Analysis of Magnetic Nozzles For Space Plasma Thrusters = Análisis de Toberas Magnéticas para Motores Espaciales de Plasma

Esta tesis presenta un análisis teórico del funcionamiento de toberas magnéticas para la propulsión espacial por plasmas. El estudio está basado en un modelo tridimensional y bi-fluido de la expansión supersónica de un plasma caliente en un campo magnético divergente. El modelo básico es ampliado progresivamente con la inclusión de términos convectivos dominantes de electrones, el campo magnético inducido por el plasma, poblaciones electrónicas múltiples a distintas temperaturas, y la capacidad de integrar el flujo en la región de expansión lejana. La respuesta hiperbólica del plasma es integrada con alta precisión y eficiencia haciendo uso del método de las líneas características. Se realiza una caracterización paramétrica de la expansión 2D del plasma en términos del grado de magnetización de iones, la geometría del campo magnético, y el perfil inicial del plasma. Se investigan los mecanismos de aceleración, mostrando que el campo ambipolar convierte la energía interna de electrones en energía dirigida de iones. Las corrientes diamagnéticas de Hall, que pueden hallarse distribuidas en el volumen del plasma o localizadas en una delgada capa de corriente en el borde del chorro, son esenciales para la operación de la tobera, ya que la fuerza magnética repulsiva sobre ellas es la encargada de confinar radialmente y acelerar axialmente el plasma. El empuje magnético es la reacción a esta fuerza sobre el motor. La respuesta del plasma muestra la separación gradual hacia adentro de los tubos de iones respecto de los magnéticos, lo cual produce la formación de corrientes eléctricas longitudinales y pone el plasma en rotación. La ganancia de empuje obtenida y las pérdidas radiales de la pluma de plasma se evalúan en función de los parámetros de diseño. Se analiza en detalle la separación magnética del plasma aguas abajo respecto a las líneas magnéticas (cerradas sobre sí mismas), necesaria para la aplicación de la tobera magnética a fines propulsivos. Se demuestra que tres teorías existentes sobre separación, que se fundamentan en la resistividad del plasma, la inercia de electrones, y el campo magnético que induce el plasma, son inadecuadas para la tobera magnética propulsiva, ya que producen separación hacia afuera en lugar de hacia adentro, aumentando la divergencia de la pluma. En su lugar, se muestra que la separación del plasma tiene lugar gracias a la inercia de iones y la desmagnetización gradual del plasma que tiene lugar aguas abajo, que permiten la separación ilimitada del flujo de iones respecto a las líneas de campo en condiciones muy generales. Se evalúa la cantidad de plasma que permanece unida al campo magnético y retorna hacia el motor a lo largo de las líneas cerradas de campo, mostrando que es marginal. Se muestra cómo el campo magnético inducido por el plasma incrementa la divergencia de la tobera magnética y por ende de la pluma de plasma en el caso propulsivo, contrariamente a las predicciones existentes. Se muestra también cómo el inducido favorece la desmagnetización del núcleo del chorro, acelerando la separación magnética. La hipótesis de ambipolaridad de corriente local, común a varios modelos de tobera magnética existentes, es discutida críticamente, mostrando que es inadecuada para el estudio de la separación de plasma. Una inconsistencia grave en la derivación matemática de uno de los modelos más aceptados es señalada y comentada. Incluyendo una especie adicional de electrones supratérmicos en el modelo, se estudia la formación y geometría de dobles capas eléctricas en el interior del plasma. Cuando dicha capa se forma, su curvatura aumenta cuanto más periféricamente se inyecten los electrones supratérmicos, cuanto menor sea el campo magnético, y cuanto más divergente sea la tobera magnética. El plasma con dos temperaturas electrónicas posee un mayor ratio de empuje magnético frente a total. A pesar de ello, no se encuentra ninguna ventaja propulsiva de las dobles capas, reforzando las críticas existentes frente a las propuestas de estas formaciones como un mecanismo de empuje. Por último, se presenta una formulación general de modelos autosemejantes de la expansión 2D de una pluma no magnetizada en el vacío. El error asociado a la hipótesis de autosemejanza es calculado, mostrando que es pequeño para