Design and development of compact optical systems = Diseño y desarrollo de sistemas ópticos compactos

Esta tesis considera dos tipos de aplicaciones del diseño óptico: óptica formadora de imagen por un lado, y óptica anidólica (nonimaging) o no formadora de imagen, por otro. Las ópticas formadoras de imagen tienen como objetivo la obtención de imágenes de puntos del objeto en el plano de la imagen. Por su parte, la óptica anidólica, surgida del desarrollo de aplicaciones de concentración e iluminación, se centra en la transferencia de energía en forma de luz de forma eficiente. En general, son preferibles los diseños ópticos que den como resultado sistemas compactos, para ambos tipos de ópticas (formadora de imagen y anidólica). En el caso de los sistemas anidólicos, una óptica compacta permite tener costes de producción reducidos. Hay dos razones: (1) una óptica compacta presenta volúmenes reducidos, lo que significa que se necesita menos material para la producción en masa; (2) una óptica compacta es pequeña y ligera, lo que ahorra costes en el transporte. Para los sistemas ópticos de formación de imagen, además de las ventajas anteriores, una óptica compacta aumenta la portabilidad de los dispositivos, que es una gran ventaja en tecnologías de visualización portátiles, tales como cascos de realidad virtual (HMD del inglés Head Mounted Display). Esta tesis se centra por tanto en nuevos enfoques de diseño de sistemas ópticos compactos para aplicaciones tanto de formación de imagen, como anidólicas. Los colimadores son uno de los diseños clásicos dentro la óptica anidólica, y se pueden utilizar en aplicaciones fotovoltaicas y de iluminación. Hay varios enfoques a la hora de diseñar estos colimadores. Los diseños convencionales tienen una relación de aspecto mayor que 0.5. Con el fin de reducir la altura del colimador manteniendo el área de iluminación, esta tesis presenta un diseño de un colimador multicanal. En óptica formadora de imagen, las superficies asféricas y las superficies sin simetría de revolución (o freeform) son de gran utilidad de cara al control de las aberraciones de la imagen y para reducir el número y tamaño de los elementos ópticos. Debido al rápido desarrollo de sistemas de computación digital, los trazados de rayos se pueden realizar de forma rápida y sencilla para evaluar el rendimiento del sistema óptico analizado. Esto ha llevado a los diseños ópticos modernos a ser generados mediante el uso de diferentes técnicas de optimización multi-paramétricas. Estas técnicas requieren un buen diseño inicial como punto de partida para el diseño final, que será obtenido tras un proceso de optimización. Este proceso precisa un método de diseño directo para superficies asféricas y freeform que den como resultado un diseño cercano al óptimo. Un método de diseño basado en ecuaciones diferenciales se presenta en esta tesis para obtener un diseño óptico formado por una superficie freeform y dos superficies asféricas. Esta tesis consta de cinco capítulos. En Capítulo 1, se presentan los conceptos básicos de la óptica formadora de imagen y de la óptica anidólica, y se introducen las técnicas clásicas del diseño de las mismas. El Capítulo 2 describe el diseño de un colimador ultra-compacto. La relación de aspecto ultra-baja de este colimador se logra mediante el uso de una estructura multicanal. Se presentará su procedimiento de diseño, así como un prototipo fabricado y la caracterización del mismo. El Capítulo 3 describe los conceptos principales de la optimización de los sistemas ópticos: función de mérito y método de mínimos cuadrados amortiguados. La importancia de un buen punto de partida se demuestra mediante la presentación de un mismo ejemplo visto a través de diferentes enfoques de diseño. El método de las ecuaciones diferenciales se presenta como una herramienta ideal para obtener un buen punto de partida para la solución final. Además, diferentes técnicas de interpolación y representación de superficies asféricas y freeform se presentan para el procedimiento de optimización. El Capítulo 4 describe la aplicación del método de las ecuaciones diferenciales para un diseño de un sistema óptico de una sola superficie freeform. Algunos conceptos básicos de geometría diferencial son presentados para una mejor comprensión de la derivación de las ecuaciones diferenciales parciales. También se presenta un procedimiento de solución numérica. La condición inicial está elegida como un grado de libertad adicional para controlar la superficie donde se forma la imagen. Basado en este enfoque, un diseño anastigmático se puede obtener fácilmente y se utiliza como punto de partida para un ejemplo de diseño de un HMD con una única superficie reflectante. Después de la optimización, dicho diseño muestra mejor rendimiento. El Capítulo 5 describe el método de las ecuaciones diferenciales ampliado para diseños de dos superficies asféricas. Para diseños ópticos de una superficie, ni la superficie de imagen ni la correspondencia entre puntos del objeto y la imagen pueden ser prescritas. Con esta superficie