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.

Multiphase Design and Control Techniques Applied to a Forward Micro-Inverter

En la última década la potencia instalada de energía solar fotovoltaica ha crecido una media de un 49% anual y se espera que alcance el 16%del consumo energético mundial en el año 2050. La mayor parte de estas instalaciones se corresponden con sistemas conectados a la red eléctrica y un amplio porcentaje de ellas son instalaciones domésticas o en edificios. En el mercado ya existen diferentes arquitecturas para este tipo de instalaciones, entre las que se encuentras los módulos AC. Un módulo AC consiste en un inversor, también conocido como micro-inversor, que se monta en la parte trasera de un panel o módulo fotovoltaico. Esta tecnología ofrece modularidad, redundancia y la extracción de la máxima potencia de cada panel solar de la instalación. Además, la expansión de esta tecnología posibilitará una reducción de costes asociados a las economías de escala y a la posibilidad de que el propio usuario pueda componer su propio sistema. Sin embargo, el micro-inversor debe ser capaz de proporcionar una ganancia de tensión adecuada para conectar el panel solar directamente a la red, mientras mantiene un rendimiento aceptable en un amplio rango de potencias. Asimismo, los estándares de conexión a red deber ser satisfechos y el tamaño y el tiempo de vida del micro-inversor son factores que han de tenerse siempre en cuenta. En esta tesis se propone un micro-inversor derivado de la topología “forward” controlado en el límite entre los modos de conducción continuo y discontinuo (BCM por sus siglas en inglés). El transformador de la topología propuesta mantiene la misma estructura que en el convertidor “forward” clásico y la utilización de interruptores bidireccionales en el secundario permite la conexión directa del inversor a la red. Asimismo el método de control elegido permite obtener factor de potencia cercano a la unidad con una implementación sencilla. En la tesis se presenta el principio de funcionamiento y los principales aspectos del diseño del micro-inversor propuesto. Con la idea de mantener una solución sencilla y de bajo coste, se ha seleccionado un controlador analógico que está originalmente pensado para controlar un corrector del factor de potencia en el mismo modo de conducción que el micro-inversor “forward”. La tesis presenta las principales modificaciones necesarias, con especial atención a la detección del cruce por cero de la corriente (ZCD por sus siglas en inglés) y la compatibilidad del controlador con la inclusión de un algoritmo de búsqueda del punto de máxima potencia (MPPT por sus siglas en inglés). Los resultados experimentales muestran las limitaciones de la implementación elegida e identifican al transformador como el principal contribuyente a las pérdidas del micro-inversor. El principal objetivo de esta tesis es contribuir a la aplicación de técnicas de control y diseño de sistemas multifase en micro-inversores fotovoltaicos. En esta tesis se van a considerar dos configuraciones multifase diferentes aplicadas al micro-inversor “forward” propuesto. La primera consiste en una variación con conexión paralelo-serie que permite la utilización de transformadores con una relación de vueltas baja, y por tanto bien acoplados, para conseguir una ganancia de tensión adecuada con un mejor rendimiento. Esta configuración emplea el mismo control BCM cuando la potencia extraída del panel solar es máxima. Este método de control implica que la frecuencia de conmutación se incrementa considerablemente cuando la potencia decrece, lo que compromete el rendimiento. Por lo tanto y con la intención de mantener unos bueno niveles de rendimiento ponderado, el micro-inversor funciona en modo de conducción discontinuo (DCM, por sus siglas en inglés) cuando la potencia extraía del panel solar es menor que la máxima. La segunda configuración multifase considerada en esta tesis es la aplicación de la técnica de paralelo con entrelazado. Además se han considerado dos técnicas diferentes para decidir el número de fases activas: dependiendo de la potencia continua extraída del panel solar y dependiendo de la potencia instantánea demandada por el micro-inversor. La aplicación de estas técnicas es interesante en los sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica por la posibilidad que brindan de obtener un rendimiento prácticamente plano en un amplio rango de potencia. Las configuraciones con entrelazado se controlan en DCM para evitar la necesidad de un control de corriente, lo que es importante cuando el número de fases es alto. Los núcleos adecuados para todas las configuraciones multifase consideradas se seleccionan usando el producto de áreas. Una vez seleccionados los núcleos se ha realizado un diseño detallado de cada uno de los transformadores. Con la información obtenida de los diseños y los resultados de simulación, se puede analizar el impacto que el número de transformadores utilizados tiene en el tamaño y el rendimiento de las distintas configuraciones. Los resultados de este análisis, presentado en esta tesis, se utilizan posteriormente para comparar las distintas configuraciones. Muchas otras topologías se han presentado en la literatura para abordar los diferentes aspectos a considerar en los micro-inversores, que han sido presentados anteriormente. La mayoría de estas topologías utilizan un transformador de alta frecuencia para solventar el salto de tensión y evitar problemas de seguridad y de puesta a tierra. En cualquier caso, es interesante evaluar si topologías sin aislamiento galvánico son aptas para su utilización como micro-inversores. En esta tesis se presenta una revisión de inversores con capacidad de elevar tensión, que se comparan bajo las mismas especificaciones. El objetivo es proporcionar la información necesaria para valorar si estas topologías son aplicables en los módulos AC. Las principales contribuciones de esta tesis son: • La aplicación del control BCM a un convertidor “forward” para obtener un micro-inversor de una etapa sencillo y de bajo coste. • La modificación de dicho micro-inversor con conexión paralelo-series de transformadores que permite reducir la corriente de los semiconductores y una ganancia de tensión adecuada con transformadores altamente acoplados. • La aplicación de técnicas de entrelazado y decisión de apagado de fases en la puesta en paralelo del micro-inversor “forward”. • El análisis y la comparación del efecto en el tamaño y el rendimiento del incremento del número de transformadores en las diferentes configuraciones multifase. • La eliminación de las medidas y los lazos de control de corriente en las topologías multifase con la utilización del modo de conducción discontinuo y un algoritmo MPPT sin necesidad de medida de corriente. • La recopilación y comparación bajo las mismas especificaciones de topologías inversoras con capacidad de elevar tensión, que pueden ser adecuadas para la utilización como micro-inversores. Esta tesis está estructurada en seis capítulos. El capítulo 1 presenta el marco en que se desarrolla la tesis así como el alcance de la misma. En el capítulo 2 se recopilan las