plumas hipersónicas. Tres modelos de la literatura son particularizados a partir de la formulación general y comparados. Abstract This Thesis presents a theoretical analysis of the operation of magnetic nozzles for plasma space propulsion. The study is based on a two-dimensional, two-fluid model of the supersonic expansion of a hot plasma in a divergent magnetic field. The basic model is extended progressively to include the dominant electron convective terms, the plasma-induced magnetic field, multi-temperature electron populations, and the capability to integrate the plasma flow in the far expansion region. The hyperbolic plasma response is integrated accurately and efficiently with the method of the characteristic lines. The 2D plasma expansion is characterized parametrically in terms of the ion magnetization strength, the magnetic field geometry, and the initial plasma profile. Acceleration mechanisms are investigated, showing that the ambipolar electric field converts the internal electron energy into directed ion energy. The diamagnetic electron Hall current, which can be distributed in the plasma volume or localized in a thin current sheet at the jet edge, is shown to be central for the operation of the magnetic nozzle. The repelling magnetic force on this current is responsible for the radial confinement and axial acceleration of the plasma, and magnetic thrust is the reaction to this force on the magnetic coils of the thruster. The plasma response exhibits a gradual inward separation of the ion streamtubes from the magnetic streamtubes, which focuses the jet about the nozzle axis, gives rise to the formation of longitudinal currents and sets the plasma into rotation. The obtained thrust gain in the magnetic nozzle and radial plasma losses are evaluated as a function of the design parameters. The downstream plasma detachment from the closed magnetic field lines, required for the propulsive application of the magnetic nozzle, is investigated in detail. Three prevailing detachment theories for magnetic nozzles, relying on plasma resistivity, electron inertia, and the plasma-induced magnetic field, are shown to be inadequate for the propulsive magnetic nozzle, as these mechanisms detach the plume outward, increasing its divergence, rather than focusing it as desired. Instead, plasma detachment is shown to occur essentially due to ion inertia and the gradual demagnetization that takes place downstream, which enable the unbounded inward ion separation from the magnetic lines beyond the turning point of the outermost plasma streamline under rather general conditions. The plasma fraction that remains attached to the field and turns around along the magnetic field back to the thruster is evaluated and shown to be marginal. The plasmainduced magnetic field is shown to increase the divergence of the nozzle and the resulting plasma plume in the propulsive case, and to enhance the demagnetization of the central part of the plasma jet, contrary to existing predictions. The increased demagnetization favors the earlier ion inward separation from the magnetic field. The local current ambipolarity assumption, common to many existing magnetic nozzle models, is critically discussed, showing that it is unsuitable for the study of plasma detachment. A grave mathematical inconsistency in a well-accepted model, related to the acceptance of this assumption, is found out and commented on. The formation and 2D shape of electric double layers in the plasma expansion is studied with the inclusion of an additional suprathermal electron population in the model. When a double layer forms, its curvature is shown to increase the more peripherally suprathermal electrons are injected, the lower the magnetic field strength, and the more divergent the magnetic nozzle is. The twoelectron- temperature plasma is seen to have a greater magnetic-to-total thrust ratio. Notwithstanding, no propulsive advantage of the double layer is found, supporting and reinforcing previous critiques to their proposal as a thrust mechanism. Finally, a general framework of self-similar models of a 2D unmagnetized plasma plume expansion into vacuum is presented and discussed. The error associated with the self-similarity assumption is calculated and shown to be small for hypersonic plasma plumes. Three models of the literature are recovered as particularizations from the general framework and compared.