adicional, la superficie de la imagen se puede prescribir. Esto conduce a un conjunto de tres ecuaciones diferenciales ordinarias implícitas. La solución numérica se puede obtener a través de cualquier software de cálculo numérico. Dicho procedimiento también se explica en este capítulo. Este método de diseño da como resultado una lente anastigmática, que se comparará con una lente aplanática. El diseño anastigmático converge mucho más rápido en la optimización y la solución final muestra un mejor rendimiento. ABSTRACT We will consider optical design from two points of view: imaging optics and nonimaging optics. Imaging optics focuses on the imaging of the points of the object. Nonimaging optics arose from the development of concentrators and illuminators, focuses on the transfer of light energy, and has wide applications in illumination and concentration photovoltaics. In general, compact optical systems are necessary for both imaging and nonimaging designs. For nonimaging optical systems, compact optics use to be important for reducing cost. The reasons are twofold: (1) compact optics is small in volume, which means less material is needed for mass-production; (2) compact optics is small in size and light in weight, which saves cost in transportation. For imaging optical systems, in addition to the above advantages, compact optics increases portability of devices as well, which contributes a lot to wearable display technologies such as Head Mounted Displays (HMD). This thesis presents novel design approaches of compact optical systems for both imaging and nonimaging applications. Collimator is a typical application of nonimaging optics in illumination, and can be used in concentration photovoltaics as well due to the reciprocity of light. There are several approaches for collimator designs. In general, all of these approaches have an aperture diameter to collimator height not greater than 2. In order to reduce the height of the collimator while maintaining the illumination area, a multichannel design is presented in this thesis. In imaging optics, aspheric and freeform surfaces are useful in controlling image aberrations and reducing the number and size of optical elements. Due to the rapid development of digital computing systems, ray tracing can be easily performed to evaluate the performance of optical system. This has led to the modern optical designs created by using different multi-parametric optimization techniques. These techniques require a good initial design to be a starting point so that the final design after optimization procedure can reach the optimum solution. This requires a direct design method for aspheric and freeform surface close to the optimum. A differential equation based design method is presented in this thesis to obtain single freeform and double aspheric surfaces. The thesis comprises of five chapters. In Chapter 1, basic concepts of imaging and nonimaging optics are presented and typical design techniques are introduced. Readers can obtain an understanding for the following chapters. Chapter 2 describes the design of ultra-compact collimator. The ultra-low aspect ratio of this collimator is achieved by using a multichannel structure. Its design procedure is presented together with a prototype and its evaluation. The ultra-compactness of the device has been approved. Chapter 3 describes the main concepts of optimizing optical systems: merit function and Damped Least-Squares method. The importance of a good starting point is demonstrated by presenting an example through different design approaches. The differential equation method is introduced as an ideal tool to obtain a good starting point for the final solution. Additionally, different interpolation and representation techniques for aspheric and freeform surface are presented for optimization procedure. Chapter 4 describes the application of differential equation method in the design of single freeform surface optical system. Basic concepts of differential geometry are presented for understanding the derivation of partial differential equations. A numerical solution procedure is also presented. The initial condition is chosen as an additional freedom to control the image surface. Based on this approach, anastigmatic designs can be readily obtained and is used as starting point for a single reflective surface HMD design example. After optimization, the evaluation shows better MTF. Chapter 5 describes the differential equation method extended to double aspheric surface designs. For single optical surface designs, neither image surface nor the mapping from object to image can be prescribed. With one more surface added, the image surface can be prescribed. This leads to a set of three implicit ordinary differential equations. Numerical solution can be obtained by MATLAB and its procedure is also explained. An anastigmatic lens is derived from this design method and compared with an aplanatic lens. The anastigmatic design converges much faster in optimization and the final solution shows better performance.