topologías existentes de micro-invesores con aislamiento y aquellas sin aislamiento cuya implementación en un módulo AC es factible. Asimismo se presenta la comparación entre estas topologías bajo las mismas especificaciones. El capítulo 3 se centra en el micro-inversor “forward” que se propone originalmente en esta tesis. La aplicación de las técnicas multifase se aborda en los capítulos 4 y 5, en los que se presentan los análisis en función del número de transformadores. El capítulo está orientado a la propuesta paralelo-serie mientras que la configuración con entrelazado se analiza en el capítulo 5. Por último, en el capítulo 6 se presentan las contribuciones de esta tesis y los trabajos futuros. ABSTRACT In the last decade the photovoltaic (PV) installed power increased with an average growth of 49% per year and it is expected to cover the 16% of the global electricity consumption by 2050. Most of the installed PV power corresponds to grid-connected systems, with a significant percentage of residential installations. In these PV systems, the inverter is essential since it is the responsible of transferring into the grid the extracted power from the PV modules. Several architectures have been proposed for grid-connected residential PV systems, including the AC-module technology. An AC-module consists of an inverter, also known as micro-inverter, which is attached to a PV module. The AC-module technology offers modularity, redundancy and individual MPPT of each module. In addition, the expansion of this technology will enable the possibility of economies of scale of mass market and “plug and play” for the user, thus reducing the overall cost of the installation. However, the micro-inverter must be able to provide the required voltage boost to interface a low voltage PV module to the grid while keeping an acceptable efficiency in a wide power range. Furthermore, the quality standards must be satisfied and size and lifetime of the solutions must be always considered. In this thesis a single-stage forward micro-inverter with boundary mode operation is proposed to address the micro-inverter requirements. The transformer in the proposed topology remains as in the classic forward converter and bidirectional switches in the secondary side allows direct connection to the grid. In addition the selected control strategy allows high power factor current with a simple implementation. The operation of the topology is presented and the main design issues are introduced. With the intention to propose a simple and low-cost solution, an analog controller for a PFC operated in boundary mode is utilized. The main necessary modifications are discussed, with the focus on the zero current detection (ZCD) and the compatibility of the controller with a MPPT algorithm. The experimental results show the limitations of the selected analog controller implementation and the transformer is identified as a main losses contributor. The main objective of this thesis is to contribute in the application of control and design multiphase techniques to the PV micro-inverters. Two different multiphase configurations have been applied to the forward micro-inverter proposed in this thesis. The first one consists of a parallel-series connected variation which enables the use of low turns ratio, i.e. well coupled, transformers to achieve a proper voltage boost with an improved performance. This multiphase configuration implements BCM control at maximum load however. With this control method the switching frequency increases significantly for light load operation, thus jeopardizing the efficiency. Therefore, in order to keep acceptable weighted efficiency levels, DCM operation is selected for low power conditions. The second multiphase variation considered in this thesis is the interleaved configuration with two different phase shedding techniques: depending on the DC power extracted from the PV panel, and depending on the demanded instantaneous power. The application of interleaving techniques is interesting in PV grid-connected inverters for the possibility of flat efficiency behavior in a wide power range. The interleaved variations of the proposed forward micro-inverter are operated in DCM to avoid the current loop, which is important when the number of phases is large. The adequate transformer cores for all the multiphase configurations are selected according to the area product parameter and a detailed design of each required transformer is developed. With this information and simulation results, the impact in size and efficiency of the number of transformer used can be assessed. The considered multiphase topologies are compared in this thesis according to the results of the introduced analysis. Several other topological solutions have been proposed to solve the mentioned concerns in AC-module application. The most of these solutions use a high frequency transformer to boost the voltage and avoid grounding and safety issues. However, it is of interest to assess if the non-isolated topologies are suitable for AC-module application. In this thesis a review of transformerless step-up inverters is presented. The compiled topologies are compared using a set benchmark to provide the necessary information to assess whether non-isolated topologies are suitable for AC-module application. The main contributions of this thesis are: • The application of the boundary mode control with constant off-time to a forward converter, to obtain a simple and low-cost single-stage forward micro-inverter. • A modification of the forward micro-inverter with primary-parallel secondary-series connected transformers to reduce the current stress and improve the voltage gain with highly coupled transformers. •The application of the interleaved configuration with different phase shedding strategies to the proposed forward micro-inverter. • An analysis and comparison of the influence in size and efficiency of increasing the number of transformers in the parallel-series and interleaved multiphase configurations. • Elimination of the current loop and current measurements in the multiphase topologies by adopting DCM operation and a current sensorless MPPT. • A compilation and comparison with the same specifications of suitable non-isolated step-up inverters. This thesis is organized in six chapters. In Chapter 1 the background of single-phase PV-connected systems is discussed and the scope of the thesis is defined. Chapter 2 compiles the existing solutions for isolated micro-inverters and transformerless step-up inverters suitable for AC-module application. In addition, the most convenient non-isolated inverters are compared using a defined benchmark. Chapter 3 focuses on the originally proposed single-stage forward micro-inverter. The application of multiphase techniques is addressed in Chapter 4 and Chapter 5, and the impact in different parameters of increasing the number of phases is analyzed. In Chapter 4 an original primary-parallel secondary-series variation of the forward micro-inverter is presented, while Chapter 5 focuses on the application of the interleaved configuration. Finally, Chapter 6 discusses the contributions of the thesis and the future work.