Diseño de una interfaz de representación gráfica de la base de datos de HRTF

El actual proyecto consiste en la creación de una interfaz gráfica de usuario (GUI) en entorno de MATLAB que realice una representación gráfica de la base de datos de HRTF (Head-Related Transfer Function). La función de transferencia de la cabeza es una herramienta muy útil en el estudio de la capacidad del ser humano para percibir su entorno sonoro, además de la habilidad de éste en la localización de fuentes sonoras en el espacio que le rodea. La HRTF biaural (terminología para referirse al conjunto de HRTF del oído izquierdo y del oído derecho) en sí misma, posee información de especial interés ya que las diferencias entre las HRTF de cada oído, conceden la información que nuestro sistema de audición utiliza en la percepción del campo sonoro. Por ello, la funcionalidad de la interfaz gráfica creada presenta gran provecho dentro del estudio de este campo. Las diferencias interaurales se caracterizan en amplitud y en tiempo, variando en función de la frecuencia. Mediante la transformada inversa de Fourier de la señal HRTF, se obtiene la repuesta al impulso de la cabeza, es decir, la HRIR (Head-Related Impulse Response). La cual, además de tener una gran utilidad en la creación de software o dispositivos de generación de sonido envolvente, se utiliza para obtener las diferencias ITD (Interaural Time Difference) e ILD (Interaural Time Difference), comúnmente denominados “parámetros de localización espacial”. La base de datos de HRTF contiene la información biaural de diferentes puntos de ubicación de la fuente sonora, formando una red de coordenadas esféricas que envuelve la cabeza del sujeto. Dicha red, según las medidas realizadas en la cámara anecoica de la EUITT (Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica de Telecomunicación), presenta una precisión en elevación de 10º y en azimut de 5º. Los receptores son dos micrófonos alojados en el maniquí acústico llamado HATS (Hats and Torso Simulator) modelo 4100D de Brüel&Kjaer. Éste posee las características físicas que influyen en la percepción del entorno como son las formas del pabellón auditivo (pinna), de la cabeza, del cuello y del torso humano. Será necesario realizar los cálculos de interpolación para todos aquellos puntos no contenidos en la base de datos HRTF, este proceso es sumamente importante no solo para potenciar la capacidad de la misma sino por su utilidad para la comparación entre otras bases de datos existentes en el estudio de este ámbito. La interfaz gráfica de usuario está concebida para un manejo sencillo, claro y predecible, a la vez que interactivo. Desde el primer boceto del programa se ha tenido clara su filosofía, impuesta por las necesidades de un usuario que busca una herramienta práctica y de manejo intuitivo. Su diseño de una sola ventana reúne tanto los componentes de obtención de datos como los que hacen posible la representación gráfica de las HRTF, las HRIR y los parámetros de localización espacial, ITD e ILD. El usuario podrá ir alternando las representaciones gráficas a la vez que introduce las coordenadas de los puntos que desea visualizar, definidas por phi (elevación) y theta (azimut). Esta faceta de la interfaz es la que le otorga una gran facilidad de acceso y lectura de la información representada en ella. Además, el usuario puede introducir valores incluidos en la base de datos o valores intermedios a estos, de esta manera, se indica a la interfaz la necesidad de realizar la interpolación de los mismos. El método de interpolación escogido es el de la ponderación de la distancia inversa entre puntos. Dependiendo de los valores introducidos por el usuario se realizará una interpolación de dos o cuatro puntos, siendo éstos limítrofes al valor introducido, ya sea de phi o theta. Para añadir versatilidad a la interfaz gráfica de usuario, se ha añadido la opción de generar archivos de salida en forma de imagen de las gráficas representadas, de tal forma que el usuario pueda extraer los datos que le interese para cualquier valor de phi y theta. Se completa el presente proyecto fin de carrera con un trabajo de investigación y estudio comparativo de la función y la aplicación de las bases de datos de HRTF dentro del marco científico y de investigación. Esto ha hecho posible concentrar información relacionada a través de revistas científicas de investigación como la JAES (Journal of the Audio Engineering Society) o la ASA (Acoustical Society of America), además, del IEEE ( Institute of Electrical and Electronics Engineers) o la “Web of knowledge” entre otras. Además de realizar la búsqueda en estas fuentes, se ha optado por vías de información más comunes como Google Académico o el portal de acceso “Ingenio” a los todos los recursos electrónicos contenidos en la base de datos de la universidad. El estudio genera una ampliación en el conocimiento de la labor práctica de las HRTF. La mayoría de los estudios enfocan sus esfuerzos en mejorar la percepción del evento sonoro mediante su simulación en la escucha estéreo o multicanal. A partir de las HRTF, esto es posible mediante el análisis y el cálculo de datos como pueden ser las regresiones, siendo éstas muy útiles en la predicción de una medida basándose en la información de la actual. Otro campo de especial interés es el de la generación de sonido 3D. Mediante la base de datos HRTF es posible la simulación de una señal biaural. Se han diseñado algoritmos que son implementados en dispositivos DSP, de tal manera que por medio de retardos interaurales y de diferencias espectrales es posible llegar a un resultado óptimo de sonido envolvente, sin olvidar la importancia de los efectos de reverberación para conseguir un efecto creíble de sonido envolvente. Debido a la complejidad computacional que esto