electrical limitations of the single resonant cell, several elements consisting of multiple resonators are considered, which can be single-layer or multilayer. In a first step, the design procedure of these structures makes use of a conventional electromagnetic model which has been used in the literature, which considers that the liquid crystal behaves as homogeneous and isotropic materials whose permittivity varies between (e/7) y (e±). However, in this part of the thesis it is shown that the conventional modelling is not enough to describe the physical behaviour of the liquid crystal in reflectarray cells accurately. Therefore, a more accurate analysis and design procedure based on a more general model is proposed and developed, which defines the liquid crystal as an anisotropic three-dimensional inhomogeneous material. The design procedure is able to optimize multi-resonant cells efficiently to achieve good electrical performance in terms of bandwidth, phase range, losses, or sensitivity to the angle of incidence. The errors made when the conventional modelling (amplitude and phase) is considered have been also analysed for various cell geometries, by using measured results from several antenna prototypes made up of real liquid crystals at frequencies above 100 GHz. The measurements have been performed in a periodic environment using a quasi-optical bench, which has been designed especially for this purpose. One of these prototypes has been optimized to achieve a relatively large bandwidth (10%) at 100 GHz, low losses, a phase range of more than 360º, a low sensitivity to angle of incidence, and a low influence of the transversal inhomogeneity of the liquid crystal in the cell. The electrical yields of this prototype at the cell level improve those achieved by other elements reported in the literature, so that this prototype has been used in the last part of the thesis to perform several complete antennas for beam scanning applications. Finally, in this second part of the thesis, a novel strategy to characterise the macroscopic anisotropy using reflectarray cells is presented. The results in both RF and AC frequencies are compared with those obtained by other methods. The third part of the thesis consists on the study, design, manufacture and testing of LCbased reflectarray antennas in complex configurations. Note that the design procedure of a passive reflectarray antenna just consists on finding out the dimensions of the metallisations of each cell (which are used for phase control), using well-known optimization processes. However, in the case of reconfigurable reflectarrays based on liquid crystals, an additional step must be taken into account, which consists of accurately calculating the control voltages to be applied to each cell to configure the required phase-shift distribution on the surface of the antenna. Similarly, the structure to address the voltages at each cell and the control circuitry must be also considered. Therefore, the voltage synthesis is even more important than the design of the cell geometries (dimensions), since the voltages are directly related to the phase-shift. Several voltage synthesis procedures have been proposed in the state of the art, which are based on the experimental characterization of the phase/voltage curve. However, this characterization can be only carried out at a single angle of incidence and at certain cell dimensions, so that the synthesized voltages are different from those needed, thus giving rise to phase errors of more than 70°. Thus, the electrical yields of the LCreflectarrays reported in the literature are limited in terms of bandwidth, scanning range or side lobes level. In this last part of the thesis, a new voltage synthesis procedure has been defined and developed, which allows the required voltage to be calculated at each cell using simulations that take into account the particular dimensions of the cells, their angles of incidence, the frequency, and the AC biasing signal (frequency and waveform). The strategy is based on the modelling of each one of the permittivity states of the liquid crystal as an anisotropic substrate with longitudinal inhomogeneity (1D), or in certain cases, as an equivalent homogeneous tensor. The accuracy of both electromagnetic models is also discussed. The phase errors made by using the proposed voltage synthesis are better than 7º. In order to obtain an efficient tool to analyse and design the reflectarray, an electromagnetic analysis tool based on the Method of Moments in the spectral domain (SD-MoM) has also written and developed for anisotropic stratified media, which is used at each iteration of the voltage synthesis procedure. The voltage synthesis is also designed to minimize the effect of amplitude ripple on the radiation pattern, which is typical of reflectarrays made up of cells exhibiting high losses and represents a further advance in achieving a better antenna performance. To calculate the radiation patterns used in the synthesis procedure, an element-by-element analysis is assumed, which considers the local periodicity approach. Under this consideration, the use of a novel method is proposed, which avoids the limitation that the local periodicity imposes on the excitation. Once the appropriate strategy to calculate the voltages to be applied at each cell is developed, and once it is designed and manufactured both the structure to address the voltages to the antenna and the control circuits, two complete LC-based reflectarray antennas that operate at 100 GHz have been designed, manufactured and tested using the previously presented cells. The first prototype consists of a single offset reflectarray with beam scanning capabilities on one plane (elevation and azimuth). Although several LC-reflectarray antennas that provide 2-D scanning capabilities are also designed, and certain strategies to achieve the 2-D addressing of the voltage are proposed, the manufactured prototype addresses the voltages in one dimension in order to reduce the number of controls and manufacturing errors, and thereby validating the design tool. For an average aperture size (with a number of rows and columns of between 30 and 50 elements, which means a reflectarray with more than 900 cells), the single offset configuration provides an antenna gain of between 20 and 30 dBi and a large scanning range. The prototype tested at 100 GHz exhibits an electronically scanned beam in an angular range of 55º and 8% of bandwidth, in which the side lobe level (SLL) remains better than -13 dB. The maximum gain is 19.4 dBi. The electrical performance of the antenna is clearly an improvement on those achieved by other authors in the state of the art. The second prototype corresponds to a dual reflector antenna with a liquid crystal-based reflectarray used as a sub-reflector for beam scanning in one plane (azimuth or elevation). The main objective is to obtain a higher gain than that provided by the single offset configuration, but using a more compact architecture. In this case, a maximum gain of 35 dBi is achieved, although at the expense of reducing the scanning range to 12°, which is inherent in this type of structure. As a general statement, the voltage synthesis and the design procedure of the cells, jointly make up a complete, accurate and efficient design tool of reconfigurable reflectarray antennas based on liquid crystals. The tool has been validated by testing the previously mentioned prototypes at 100 GHz, which achieve something never reached before for this type of antenna: a competitive electrical performance, and an excellent prediction of the results. The design procedure is general and therefore can be used at any frequency for which the liquid crystal exhibits dielectric anisotropy. The two prototypes designed, manufactured and tested in this thesis are also some of the first antennas that currently operate at frequencies above 100 GHz. In fact, the dual reflector antenna is the first electronically scanned dual reflector antenna at frequencies above 60 GHz (the operation frequency is 100 GHz) with a gain greater than 25 dBi, being in turn the first dual-reflector antenna with a real reconfigurable sub-reflectarray. Finally, some improvements that should be still investigated to make these antennas commercially competitive are proposed.