Re-Ocupación y/o Re-Construcción de estructuras urbanas en desuso y su conexión con el espacio público y el paisaje

Los nuevos comportamientos urbanos nos permiten observar cada vez con más frecuencia en nuestras calles y plazas realidades que siempre habíamos considerado domésticas. Al contrario también pasa, todos los días vivimos en nuestras casas situaciones que implican relacionarnos con personas que no son de nuestro núcleo familiar. El diseño doméstico de nuestras ciudades y el urbanismo del diseño de interiores parecen herramientas oportunas en el mundo que nos ha tocado vivir. Esto nos lleva a pensar que los espacios públicos y privados son términos simplificados, definidos en base a conceptos de propiedad para organizar la ciudad. En cambio, sus usos y vivencias, su gestión y sus comportamientos se han complejizado, distorsionando la terminología convencional hasta hacerla obsoleta. En este contexto, considerado también el marco socioeconómico actual, surgen las “acciones de abajo a arriba” como nuevo paradigma o modelo de renovación urbana, que entienden la involucración del ciudadano como parte activa en el proceso de construcción de la urbe desde la misma gestación del proyecto, frente a las acciones habituales que consideran al usuario como mero receptor de las propuestas. Un ciudadano que parece estar cada vez más radicalizado y una administración que parece asustarse ante el desconcierto que el acercamiento al ciudadano puede acarrear, han ocasionado por un lado, espacios “gueto” de carácter casi anárquico y, por el otro lado, lugares tan institucionalizados que derivan en espacios asociados a la administración y ajenos al ciudadano. Por ello, se considera imprescindible la colaboración entre ambos poderes. De acuerdo con el discurso que precede, dentro de un marco comparativo, se estudian 5 supuestos seleccionados de las ciudades Madrid y Zaragoza. Madrid porque es referencia nacional e internacional en el desarrollo urbano a través de procesos ‘abajo arriba’. Zaragoza porque es una ciudad ‘media’ que históricamente no se ha definido por estrategias urbanas claras, ya sean de carácter social o institucional. Sin embargo, en el momento actual se pueden identificar planteamientos relacionados con la recuperación de construcciones y espacios vacantes que pueden ser determinantes a la hora de alcanzar equilibrios con los intensos procesos institucionales acaecidos en las dos últimas décadas. De los procesos urbanos registrados en cada lugar, desarrollados en construcciones y espacios vacantes, he seleccionado: Construcciones Vacantes Madrid |Tabacalera de Lavapiés Zaragoza | Antiguo I.E.S. Luis Buñuel y antiguo Convento de Mínimos Espacios Vacantes Madrid | Campo de Cebada [solar] Zaragoza | Patio ‘antiguo I.E.S. Luis Buñuel [espacio libre] y plaza Eduardo Ibarra [espacio libre] El proyecto de investigación ha partido de las hipótesis de partida que siguen: UNA… Las ‘acciones de abajo arriba’ o renovación desde abajo no tienen cabida como elementos urbanos aislados sino conectados entre sí, posibilitando la producción de sinergias y la construcción de la ciudad; pudiendo ser consideradas acciones de desarrollo y enlace urbano, pues su objetivo es convertirse en motores del espacio público. Cuestión que es aplicable al resto de los procesos o acciones urbanas [‘horizontales’ o ‘institucionales’] DOS… La capacidad de adaptación manifestada por las ‘acciones de abajo arriba’ implica un marco ideológico de referencia asociado a la importancia de la construcción con mínimos recursos [Re-ocupación y/o Re- Construcción de estructuras urbanas en desuso] en los procesos urbanos descritos, como vía para comprender los concepto sostenibilidad y calidad figurativa de lo construido. Cuestión que es aplicable a la recuperación de aquellos aspectos de la arquitectura que la convierten en necesaria para la sociedad. Y tiene como objetivo: Identificar modelos de sostenibilidad urbana como una estrategia que va de lo individual a lo colectivo y que se transmite fundamentalmente con la acción, mezclando la innovación y la tecnología en múltiples ámbitos, utilizando los recursos naturales e intelectuales de una manera eficiente y entendiendo la inteligencia humana y sobre todo la inteligencia colectiva, como principio y justificación. Se han analizado los siguientes aspectos: sociales [participación ciudadana e implicación de la administración pública], urbanos [conexiones con otros colectivos o espacios urbanos / transformaciones urbanas a través de los procesos de gestión utilizados], constructivos [materiales utilizados en la re-construcción de construcciones y espacios vacantes / sistemas constructivos utilizados] y los relacionados con la sostenibilidad [sostenibilidad económica / sostenibilidad de mantenimiento / sostenibilidad funcional / inteligencia colectiva] El estudio de los aspectos considerados se ha desarrollado con las herramientas metodológicas siguientes: Entrevistas abiertas a expertos: se han obtenido respuestas de 25 personas expertas [5 por cada espacio o construcción vacante] relacionadas con las acciones urbanas sostenibles, la cultura y las relaciones sociales, y que también conocen los lugares y su entorno desde los puntos de vista urbano y construido. Son ‘tipos ideales’ asociados a uno de los cinco poderes que se manifiestan en la ciudad: el poder educativo [la universidad], el poder creativo [la cultura], el poder administrativo [la política], el poder empresarial [la empresa privada] y los usuarios [un usuario activo y representativo de cada lugar elegido que haya intervenido en la gestación del proceso]. Han sido personas que conocían el tejido social y urbano de la ciudad de Zaragoza y Madrid, ya que la herramienta ‘entrevista abierta a expertos’, recoge datos y opiniones planteadas en las construcciones y espacios vacantes ubicados en Zaragoza y Madrid. Entrevistas cerradas a usuarios: como la población de usuarios que se somete a la investigación es infinita o muy grande, resulta imposible o inconveniente realizar la obtención de los datos sobre todos aquellos elementos que la forman. Por lo tanto, he decidido estudiar sólo una parte de la población que denomino ‘tipos ideales’, obteniendo respuestas de 150 usuarios [30 personas por cada espacio o construcción vacante]. La selección de grupos de personas entrevistadas, debe permitir que los resultados