requiere, gran parte de los estudios coinciden en desarrollar sistemas más eficientes, llegando a objetivos tales como la generación de sonido 3D en tiempo real. ABSTRACT. This project involves the creation of a Graphic User Interface (GUI) in the Matlab environment which creates a graphic representation of the HRTF (Head-Related Transfer Function) database. The head transfer function is a very useful tool in the study of the capacity of human beings to perceive their sound environment, as well as their ability to localise sound sources in the area surrounding them. The binaural HRTF (terminology which refers to the HRTF group of the left and right ear) in itself possesses information of special interest seeing that the differences between the HRTF of each ear admits the information that our system of hearing uses in the perception of each sound field. For this reason, the functionality of the graphic interface created presents great benefits within the study of this field. The interaural differences are characterised in space and in time, varying depending on the frequency. By means of Fourier's transformed inverse of the HRTF signal, the response to the head impulse is obtained, in other words, the HRIR (Head-Related Impulse Response). This, as well as having a great use in the creation of software or surround sound generating devices, is used to obtain ITD differences (Interaural Time Difference) and ILD (Interaural Time Difference), commonly named “spatial localisation parameters”. The HRTF database contains the binaural information of different points of sound source location, forming a network of spherical coordinates which surround the subject's head. This network, according to the measures carried out in the anechoic chamber at the EUITT (School of Telecommunications Engineering) gives a precision in elevation of 10º and in azimuth of 5º. The receivers are two microphones placed on the acoustic mannequin called HATS (Hats and Torso Simulator) Brüel&Kjaer model 4100D. This has the physical characteristics which affect the perception of the surroundings which are the forms of the auricle (pinna), the head, neck and human torso. It will be necessary to make interpolation calculations for all those points which are not contained the HRTF database. This process is extremely important not only to strengthen the database's capacity but also for its usefulness in making comparisons with other databases that exist in the study of this field. The graphic user interface is conceived for a simple, clear and predictable use which is also interactive. Since the first outline of the program, its philosophy has been clear, based on the needs of a user who requires a practical tool with an intuitive use. Its design with only one window unites not only the components which obtain data but also those which make the graphic representation of the HRTFs possible, the hrir and the ITD and ILD spatial location parameters. The user will be able to alternate the graphic representations at the same time as entering the point coordinates that they wish to display, defined by phi (elevation) and theta (azimuth). The facet of the interface is what provides the great ease of access and reading of the information displayed on it. In addition, the user can enter values included in the database or values which are intermediate to these. It is, likewise, indicated to the interface the need to carry out the interpolation of these values. The interpolation method is the deliberation of the inverse distance between points. Depending on the values entered by the user, an interpolation of two or four points will be carried out, with these being adjacent to the entered value, whether that is phi or theta. To add versatility to the graphic user interface, the option of generating output files in the form of an image of the graphics displayed has been added. This is so that the user may extract the information that interests them for any phi and theta value. This final project is completed with a research and comparative study essay on the function and application of HRTF databases within the scientific and research framework. It has been possible to collate related information by means of scientific research magazines such as the JAES (Journal of the Audio Engineering Society), the ASA (Acoustical Society of America) as well as the IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) and the “Web of knowledge” amongst others. In addition to carrying out research with these sources, I also opted to use more common sources of information such as Academic Google and the “Ingenio” point of entry to all the electronic resources contained on the university databases. The study generates an expansion in the knowledge of the practical work of the HRTF. The majority of studies focus their efforts on improving the perception of the sound event by means of its simulation in stereo or multichannel listening. With the HRTFs, this is possible by means of analysis and calculation of data as can be the regressions. These are very useful in the prediction of a measure being based on the current information. Another field of special interest is that of the generation of 3D sound. Through HRTF databases it is possible to simulate the binaural signal. Algorithms have been designed which are implemented in DSP devices, in such a way that by means of interaural delays and wavelength differences it is possible to achieve an excellent result of surround sound, without forgetting the importance of the effects of reverberation to achieve a believable effect of surround sound. Due to the computational complexity that this requires, a great many studies agree on the development of more efficient systems which achieve objectives such as the generation of 3D sound in real time.