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.

Vivienda y fondo edificatorio: análisis de las consecuencias del parámetro fondo en el edificio de vivienda colectiva

Este estudio ofrece una herramienta de aproximación al espacio morfológico-métrico en el que se formula la ciudad de alta densidad desde la vivienda colectiva. La vivienda colectiva es la célula básica de la ciudad. El estudio configurativo y dimensional del tejido urbano muestra la importancia del fondo edificatorio como parámetro clave a mitad de camino entre la vivienda y la ciudad. El fondo edificatorio traza el margen de la arquitectura en la ciudad y desde él se equipa y cuantifica el territorio urbano. Sus dinámicas van caracterizando los distintos entornos, mientras en su interior se formula el tipo en un ajuste de continua verificación y adaptación. La forma de la ciudad y sus distintas posibilidades configurativas —en cuanto masa construida y espacio público, pero sin perder de vista la relación entre ambos— depende en gran medida del fondo edificatorio. Se trata, por tanto, de un parámetro importante de relación entre las distintas configuraciones del espacio exterior e interior. Al proyectar, una vez establecido un fondo, algunas propiedades se adaptan con facilidad mientras que otras requieren un cierto grado de interpretación o deben ser descartadas. Dada una superficie, la especificación del fondo fuerza la dimensión del frente en las configuraciones posibles. Ambas dimensiones son vitales en el valor del factor de forma del continuo edificado y en su relación se produce el complejo rango de posibilidades. Partiendo de la ciudad, un gran fondo encierra y mezcla en su interior todo tipo de usos sin distinción, repercute un menor coste por unidad de superficie edificada y comparte su frente reduciendo los intercambios térmicos y lumínicos. Sin embargo la ciudad de fondo reducido ajusta la forma al uso y se desarrolla linealmente con repetitividad a lo largo de sus frentes exteriores. En ella, el fuerte intercambio energético se opone a las grandes posibilidades del espacio libre. En cambio desde la casa las distintas medidas del fondo se producen bajo determinados condicionantes: clima, compacidad, ocupación, hibridación, tamaño de casa, etc., mientras que el tipo se desarrolla en base a una métrica afín. Este trabajo parte de esta dialéctica. Estudia la relación de dependencia entre las condiciones del edificio de viviendas y su métrica. Jerarquiza edificios en base al parámetro “fondo” para constituir una herramienta que como un ábaco sea capaz de visibilizar las dinámicas relacionales entre configuración y métrica bajo la condición de alta densidad. Para ello en una primera fase se gestiona una extensa muestra de edificios representativos de vivienda colectiva principalmente europea, extraída de tres prestigiosos libros en forma de repertorio. Se ordenan y categorizan extrayendo datos conmensurables y temas principales que ligan la profundidad de la huella a la morfología y posteriormente, esta información se estudia en diagramas que ponen de manifiesto convergencias y divergencias, acumulaciones y vacíos, límites, intervalos característicos, márgenes y ejes, parámetros y atributos... cuya relación trata de factorizar el lugar morfológico y métrico de la casa como metavivienda y ciudad. La herramienta se establece así como un complejo marco relacional en el que posicionar casos concretos y trazar nexos transversales, tanto de tipo morfológico como cultural, climático o técnico, normativo o tecnológico. Cada nuevo caso o traza añadida produce consonancias y disonancias en el marco que requieren interpretación y verificación. De este modo este instrumento de análisis comparativo se tempera, se especializa, se completa y se perfecciona con su uso. La forma de la residencia en la ciudad densa se muestra así sobre un subsistema morfológico unitario y su entendimiento se hace más fácilmente alcanzable y acumulable tanto para investigaciones posteriores como para el aprendizaje o el ejercicio profesional. ABSTRACT This research study offers a tool to approach the morphometric space in which (multi-family) housing defines high-density cities. Multi-family housing is the basic cell of the city. The configuration and dimension studies of the urban fabric render the importance of building depth as a key parameter half way between the dwelling and the city. The building depth traces de limit of architecture in the city. It qualifies and quantifies the urban territory. Its dynamics characterize the different environments while in its essence, an adjustment process of continuous verification and adaption defines type. The shape of the city and its different configuration possibilities —in terms of built fabric and public space, always keeping an eye on the relationship between them— depend majorly on the building depth. Therefore, it is a relevant parameter that relates the diverse configurations between interior and exterior space. When designing, once the depth is established, some properties are easily adpated. However, others require a certain degree of interpretation or have to be left out of the study. Given a ceratin surface, the establishment of the depth forces the dimensions of the facade in the different configurations. Both depth and facade dimensions are crucial for the form factor of the built mass. Its relationship produces a complex range of possibilities. From an urban point of view, great depth means multiple uses (making no distinction whatsoever,) it presents a lower cost per unit of built area and shares its facade optimizing temperature and light exchange. On the contrary, the city of reduced depth adjusts its shape to the use, and develops linearly and repetitively along its facades. The strong energy exchange opposes to the great possibilities of free space. From the perspective of the dwelling, the different dimensions of depth are produced under certain determinants: climate, compactness, occupancy, hybridization, dwelling size, etc. Meanwhile, the type is developed based on a related meter (as in poetry). This work starts from the previous premise. It studies the dependency relation bewteen the conditions of the dwellings and their meter (dimensions). It organizes buildings hierarchically based on the parameter “depth” to create a tool that, as an abacus, is able to visibilise the relational dynamics between configuration and dimension in high density conditions. For this, in the first stage a large group of representative multi-family housing buildings is managed, mostly from Europe, picked from three prestigious books as a repertoir. They are categorized and ordered drawing commensurable data and key issues that link the depth of the fooprint to its morphology. Later, this information is studied deeply with diagrams that bring out connections and discrepancies, voids and accumulations, limits, charasteristic intervals, margins and axii, parameters, attributes, etc. These relationships try to create factors from a morphological and metrical point of view of the house as a metadwelling. This tool is established as a complex relation frame in which case studies are postitioned and cross-cutting nexii are traced. These can deal with morphology, climate, technique, law or technology. Each new case or nexus produces affinities and discrepancies that require interpretation and verification. Thus, this instrument of comparative analysis is fine-tuned, especialized and completed as its use is improved. The way housing is understood in high density cities is shown as a unitary metric subsystem and its understanding is easy to reach and accumulate for future researchers, students or practicing architects.