sean representativos de la población total de usuarios. Además, la elección de ‘tipos ideales’ se ha identificado con los vecinos de los núcleos urbanos [o barrios] en los que se ubican las construcciones o espacios vacantes analizados. Observación estructurada: recoger información a través de la observación me ha permitido conocer las actuaciones y comportamientos de los ciudadanos en el medio urbano. Esto ha facilitado el estudio del medio a nivel práctico, valorando el uso que la sociedad da a las construcciones y a los espacios vacantes analizados. Es importante posicionar la estrategia en relación con el tema de investigación propuesto. Una estrategia que dibuje un panorama plural, desarrollado a través de herramientas sociales y constructivas que permitan que la arquitectura hable de cosas parecidas a lo que interesa a la ciudadanía. Para ello, propuse un catálogo de herramientas arquitectónicas que han permitido evaluar todas las propuestas. Un contexto de estrategias comunes que han descrito con los mismos códigos las distintas actuaciones analizadas. Estas herramientas tocan diferentes campos de interés. Desde las partes más tectónicas y constructivas, hasta las más ligadas con el desarrollo urbanístico y social. Acciones de participación colectiva: Experiencias o laboratorios urbanos participados por los alumnos del grado de arquitectura de la UNIZAR y los agentes sociales. Las acciones son una herramienta propositiva. Investigar y analizar proponiendo ha permitido que el análisis del contexto pueda llegar a capas de mucha más profundidad. No se ha trabajado estableciendo jerarquías de profesores y alumnos, sino que se ha intentado posibilitar la conexión de distintos agentes que trabajan coordinadamente durante el tiempo que han durado las acciones. Por un lado esto ha permite que cada integrante haya aportado al grupo lo que mejor sabe hacer y de la misma manera, que cada uno pueda aprender aquello de lo que tenga más ganas… y reflexionar sobre determinados aspectos objeto del análisis. Una vez interpretados los resultados, obtenidos a través de las herramientas metodológicas referenciadas, se ha concluido lo que sigue: Respecto de la Hipótesis de partida UNO LAS ACCIONES ‘ABAJO ARRIBA’ han revelado que no se puede entender ningún proceso de gestión urbana fuera de la participación ciudadana. El ‘ESPACIO LIBRE’ de una ciudad necesita lugares de autogestión, espacios de cogestión, movimientos de ‘arriba abajo’ y también modelos que todavía no sabemos ni que existen. LAS ACCIONES INSTITUCIONALES ‘ARRIBA ABAJO’ han demostrado que no han presentado permeabilidad ni relación con las circulaciones de entorno. Tampoco han tenido en cuenta a otras muchas personas, ‘usuarios productores’, a las que les interesan los procesos de búsqueda y las fórmulas de conexión más interactivas. Respecto de la hipótesis de partida DOS LAS ACCIONES ‘ABAJO ARRIBA’ han revelado que el ‘derecho a la ciudad’, paradigma defendido por Lefebvre desde el cual se piensa el urbanismo ciudadano, en estos supuestos podría entenderse como el ‘derecho a la infraestructura’. El ESPACIO LIBRE es infraestructura y se quiere para infraestructurar los derechos de cada uno. Y aunque también es verdad que estas acciones son simples destellos, han hecho visible otro paradigma de gestión y propuesta urbana que puede ser predominante en un futuro próximo. LAS ACCIONES INSTITUCIONALES ‘ARRIBA ABAJO’ han revelado que las intervenciones estuvieron enfocadas únicamente a la resolución de los procesos constructivos y a la incorporación del programa como un dato ‘problema’ que era necesario resolver para evitar la afección al diseño. ABSTRACT The new urban ways of behaviour let us watch more and more frequently in our streets and squares, realities that we had always considered as domestic. This also happens the other way round. Every day we have to go through situations at home which imply relationships with people who don’t belong to our family circle. The domestic design of our cities and the urban planning of indoor design seem to be adequate tools in the world we have to live in. This leads us to think that public and private spaces are simplified terms, defined according to concepts of property in order to organise the city. On the other hand, its uses and the experiences of people, its management and ways of behaviour is now more complex, changing the conventional terminology that has become outdated. In this context, ‘bottom-up’ actions arise as a new paradigm or model of urban renewal. These actions consider the active role of social participation in the process of building up the city from the very beginning, in comparison with the former way of acting that considered the user as mere receptor of the proposals. A citizen who seems to become more and more radical, and an administration that seems to be afraid of the unknown, have created both almost anarchic ghetto spaces and, on the other hand, spaces which have been so institutionalised that derive into areas associated to the administration but alienated from the citizen. For this reason, cowork of both forces is considered as crucial. In accordance with the above mentioned ideas and within a comparative framework, five situations chosen from the cities of Madrid and Zaragoza are studied. Madrid because is a national and international reference in urban development that uses “bottom-up” processes. Zaragoza because is a “medium-size” city that, historically, has not been defined by clear social or institutional urban strategies. Nevertheless, at the present time we can identify approaches on the recovery of constructions and empty areas that may be determining for reaching a balance with the intense institutional processes that have taken place in the two last decades. From the urban processes registered in every place and developed in vacant areas and constructions, I have chosen: Vacant constructions Madrid | Lavapiés Tobacco Factory Zaragoza | Old Secondary School Luis Buñuel and old Convent of the Minimos Vacant areas Madrid | Campo de Cebada [non-built site]. Zaragoza | Old courtyard of the secondary school and Eduardo Ibarra square [free space] The research project has been issued from the following starting hypotheses: ONE… “Bottom-up actions” or renewal from below have no place as isolated urban elements but as connected parts that can produce synergies and