Short, high current electrodynamic tether

An electrodynamic tether experiment, to be carried out in the Russian spacecraft Almaz, is proposed. A 10 km tether would be deployed downwards; the lower 8 km would be nonconductive, the upper 2 km would be conductive, bare, and 2.2 mm in diameter, and would act as a thruster, with power supply at the top. This hybrid arrangement allows for other, onelectrodynamic experiments,reducing costs; it also limits the induced electromotive force, reducing the power to be handled. The current-voltage characteristic of contactors would be measured. With the anode switched off, the wire itself should collect a current over 5 A at day conditions, providing a thrust of 0.11 N at a 0.77 kW power.

Performance of coupled ED-tether/ion thrsuter system

Use of propulsion systems that couple electyrodynamic tethers to ion thrusters, as suggested in the literature, is discussed. The system establishes electrical contact with the ionospheric plasma, at the anodic end of the tether, by ejecting ions instead of collecting electrons; also, the ion thruster adds its thrust to the Lorentz force on the tether. In this paper, we analyze the performance of this coupled system, as measured by the ratio of mission impulse (thrust times mission duration) to the overall system mass, which includes the power subsystem mass, the tether subsystem mass, and the propellant mass consumed in the ion thruster. It is shown that a tether acting by itself, collecting electrons at its anodic end, substantially outperforms the coupled system for times longer than a characteristic time of the ion thruster, for which propellant mass equals the power subsystem mass; for shorter times performances are shown to be similar.

Performance of bare-tether systems under varying magnetic and plasma conditions

Electrodynamic tethered systems, in which an exposed portion of the conducting tether itself collects electrons from the ionosphere, promise to attain currents of 10 A or more in low Earth orbit. For the first time, another desirable feature of such bare-tether systems is reported and analyzed in detail: Collection by a bare tether is relatively insensitive to variations in electron density that are regularly encountered on each revolution of an orbit. This self-adjusting property of bare-tether systems occurs because the electron-collecting area on the tether is not fixed, but extends along its positively biased portion, and because the current varies as collecting length to a power greater than unity. How this adjustment to density variations follows from the basic collection law of thin cylinders is shown. The effect of variations in the motionally induced tether voltage is also analyzed. Both power and thruster modes are considered. The performance of bare-tether systems to tethered systems is compared using passive spherical collectors of fixed area, taking into consideration recent experimental results. Calculations taking into account motional voltage and plasma density around a realistic orbit for bare-tether systems suitable for space station applications are also presented.

Jupiter power generation with electrodynamic tethers at constant orbital energy

An electrodynamic tether system for power generation at Jupiter is presented that allows extracting energy from Jupiter's corotating plasmasphere while leaving the system orbital energy unaltered to first order. The spacecraft is placed in a polar orbit with the tether spinning in the orbital plane so that the resulting Lorentz force, neglecting Jupiter's magnetic dipole tilt, is orthogonal to the instantaneous velocity vector and orbital radius, hence affecting orbital inclination rather than orbital energy. In addition, the electrodynamic tether subsystem, which consists of two radial tether arms deployed from the main central spacecraft, is designed in such a way as to extract maximum power while keeping the resulting Lorentz torque constantly null. The power-generation performance of the system and the effect on the orbit inclination is evaluated analytically for different orbital conditions and verified numerically. Finally, a thruster-based inclination-compensation maneuver at apoapsis is added, resulting in an efficient scheme to extract energy from the plasmasphere of the planet with minimum propellant consumption and no inclination change. A tradeoff analysis is conducted showing that, depending on tether size and orbit characteristics, the system performance can be considerably higher than conventional power-generation methods.