Tamaño y densidad urbana: análisis de la ocupación de suelo por las áreas urbanas españolas

Tamaño y densidad son atributos imprescindibles para la caracterización de cualquier ciudad, sin embargo no siempre se les presta la misma atención. Mientras la densidad ocupa un lugar destacado en cualquier manual de planificación urbana, como variable crítica para modular la intervención urbanística, el tamaño de la ciudad tiende a tomarse como un imponderable más allá del control de la planificación. Sin embargo, no está claro que ambas variables se puedan analizar de forma autónoma, ya que las interrelaciones entre ambas son significativas. Con el fin de evaluar cómo se influyen mutuamente tamaño y densidad se plantea una metodología novedosa adaptada a las nuevas formas contemporáneas de urbanización que combina una delimitación funcional de las áreas urbanas con un análisis de su morfología en términos de densidad y compacidad. Los resultados obtenidos a partir de una muestra de 47 áreas urbanas españolas permiten clarificar algunos aspectos de la relación entre tamaño y densidad. Las grandes metrópolis españolas presentan valores relativamente altos de densidad y compacidad, pero los valores más elevados de ambos valores están presentes en áreas urbanas de tamaño intermedio o pequeño. En realidad se puede apreciar una enorme diversidad entre las áreas urbanas intermedias y pequeñas que desaparece casi por completo en las más grandes. Otro aspecto reseñable es la constatación de que densidad y compacidad son variables absolutamente independientes: existen áreas urbanas densas y compactas, pero también densas y poco compactas, o compactas pero poco densas. Sobre esta base, se propone una caracterización de la tipología tradicional de las ciudades españolas. Las áreas urbanas del Cantábrico presentan una alta densidad pero baja compacidad, en gran medida por la difícil orografía; por el contrario la áreas urbanas del interior presentan baja densidad y valores muy diversos de compacidad. Finalmente las áreas urbanas mediterráneas se caracterizan más por su alta compacidad que por su densidad, que es muy variable. En general los resultados obtenidos reflejan adecuadamente aspectos conocidos de la diversidad urbana española, pero también otros menos evidentes. Las conclusiones del estudio están muy mediatizadas por el contexto español, pero la metodología empleada ha demostrado ser de gran utilidad para el análisis de los territorios urbanos contemporáneos. ABSTRACT Size and density are essential attributes for characterizing cities, however they don't always deserve the same attention. While density is considered a critical variable in every urban planning guidebook, city size tends to be taken as an imponderable beyond the control of planning. However, it is unclear whether both variables can be analyzed independently, because their reciprocal influences are evident. To assess how city size and urban density influence each other, we propose a new methodology adapted to contemporary forms of urbanization, bringing together urban areas functional delimitation and morphological analysis in terms of density and compactness. Results obtained from a sample of 47 Spanish urban areas clarify some aspects of the size-density link. The largest Spanish urban areas are relatively dense and compact, but the highest values of both density and compactness are found in intermediate or small urban areas. Actually there is a huge diversity among intermediate and small urban areas which almost disappears in larger ones. Another noteworthy aspect is the realization that density and compactness are absolutely independent variables: there are dense and compact urban areas, but also low-density compact, and low-compactness dense areas. On this basis, we make a revision of the tradicional classification of Spanish urban areas. Cantabrian urban areas display high density and low compactness, largely because of the difficult terrain; on the contrary, inland urban areas exhibit low density and very different values of compactness. Finally, Mediterranean urban areas are characterized more by its high compactness than by its density, which is remarkably variable. In general results accurately reflect known aspects of Spanish urban diversity, but they also expose less obvious attributes. These findings may be closedly related to Spanish context, but the methodology has proven a useful tool for analyzing contemporary urban areas.