the construction of the city, and that can also be considered as actions producing urban development and links. This can also be applied to the rest of urban processes or actions [‘horizontal’ or ‘institutional’]. TWO… The capacity of adaptation shown by “bottom-up actions” implies an ideological framework of reference which is related to the importance of construction with minimal resources (re-occupation and/or reconstruction of urban structures in disuse) in the above mentioned urban processes, as a way for understanding the concepts of sustainability and the representational quality of what has been constructed. This can also be applied to the recovery of those architectural aspects that make architecture necessary for society. And its objective is: Identify models of urban sustainability as a strategy going from the individual to the collective, which are mainly transferred by action and that mix innovation and technology in many fields. Models that use natural and intellectual resources in an efficient way, and understand human intelligence and, above all, collective intelligence, as principle and justification. The following aspects have been analysed: social [civic participation and involvement of the public Administration], urban [connections with other collectives or urban spaces / urban transformation by the processes of administration used], constructive [materials used for the re-construction of empty spaces / construction systems used] and those focusing on sustainability [economic sustainability /maintenance sustainability /functional sustainability / collective intelligence]. For researching into the above mentioned aspects, the following methodological tools have been developed: Open interviews with experts: answers from 25 experts have been obtained [five for every vacant space or empty construction] on sustainable urban actions, culture and social relations, who also know the places and their environment from an urban and constructive point of view. These are “ideal types” linked to one of the five powers acting in the city: the educational power [University], the creative power [culture], the administration power [politics], the corporate power [private companies] and the users [an active and representative user for every place selected during the establishment of the process]. They were people who knew the social and urban fabric of Zaragoza and Madrid, since the “open interview for experts” tool collects data and points of view set out in vacant constructions and spaces of Zaragoza and Madrid. Close interviews with users: as the number of users targeted for the research is very big or infinite, it is impossible or inconvenient to get data from all its constituent parts. Therefore, I have decided to research into the part of the population that I call “ideal types”, obtaining answers from 150 users [30 people for every empty space or construction]. The selection of the groups of people interviewed must produce results which are representative of the total population of users. Furthermore, the election of “ideal types” has been identified with the inhabitants of urban areas [or city districts] in which the vacant spaces or constructions analysed are located. A structured observation: I have known the actions and ways of behaving of the citizens in the urban environment by means of collecting information after observation. Therefore, the practical research into the target environment has been easier by valuing the use that society gives to the empty constructions and spaces analysed. It is important to position the strategy with respect to the research subject proposed. It involves a strategy able to get an overview of a plural landscape, developed by social and constructive tools, allowing architecture to talk about topics which are interesting for city dwellers. Therefore, I proposed a set of architectural tools to evaluate all the proposals. A context of common strategies describing the different actions analysed by using the same codes. These tools focus on different fields of interests, from the most tectonic and constructive parts, to the most related to urban and social development. Actions on collective participation: experiences or urban laboratories shared by the students of architecture of the University of Zaragoza and social agents. The actions are a proactive tool. Researching and analysing by means of proposing, has allowed me to analyse the context and much deeper layers. This work has not been done by establishing ranks of professors and student, but trying to get an interaction between the different agents who work in close coordination during the implementation of the actions. This has allowed every agent to contribute the group what they do the best, and also every individual has had the possibility to learn what s/he prefers…, thinking about the different aspects targeted by the analysis. Once the different methodological tools have been interpreted, this is the conclusion: With regard to the initial hypothesis ONE “BOTTOM-UP” ACTIONS have proven that no process of urban management can be understood outside civic participation. The “FREE SPACE” of a city needs self-managed places, co-managed spaces, “up-bottom” movements, and also models whose existence is still ignored. “UP-BOTTOM” INSTITUTIONAL ACTIONS have proven that they have not presented neither permeability nor relation with local ideas. They have also disregarded many other people, the “usersproducers”, who are interested in the most interactive means of searching and connecting processes. With regard to the initial hypothesis TWO Under these premises, “BOTTOM-UP” ACTIONS have shown that the “right to the city”, a paradigm defended by Lefebvre and from which citizen-focused urbanism is conceived, could be considered as a “right to the infrastructures”. A FREE SPACE is an infrastructure and must be used to “infrastructure” the rights of every citizen. And, even though it is true that these actions are mere flashes, they have made visible another paradigm of management and urban proposal that can be prevailing in a near future. “UP-BOTTOM” INSTITUTIONAL ACTIONS have revealed that the interventions have only focused on resolving construction processes and the incorporation of the program as a “problem” data that was necessary to resolve in order to avoid its influence on the design.