Floating Bare Tether as Upper Atmosphere Probe

Use of a (bare) conductive tape electrically floating in LEO as an effective e-beam source that produces artificial auroras, and is free of problems that have marred standard beams, is considered. Ambient ions impacting the tape with KeV energies over most of its length liberate secondary electrons, which race down the magnetic field and excite neutrals in the E-layer, resulting in auroral emissions. The tether would operate at night-time with both a power supply and a plasma contactor off; power and contactor would be on at daytime for reboost. The optimal tape thickness yielding a minimum mass for an autonomous system is determined; the alternative use of an electric thruster for day reboost, depending on mission duration, is discussed. Measurements of emission brightness from the spacecraft could allow determination of the (neutral) density vertical profile in the critical E-layer; the flux and energy in the beam, varying along the tether, allow imaging line-of-sight integrated emissions that mix effects with altitude-dependent neutral density and lead to a brightness peak in the beam footprint at the E-layer. Difficulties in tomographic inversion, to determine the density profile, result from beam broadening, due to elastic collisions, which flattens the peak, and to the highly nonlinear functional dependency of line-of-sight brightness. Some dynamical issues are discussed.

Trade-off study on deorbiting S/C in near polar orbit

Usual long, flexible, ED tethers kept vertical by the gravity gradient might be less efficient for deorbiting S/C in near-polar orbits than conventional (Hall, Ion) electrical thrusters. A trade-off study on this application is here presented for tethers kept horizontal and perpendicular to the orbital plane. A tether thus oriented must be rigid and short for structural reasons, requiring a non-convex cross section and a power supply as in the case of electrical thrusters. Very recent developments on bare-tether collection theory allow predicting the current collected by an arbitrary cross section. For the horizontal tether, structural considerations on length play the role of ohmic effects in vertical tethers, in determining the optimal contribution of tether mass to the overall deorbiting system. For a given deorbiting-mission impulse, tether-system mass is minimal at some optimal length that increases weakly with the impulse. The horizontal-tether system may beat both the vertical tether and the electrical thruster as regards mass requirements for a narrow length range centered at about 100 m, allowing, however, for a broad mission-impulse range.

The ion beam shepherd: A new concept for asteroid deflection

A novel slow push asteroid deflection strategy has been recently proposed in which an Earth threatening asteroid can be deflected by exploiting the momentum transmitted by a collimated beam of quasi-neutral plasma impinging against the asteroid surface. The beam can be generated with state-of-the art ion engines from a hovering spacecraft with no need for physical attachment or gravitational interaction with the celestial body. The spacecraft, placed at a distance of a few asteroid diameters, would need an ion thruster pointed at the asteroid surface as well as a second propulsion system to compensate for the ion engine reaction and keep the distance between the asteroid and the shepherd satellite constant throughout the deflection phase. A comparison in terms of required spacecraft mass per total imparted deflection impulse shows that the method outperforms the gravity tractor concept by more than one order of magnitude for asteroids up to about 200 m diameter. The two methods would yield comparable performance for asteroids larger than about 2 km

Diagnostics of classical and dusty plasmas w ith collecting and emissive langmuir probes = Diagnosis de plasmas clásicos y granulares mediante sondas colectoras y emisoras de Langmuir