Sistemas urbanos emergentes: procesos informales de gestión y producción de espacio público

Esta investigación analiza la capacidad del urbanismo de albergar sistemas emergentes de gestión urbana. El objetivo de esta tesis es describir estos procedimientos informales, realizando un exhaustivo recorrido a través de diversas experiencias de alteración del modo de gestión urbana al uso, para dar lugar a una sistematización de estos procesos que siente las bases para plantear nuevas formas de gestión urbana. Es decir, el fin no es tanto hacer una clasificación de las intervenciones más relevantes en materia urbana, sino descubrir su estructura, un orden para el desorden, una taxonomía en esas actuaciones que permita reformular las formas actuales de gestión de lo público. Se ha tratado de dibujar un mapa de oportunidades posibles en torno a la gestión del espacio urbano. A través de los procesos estudiados, esta investigación analiza los éxitos y fracasos obtenidos en los últimos cinco años de gestión alternativa de espacios vacantes, buscando extraer formulas susceptibles de incorporarse al modo actual de hacer ciudad. Este estudio pretende abordar un aspecto parcial, aunque fundamental del urbanismo, dando prioridad a lo público, sin la intención de negar el resto de formas del espacio urbano. Se concentra en los parámetros relativos a la interpretación de lo público: desatiende al conjunto urbano para descifrar ese fragmento. Así, el interés principal de esta tesis se concentra en la producción del espacio público. Al entender este ámbito como no exclusivo del urbanismo, otras actividades como el arte, la filosofía, la antropología o la sociología han aportado aspectos fundamentales dentro de esta investigación. De esta forma se ofrece un acercamiento poliédrico desde puntos de vista interdisciplinares, tratando de descubrir con rigor las posibilidades contrastadas de mejora del espacio urbano producido por los procesos emergentes de gestión informal de lo público. Mediante un metodología creada ex profeso (una estructura definida por tres líneas estratégicas: Gobernanza, Complejidad y Cohesión Social, que se desglosan en seis conceptos clave cada una) esta investigación analiza los aspectos relativos a la producción informal del espacio público de los sistemas emergentes. En relación con la Gobernanza, una parte de esta tesis se dedica al estudio de la informalidad, la transversalidad, la apropiación, la participación, la transparencia y las redes. La Complejidad se ha estudiado en su relación con la diversidad urbana, el uso sostenible del espacio público, la reactivación, la producción de espacio público, la ecología urbana y los procesos creativos. Para Cohesión Social se ha investigado la innovación en equipamientos, los procesos bottom-up, el rizoma, la identidad, los sistemas líquidos y el empoderamiento. Esta máquina para analizar se prueba en tres soportes urbanos: la escena urbana, los edificios-contenedores y los vacíos urbanos. Se han estudiado cinco situaciones urbanas en la ciudad de Madrid, seleccionados por ser las prácticas urbanas más relevantes de los últimos cinco años. Si bien este análisis nace de estos cincos casos, el modelo podría ser útil para otras investigaciones interesadas en los aspectos informales de la gestión urbana. Esta investigación se propone reclamar otras dimensiones más innovadoras que, si bien se escapan a los modos habituales de trabajar del urbanista, se revelan intensamente en los modos actuales de reclamar y producir espacio urbano. Se ha pretendido descubrir el espacio urbano como contenedor situacional del sentido público, potencial multiplicador de efectos funcionales como la gestión, la temporalidad, la participación, la rehabilitación, la multiplicidad de usos, la corrección del compacidad; efectos perceptuales y estéticos en la escena urbana; efectos políticos, de formación, de adquisición de poder; efectos sociales como la generación de nuevas redes, la creación de identidades. Se pretende que esta investigación arroje conclusiones que puedan tener aplicabilidad en la gestión y planificación del espacio público de ciudades y entornos urbanos inmersos a procesos semejantes. ABSTRACT This research examines the ability of urban planning to accommodate emerging urban management systems. The purpose of this thesis is to describe such informal procedures, by carrying out an exhaustive review across the different approaches to urban management, in order to systematize them as the basis for new ways of urban management. The aim is not, that is, to classify relevant urban interventions, but to recognize the intrinsic structure, an order for disorder, a taxonomy in those proceedings that could help reformulating existing forms of public management. The attempt has been to draw a map of possible opportunities around the management of urban space. Through the processes that have been the object of study, this research analyzes the successes and failures over the last five years of alternative management of vacant spaces, seeking to extract formulas that are likely to join the current way of making city. The focus of this urban study is the interpretation of public concepts, considered as key dimensions, not obliterating the other forms of urban space, but trying to make an in-depth analysis of this fragment within the global urban concept. Other activities intrinsically associated to public space generation, such as art, philosophy, anthropology or even sociology, are also contributing to this research. This interdisciplinary approach tries to enrich the research by recognizing the informal elements participating in emergent public management processes. The ex profeso devised methodology is structured by three main strategies: governance, complexity and Social Cohesiveness. Governance considers elements associated to informality, transversal dynamics, appropriation, participation, transparency and networking. Complexity encompasses elements of urban diversity, sustainable usage of public space, reactivation, urban space production, urban ecology and creative processes. Social Cohesiveness includes elements for equipment innovation, bottom-up processes, rhizome, identity, liquid systems and empowerment. This analyzing machine is tested on three urban scenarios: the urban scene, container buildings and empty spaces. Five relevant urban situations in Madrid have been selected, all of them developed in last five years, thus establishing the basis for other experiences of informal urban management. The result of the research, confirms the relevance of additional dimensions to traditional approaches for urban development. The urban space is recognized as a situational container of public sense and a potential multiplier of functional effects such as public management, temporality, participation, rehabilitation, multiplicity of uses, correction of compactness; perceptual and esthetic effects on the urban scene; politic effects, training, empowerment; social effects as generating new networks and identity creation. To sum up, the purpose of this thesis is to share the conclusions obtained by evaluating reference scenarios that could be applied in similar processes for cities and urban environment management and planning.