Design Parameter Analysis of Point Absorber WEC via an Evolutionary-Algorithm-Based Dimensioning Tool

Wave energy conversion has an essential difference from other renewable energies since the dependence between the devices design and the energy resource is stronger. Dimensioning is therefore considered a key stage when a design project of Wave Energy Converters (WEC) is undertaken. Location, WEC concept, Power Take-Off (PTO) type, control strategy and hydrodynamic resonance considerations are some of the critical aspects to take into account to achieve a good performance. The paper proposes an automatic dimensioning methodology to be accomplished at the initial design project stages and the following elements are described to carry out the study: an optimization design algorithm, its objective functions and restrictions, a PTO model, as well as a procedure to evaluate the WEC energy production. After that, a parametric analysis is included considering different combinations of the key parameters previously introduced. A variety of study cases are analysed from the point of view of energy production for different design-parameters and all of them are compared with a reference case. Finally, a discussion is presented based on the results obtained, and some recommendations to face the WEC design stage are given.

CONTEXTUALIZAÇÃO E AS PERSPECTIVAS DA EDUCAÇÃO SALESIANA A PARTIR DO DOCUMENTO DAS LINHAS ORIENTADORAS DA MISSÃO EDUCATIVA DO INSTITUTO DAS FILHAS DE MARIA AUXILIADORA

A presente dissertação teve como objetivos contextualizar e analisar as perspectivas da educação salesiana a partir do documento das Linhas Orientadoras da Missão Educativa do Instituto das Filhas de Maria Auxiliadora, tendo em vista aprofundar o contexto histórico e sociocultural da fundação do Instituto das Filhas de Maria Auxiliadora e do desenvolvimento da missão educativa salesiana, com a finalidade de atuar no campo da educação, indicar os fundamentos interdisciplinares que compreendem os fundamentos teóricos para a prática educativa em relação aos aspectos sociológicos, antropológicos, teológicos e pedagógicos, além de algumas experiências práticas da educação salesiana. A pesquisa considera a contextualização da sua prática educativa a partir de diversas contribuições teóricas realizadas em torno da história do Instituto e dos conhecimentos interdisciplinares que integram seus propósitos e seus projetos educativos. Com a perspectiva de analisar as orientações e conteúdos do documento é utilizada a técnica da análise documental que permite interpretar o seu significado, analisar e indicar algumas perspectivas de educação salesiana presentes no documento e que envolvem os seus princípios, propósitos e as suas ações em relação à educação. Por meio da observação participante alguns aspectos práticos das perspectivas da educação salesiana foram demonstrados. Portanto, a investigação permite o mapeamento das perspectivas fundamentais da educação salesiana a partir das Linhas Orientadoras e a possibilidade de aprofundar a significatividade das perspectivas de referência para a prática educativa conforme são indicadas no documento: as dimensões cultural, evangelizadora, social e comunicativa da educação, que são os elementos e princípios fundamentais do Sistema Educativo Salesiano. A concepção de educação salesiana que se constrói a partir de uma visão interdisciplinar, complexa e dimensional, com uma perspectiva de uma estratégia projetual. Os seus princípios integram alguns valores que são considerados como fundamentais para a realização de uma educação integral: a comunidade educativa, o trabalho educativo realizado em equipe, a espiritualidade juvenil, a preventividade e a pedagogia do ambiente. Sobretudo, os núcleos centrais indicados pelo documento orientam as comunidades para a realização de um pensamento projetual, considerando as diversas dimensões da educação, com uma especial abertura para uma contínua projeção das suas intenções e da sua prática educativa. Enfim, encontramos algumas contribuições para a educação a partir do pensamento pedagógico e prático da educação salesiana, especialmente em relação à proposta de pensar a educação de forma complexa e multidimensional.