Las sondas eléctricas se emplean habitualmente en la diagnosis de plasmas. La presente tesis aborda la operación de las sondas colectoras y emisoras de Langmuir en plasmas fríos de baja densidad. El estudio se ha centrado en la determinación del potencial de plasma, Vsp, mediante el potencial flotante de una sonda emisora. Esta técnica consiste en la medida del potencial de la sonda correspondiente a la condición de corriente neta igual a cero, el cual se denomina potencial flotante, VF. Este potencial se desplaza hacia el potencial del plasma según aumenta la emisión termoiónica de la sonda, hasta que se satura cerca de Vsp. Los experimentos llevados a cabo en la pluma de plasma de un motor iónico y en un plasma de descarga de glow muestran que la corriente de electrones termoiónicos es mayor que la corriente de electrones recogidos para una sonda polarizada por debajo del potencial del plasma, resultado inconsistente con la teoría tradicionalmente aceptada. Para investigar estos resultados se ha introducido el parámetro R, definido como el cociente entre la corriente de electrones emitidos y recogidos por la sonda. Este parámetro, que está relacionado con la diferencia de potencial VF - Vsp, también es útil para la descripción de los modos de operación de la sonda emisora (débil, fuerte y más allá del fuerte). Los resultados experimentales evidencian que, al contrario de lo que indica la teoría, R es mayor que la unidad. Esta discrepancia se puede solucionar introduciendo una población efectiva de electrones. Con dicha población, el nuevo modelo para la corriente total de la sonda reproduce los datos experimentales. El origen de este grupo electrónico es todavía una cuestión abierta, pero podría estar originada por una nueva estructura de potencial cerca de la sonda cuando ésta trabaja en el régimen de emisión fuerte. Para explicar dicha estructura de potencial, se propone un modelo unidimensional compuesto por un mínimo de potencial cerca de la superficie de la sonda. El análisis numérico indica que este pozo de potencial aparece para muy altas temperaturas de la sonda, reduciendo la cantidad de electrones emitidos que alcanzan el plasma y evitando así cualquier posible perturbación de éste. Los aspectos experimentales involucrados en el método del potencial flotante también se han estudiado, incluyendo cuestiones como las diferentes técnicas de obtención del VF, el cociente señal-ruido, el acoplamiento de la señal de los equipos utilizados para la obtención de las curvas I-V o la evidencia experimental de los diferentes modos de operación de la sonda. Estas evidencias empíricas se encuentran en todos los aspectos de operación de la sonda: la recolección de electrones, el potencial flotante, la precisión en las curvas I-V y la emisión electrónica. Ésta última también se estudia en la tesis, debido a que un fenómeno de super emisión tiene lugar en el régimen de emisión fuerte. En este modo de operación, las medidas experimentales indican que las corrientes termoiónicas de electrones son mayores que aquéllas predichas por la ecuación de Richardson-Dushman clásica. Por último, la diagnosis de plasmas usando sondas eléctrica bajo presencia de granos de polvo (plasmas granulares) en plasmas fríos de baja densidad también se ha estudiado, mediante la aplicación numérica de la técnica del potencial flotante de la sonda emisora en un plasma no convencional. Los resultados apuntan a que el potencial flotante de una sonda emisora se vería afectado por altas densidades de polvo o grandes partículas. ABSTRACT Electric probes are widely employed for plasma diagnostics. This dissertation concerns the operation of collecting and emissive Langmuir probes in low density cold plasmas. The study is focused on the determination of the plasma potential, Vsp, by means of the floating potential of emissive probes. This technique consists of the measurement of the probe potential, corresponding to the zero net probe current, which is the so-called floating potential, VF . This potential displaces towards the plasma potential as the thermionic electron emission increases, until it saturates near Vsp. Experiments carried out in the plasma plume of an ion thruster and in a glow discharge plasma show the thermionic electron current of the emissive Langmuir probe is higher than the collected electron current, for a probe with a bias potential below Vsp, which is inconsistent with the traditional accepted theory. To investigate these results, a parameter R is introduced as the ratio between the emitted and the collected electron current. This parameter, which is related to the difference VF - Vsp, is also useful for the description of the operation modes of the emissive Langmuir probe (weak, strong and beyond strong). The experimental results give an inconsistency of R > 1, which is solved by a modification of the theory for emissive probes, with the introduction of an effective electron population. With this new electron group, the new model for the total probe current agrees with the experimental data. The origin of this electron group remains an open question, but it might be originated by a new potential structure near the emissive probe when it operates in the strong emission regime. A simple one-dimension model composed by a minimum of potential near the probe surface is discussed for strongly emitting emissive probes. The results indicate that this complex potential structure appears for very high probe temperatures and the potential well might reduce the emitted electrons population reaching the plasma bulk. The experimental issues involved in the floating potential method are also studied, as the different obtaining techniques of VF, the signal-to-noise ratio, the signal coupling of the I-V curve measurement system or the experimental evidence of the probe operation modes. These empirical proofs concern all the probe operation aspects: the electron collection, the floating potential, the I-V curve accuracy as well as the electron emission. This last issue is also investigated in this dissertation, because a super emission takes place in the strong emission regime. In this operation mode, the experimental results indicate that the thermionic electron currents might be higher than those predicted by the classical Richardson-Dushman equation. Finally, plasma diagnosis using electric probes in the presence of dust grains (dusty plasmas) in low density cold plasmas is also addressed. The application of the floating potential technique of the emissive probe in a non-conventional complex plasma is numerically investigated, whose results point out the floating potential of the emissive probe might be shifted for high dust density or large dust particles.