Biomimetismo entre los endemismos arquitectónicos y taxones en Cantabria

Es notoria la importancia de la naturaleza en la evolución de la arquitectura. Hasta la gran eclosión de la industria manufacturera y la mejora en las infraestructuras de comunicación, se podría decir que ambas corrían paralelas, para a partir de ahí dejar “congelada” la sabiduría popular y dar un salto a la globalidad, generando una situación de libertad arquitectónica prácticamente total, que independiza la construcción de su ubicación. "El biomimetismo es esencialmente un campo de investigación interdisciplinar, una serie de colaboraciones entre botánicos, físicos, matemáticos, ingenieros y zoólogos; donde la rígida división entre disciplinas «puras» cede lugar a un área de investigación que apunta a generar tecnología inteligente (smarttechnologies), utilizando materiales o procesos que sean de alguna manera sensibles al medio ambiente." (M. Weinstock, 1998). “La morfología de las plantas en los diferentes climas parece tener cierta analogía con la edificación, ya que algunas de las tensiones que inciden en su forma (tales como las variaciones de temperatura) corresponden de manera similar a las necesidades humanas.” (V. Olgyay 1963). En el presente trabajo se han estudiado las especies endémicas que nos rodean, para poder leer a través de ellas millones de años de supervivencia en este entorno, con el fin de mimetizar sus respuestas. También se han estudiado diferentes tipologías de arquitectura vernácula y su simulación energética, con el propósito de evaluar la demanda energética optima exigible. A partir de una ubicación específica, la orientación, compacidad, perforación y las características de la envolvente son los elementos que más influyen en la demanda energética de una edificación. Tanto la forma como los materiales pueden ser mimetizados con la naturaleza. En esta Tesis se han cuantificado los parámetros de diseño formales tomando como referencia las especies vegetales o la arquitectura vernácula, sin perder de vista los objetivos buscados por normativas o institutos en la reducción del consumo energético vinculado a la calefacción y ventilación. ABSTRACT The importance of the nature in the evolution of the architecture is well-known. Until the great burst of the manufacturing industry and the improvement in communication infrastructures, it would be possible to be said that both ran parallel, stops there from leaving “frozen” the popular wisdom and jump to the globalization, creating a situation almost complete architectural freedom, that it frees the construction of its location. "Biomimicry is essentially an interdisciplinary field of research, a series of collaborations among botanists, physicists, mathematicians, engineers and zoologists; where the rigid division between "pure" disciplines gives way to an area of research that aims to generate intelligent technology (smarttechnologies), using materials and processes that are in some environmentally sensitive manner. "(M. Weinstock, 1998). “The morphology of the plants in different climates seems to have some analogy with the building, as some of the tensions that affect their form (such as the temperature variations) are similar to the human necessities.” (V. Olgyay 1963). In the present work, the endemic species that surround to us have been studied, to be able to read through them millions of years of survival in this environment, in order to mimic their answers. Also different types or popular architecture and their energy simulation have been studied, in order to evaluate the rate of energy optimum demand. Orientation, compactness, perforation and characteristics of the envelope are the elements that influence more in the energy demand of a building. The shape and materials can be mimic with nature. Each of them has been quantified in this work by reference plant species or popular architecture, without losing sight of the objectives sought by regulations or institutes about reduction in energy consumption.