Peptide design by artificial neural networks and computer-based evolutionary search

A technique for systematic peptide variation by a combination of rational and evolutionary approaches is presented. The design scheme consists of five consecutive steps: (i) identification of a “seed peptide” with a desired activity, (ii) generation of variants selected from a physicochemical space around the seed peptide, (iii) synthesis and testing of this biased library, (iv) modeling of a quantitative sequence-activity relationship by an artificial neural network, and (v) de novo design by a computer-based evolutionary search in sequence space using the trained neural network as the fitness function. This strategy was successfully applied to the identification of novel peptides that fully prevent the positive chronotropic effect of anti-β1-adrenoreceptor autoantibodies from the serum of patients with dilated cardiomyopathy. The seed peptide, comprising 10 residues, was derived by epitope mapping from an extracellular loop of human β1-adrenoreceptor. A set of 90 peptides was synthesized and tested to provide training data for neural network development. De novo design revealed peptides with desired activities that do not match the seed peptide sequence. These results demonstrate that computer-based evolutionary searches can generate novel peptides with substantial biological activity.

Semirational design of active tumor suppressor p53 DNA binding domain with enhanced stability

We have designed a p53 DNA binding domain that has virtually the same binding affinity for the gadd45 promoter as does wild-type protein but is considerably more stable. The design strategy was based on molecular evolution of the protein domain. Naturally occurring amino acid substitutions were identified by comparing the sequences of p53 homologues from 23 species, introducing them into wild-type human p53, and measuring the changes in stability. The most stable substitutions were combined in a multiple mutant. The advantage of this strategy is that, by substituting with naturally occurring residues, the function is likely to be unimpaired. All point mutants bind the consensus DNA sequence. The changes in stability ranged from +1.27 (less stable Q165K) to −1.49 (more stable N239Y) kcal mol−1, respectively. The changes in free energy of unfolding on mutation are additive. Of interest, the two most stable mutants (N239Y and N268D) have been known to act as suppressors and restored the activity of two of the most common tumorigenic mutants. Of the 20 single mutants, 10 are cancer-associated, though their frequency of occurrence is extremely low: A129D, Q165K, Q167E, and D148E are less stable and M133L, V203A and N239Y are more stable whereas the rest are neutral. The quadruple mutant (M133LV203AN239YN268D), which is stabilized by 2.65 kcal mol−1 and Tm raised by 5.6°C is of potential interest for trials in vivo.

A general method to design dominant negatives to B-HLHZip proteins that abolish DNA binding

We describe a method to design dominant-negative proteins (D-N) to the basic helix–loop–helix–leucine zipper (B-HLHZip) family of sequence-specific DNA binding transcription factors. The D-Ns specifically heterodimerize with the B-HLHZip dimerization domain of the transcription factors and abolish DNA binding in an equimolar competition. Thermal denaturation studies indicate that a heterodimer between a Myc B-HLHZip domain and a D-N consisting of a 12-amino acid sequence appended onto the Max dimerization domain (A-Max) is −6.3 kcal⋅mol−1 more stable than the Myc:Max heterodimer. One molar equivalent of A-Max can totally abolish the DNA binding activity of a Myc:Max heterodimer. This acidic extension also has been appended onto the dimerization domain of the B-HLHZip protein Mitf, a member of the transcription factor enhancer binding subfamily, to produce A-Mitf. The heterodimer between A-Mitf and the B-HLHZip domain of Mitf is −3.7 kcal⋅mol−1 more stable than the Mitf homodimer. Cell culture studies show that A-Mitf can inhibit Mitf-dependent transactivation both in acidic extension and in a dimerization-dependent manner. A-Max can inhibit Myc-dependent foci formation twice as well as the Max dimerization domain (HLHZip). This strategy of producing D-Ns may be applicable to other B-HLHZip or B-HLH proteins because it provides a method to inhibit the DNA binding of these transcription factors in a dimerization-specific manner.

Nanohedra: Using symmetry to design self assembling protein cages, layers, crystals, and filaments

A general strategy is described for designing proteins that self assemble into large symmetrical nanomaterials, including molecular cages, filaments, layers, and porous materials. In this strategy, one molecule of protein A, which naturally forms a self-assembling oligomer, An, is fused rigidly to one molecule of protein B, which forms another self-assembling oligomer, Bm. The result is a fusion protein, A-B, which self assembles with other identical copies of itself into a designed nanohedral particle or material, (A-B)p. The strategy is demonstrated through the design, production, and characterization of two fusion proteins: a 49-kDa protein designed to assemble into a cage approximately 15 nm across, and a 44-kDa protein designed to assemble into long filaments approximately 4 nm wide. The strategy opens a way to create a wide variety of potentially useful protein-based materials, some of which share similar features with natural biological assemblies.