Strategies to unblock the n-GaAs surface when electrodepositing Bi from acidic solutions

Bismuth ultra-thin films grown on n-GaAs electrodes via electrodeposition are porous due to a blockade of the electrode surface caused by adsorbed hydrogen when using acidic electrolytes. In this study, we discuss the existence of two sources of hydrogen adsorption and we propose different routes to unblock the n-GaAs surface in order to improve Bi films compactness. Firstly, we demonstrate that increasing the electrolyte temperature provides compact yet polycrystalline Bi films. Cyclic voltammetry scans indicate that this low crystal quality might be a result of the incorporation of Bi hydroxides within the Bi film as a result of the temperature increase. Secondly, we have illuminated the semiconductor surface to take advantage of photogenerated holes. These photocarriers oxidize the adsorbed hydrogen unblocking the surface, but also create pits at the substrate surface that degrade the Bi/GaAs interface and prevent an epitaxial growth. Finally, we show that performing a cyclic voltammetry scan before electrodeposition enables the growth of compact Bi ultra-thin films of high crystallinity on semiconductor substrates with a doping level low enough to perform transport measurements.

Influence of the training system on the agronomic behavior and grape composition of Albariño in Rías Baixas apellation

The aim of this study was to evaluate if early defoliation can be an alternative to bunch thinning in limiting yield and improving quality in grapes of the white cultivar Loureiro (Vitis vinifera L.), grafted onto 1103P. The field trial had been set up in a commercial vineyard in Vinhos Verdes Region (Northwest of Portugal, 41º 48? 53? N, 8º 24? 42? W). Treatments studied, performed five days before full bloom were: LR5 ? Leaf removal of the first five basal leaves, performed manually, LR8 ? Leave removal of the first eight basal leaves, LRM ? mechanical leaf removal and C ? the control, without defoliation. This paper reports the results of four years (2010-2013). The results presented a significant removal of main leaf area after defoliation principally in the most intensive treatment (LR8) but at harvest, the total leaf area had been compensated by lateral regrowth and no statistical differences between the treatments and the control were found. Early defoliation caused a decrease in fruit set and also a significant reduction in the diameter of the berry within the more severe defoliation treatments (LR5 and LR8). Yield factors were also significantly affected by the defoliation, causing a reduction of bunch weight and in 2013 a yield reduction in LR8 and LRM, and in 2010 in LR8. Conversely, LR5 presented a yield always similar to the control C. The reduction of cluster compactness and the substantial improvement of the microclimate at the cluster level significantly reduced bunch rot incidence in the defoliated modalities compared to control. No carry-over effects, along the four years trial were observed Early defoliation proved to be a canopy management technique that can have a strong impact in the final quality of grapes, reducing the compactness and lower the incidence and intensity of bunch rot, even if the reduction of yield observed in other papers had not been observed in all modalities.