Conversion of a maltose receptor into a zinc biosensor by computational design

We have demonstrated that it is possible to radically change the specificity of maltose binding protein by converting it into a zinc sensor using a rational design approach. In this new molecular sensor, zinc binding is transduced into a readily detected fluorescence signal by use of an engineered conformational coupling mechanism linking ligand binding to reporter group response. An iterative progressive design strategy led to the construction of variants with increased zinc affinity by combining binding sites, optimizing the primary coordination sphere, and exploiting conformational equilibria. Intermediates in the design series show that the adaptive process involves both introduction and optimization of new functions and removal of adverse vestigial interactions. The latter demonstrates the importance of the rational design approach in uncovering cryptic phenomena in protein function, which cannot be revealed by the study of naturally evolved systems.

Design and synthesis of ribonucleic guanidine: a polycationic analog of RNA.

Replacement of the phosphodiester linkages of the polyanion RNA with guanidinium linkers (represented by g) provides the polycation ribonucleic guanidine (RNG). An anticipated structure for the triple-helical hybrid [r(Up)9U.r(Ag)9A.r(Up)9U] is presented. A basic strategy for the synthesis of RNG oligomers is described. Synthetic procedures are provided for tetrameric adenosyl RNG [r(Ag)3A].

Library of libraries: approach to synthetic combinatorial library design and screening of "pharmacophore" motifs.

Construction of synthetic combinatorial libraries is described that allows for the generation of a library of motifs rather than a library of compounds. Peptide libraries based on this strategy were synthesized and screened with model targets streptavidin and anti-beta-endorphin antibody. The screens resulted in observation of expected motifs providing evidence of the effectiveness of the suggested approach.

Investigating and Understanding Student Learning Outcomes in an Online and Face-to-Face Graduate Level Legal Administration Course: An Embedded Mixed Methods Design

Online education is a new teaching and learning medium with few current guidelines for faculty, administrators or students. Its rapid growth over the last decade has challenged academic institutions to keep up with the demand, while also providing a quality education. Our understanding of the factors that determine quality and effective online learning experiences that lead to student learning outcomes is still evolving. There is a lack of consensus on the effectiveness of online versus face-to-face education in the current research. The U.S. Department of Education conducted a meta-analysis in 2009 and concluded that student-learning outcomes in online courses were equal to and, often times, better than face-to-face traditional courses. Subsequent research has found contradictory findings, and further inquiry is necessary. The purpose of this embedded mixed methods design research study is to further our understanding of the factors that create quality and successful educational outcomes in an online course. To achieve this, the first phase of this study measured and compared learning outcomes in an online and in class graduate-level legal administration course. The second phase of the study entailed interviews with those students in both the online and face-to-face sections to understand their perspectives on the factors contributing to learning outcomes. Six themes emerged from the qualitative findings: convenience, higher order thinking, discussions, professor engagement, professor and student interaction, and face-to-face interaction. Findings from this study indicate the factors students perceive as contributing to learning outcomes in an online course are consistent among all students and are supported in the existing literature. Higher order thinking, however, emerged as a stronger theme than indicated in the current research, and the face-to-face nature of the traditional classroom may be more an issue of familiarity than a factor contributing to learning outcomes. As education continues to reach new heights and developments in technology advance, the factors found to contribute to student learning outcomes will be refined and enhanced. These developments will continue to transform the ways in which we deliver and receive knowledge in both traditional and online classrooms. While there is a growing body of research on online education, the field’s evolution has unsettled earlier findings and posed new areas to investigate.

Manager Training and Development Strategy: A Methodology to Link Strategic Initiatives at Washington and Lee University

Washington and Lee University has developed and implemented a strategic plan and performance development initiative for 2007-2017. In concert with the strategic plan and performance development initiative, supportive manager core competencies have been identified. The deliverable for this capstone project is a documented methodology that supports the strategy for the design and implementation of a manager training and development program that ensures needed competencies are available. The author uses survey data to determine training needs and priorities and, through a review of literature, investigates effective strategies to arrive at a successful implementation methodology. The author presents findings and conclusions regarding design implementation methodology for manager training and development.

Combined simulation-optimization methodology for the design of environmental conscious absorption systems

This work addresses the optimization of ammonia–water absorption cycles for cooling and refrigeration applications with economic and environmental concerns. Our approach combines the capabilities of process simulation, multi-objective optimization (MOO), cost analysis and life cycle assessment (LCA). The optimization task is posed in mathematical terms as a multi-objective mixed-integer nonlinear program (moMINLP) that seeks to minimize the total annualized cost and environmental impact of the cycle. This moMINLP is solved by an outer-approximation strategy that iterates between primal nonlinear programming (NLP) subproblems with fixed binaries and a tailored mixed-integer linear programming (MILP) model. The capabilities of our approach are illustrated through its application to an ammonia–water absorption cycle used in cooling and refrigeration applications.