Detection of residue contacts in a protein folding intermediate

Protein folding can be described in terms of the development of specific contacts between residues as a highly disordered polypeptide chain converts into the native state. Here we describe an NMR based strategy designed to detect such contacts by observation of nuclear Overhauser effects (NOEs). Experiments with α-lactalbumin reveal the existence of extensive NOEs between aromatic and aliphatic protons in the archetypal molten globule formed by this protein at low pH. Analysis of their time development provides direct evidence for near-native compactness of this state. Through a rapid refolding procedure the NOE intensity can be transferred efficiently into the resolved and assigned spectrum of the native state. This demonstrates the viability of using this approach to map out time-averaged interactions between residues in a partially folded protein.

Well posedness of an integrodifferential kinetic model of Fokker-Planck type for angiogenesis.

Tumor induced angiogenesis processes including the effect of stochastic motion and branching of blood vessels can be described coupling a (nonlocal in time) integrodifferential kinetic equation of Fokker–Planck type with a diffusion equation for the tumor induced ingiogenic factor. The chemotactic force field depends on the flux of blood vessels through the angiogenic factor. We develop an existence and uniqueness theory for this system under natural assumptions on the initial data. The proof combines the construction of fundamental solutions for associated linearized problems with comparison principles, sharp estimates of the velocity integrals and compactness results for this type of kinetic and parabolic operators

Lipschitz compact operators

We introduce the notion of Lipschitz compact (weakly compact, finite-rank, approximable) operators from a pointed metric space X into a Banach space E. We prove that every strongly Lipschitz p-nuclear operator is Lipschitz compact and every strongly Lipschitz p-integral operator is Lipschitz weakly compact. A theory of Lipschitz compact (weakly compact, finite-rank) operators which closely parallels the theory for linear operators is developed. In terms of the Lipschitz transpose map of a Lipschitz operator, we state Lipschitz versions of Schauder type theorems on the (weak) compactness of the adjoint of a (weakly) compact linear operator.

Weighted composition operators on the predual and dual Banach spaces of Beurling algebras on Z

Let vv be a weight sequence on ZZ and let ψ,φψ,φ be complex-valued functions on ZZ such that φ(Z)⊂Zφ(Z)⊂Z. In this paper we study the boundedness, compactness and weak compactness of weighted composition operators Cψ,φCψ,φ on predual Banach spaces c0(Z,1/v)c0(Z,1/v) and dual Banach spaces ℓ∞(Z,1/v)ℓ∞(Z,1/v) of Beurling algebras ℓ1(Z,v)ℓ1(Z,v).

Primal Attainment in Convex Infinite Optimization Duality

This article provides results guarateeing that the optimal value of a given convex infinite optimization problem and its corresponding surrogate Lagrangian dual coincide and the primal optimal value is attainable. The conditions ensuring converse strong Lagrangian (in short, minsup) duality involve the weakly-inf-(locally) compactness of suitable functions and the linearity or relative closedness of some sets depending on the data. Applications are given to different areas of convex optimization, including an extension of the Clark-Duffin Theorem for ordinary convex programs.

Global behavior of the Douglas–Rachford method for a nonconvex feasibility problem

In recent times the Douglas–Rachford algorithm has been observed empirically to solve a variety of nonconvex feasibility problems including those of a combinatorial nature. For many of these problems current theory is not sufficient to explain this observed success and is mainly concerned with questions of local convergence. In this paper we analyze global behavior of the method for finding a point in the intersection of a half-space and a potentially non-convex set which is assumed to satisfy a well-quasi-ordering property or a property weaker than compactness. In particular, the special case in which the second set is finite is covered by our framework and provides a prototypical setting for combinatorial optimization problems.

Should energy efficiency be traded off for other product attributes? : an analysis of air-conditioner regulation in Japan

This paper examines the functioning of energy efficiency standards and labeling policies for air conditioners in Japan. The results of our empirical analysis suggest that consumers respond more to label information, which benchmarks the energy efficiency performance of each product to a pre-specified target, than to direct performance measures. This finding provides justification for the setting, and regular updating, of target standards as well as their use in calculating relative performance measures. We also find, through graphical analysis, that air conditioner manufacturers face a tradeoff between energy efficiency and product compactness when they develop their products. This tradeoff, combined with the semi-regular upward revision of minimum energy efficiency standards, has led to the growth in indoor unit size of air conditioners in recent years. In the face of this phenomenon, regulatory rules were revised so that manufacturers could adhere to less stringent standards if the indoor unit size of their product remains below a certain size. Our demand estimates provide no evidence that larger indoor unit size causes disutility to consumers. It is therefore possible that the regulatory change was not warranted from a consumer welfare point of view.