Contribución a la caracterización espacial de canales con sistemas MIMO-OFDM en la banda de 2,45 Ghz

La tecnología de múltiples antenas ha evolucionado para dar soporte a los actuales y futuros sistemas de comunicaciones inalámbricas en su afán por proporcionar la calidad de señal y las altas tasas de transmisión que demandan los nuevos servicios de voz, datos y multimedia. Sin embargo, es fundamental comprender las características espaciales del canal radio, ya que son las características del propio canal lo que limita en gran medida las prestaciones de los sistemas de comunicación actuales. Por ello surge la necesidad de estudiar la estructura espacial del canal de propagación para poder diseñar, evaluar e implementar de forma más eficiente tecnologías multiantena en los actuales y futuros sistemas de comunicación inalámbrica. Las tecnologías multiantena denominadas antenas inteligentes y MIMO han generado un gran interés en el área de comunicaciones inalámbricas, por ejemplo los sistemas de telefonía celular o más recientemente en las redes WLAN (Wireless Local Area Network), principalmente por la mejora que proporcionan en la calidad de las señales y en la tasa de transmisión de datos, respectivamente. Las ventajas de estas tecnologías se fundamentan en el uso de la dimensión espacial para obtener ganancia por diversidad espacial, como ya sucediera con las tecnologías FDMA (Frequency Division Multiplexing Access), TDMA (Time Division Multiplexing Access) y CDMA (Code Division Multiplexing Access) para obtener diversidad en las dimensiones de frecuencia, tiempo y código, respectivamente. Esta Tesis se centra en estudiar las características espaciales del canal con sistemas de múltiples antenas mediante la estimación de los perfiles de ángulos de llegada (DoA, Direction-of- Arrival) considerando esquemas de diversidad en espacio, polarización y frecuencia. Como primer paso se realiza una revisión de los sistemas con antenas inteligentes y los sistemas MIMO, describiendo con detalle la base matemática que sustenta las prestaciones ofrecidas por estos sistemas. Posteriormente se aportan distintos estudios sobre la estimación de los perfiles de DoA de canales radio con sistemas multiantena evaluando distintos aspectos de antenas, algoritmos de estimación, esquemas de polarización, campo lejano y campo cercano de las fuentes. Así mismo, se presenta un prototipo de medida MIMO-OFDM-SPAA3D en la banda ISM (Industrial, Scientific and Medical) de 2,45 Ghz, el cual está preparado para caracterizar experimentalmente el rendimiento de los sistemas MIMO, y para caracterizar espacialmente canales de propagación, considerando los esquemas de diversidad espacial, por polarización y frecuencia. Los estudios aportados se describen a continuación. Los sistemas de antenas inteligentes dependen en gran medida de la posición de los usuarios. Estos sistemas están equipados con arrays de antenas, los cuales aportan la diversidad espacial necesaria para obtener una representación espacial fidedigna del canal radio a través de los perfiles de DoA (DoA, Direction-of-Arrival) y por tanto, la posición de las fuentes de señal. Sin embargo, los errores de fabricación de arrays así como ciertos parámetros de señal conlleva un efecto negativo en las prestaciones de estos sistemas. Por ello se plantea un modelo de señal parametrizado que permite estudiar la influencia que tienen estos factores sobre los errores de estimación de DoA, tanto en acimut como en elevación, utilizando los algoritmos de estimación de DOA más conocidos en la literatura. A partir de las curvas de error, se pueden obtener parámetros de diseño para sistemas de localización basados en arrays. En un segundo estudio se evalúan esquemas de diversidad por polarización con los sistemas multiantena para mejorar la estimación de los perfiles de DoA en canales que presentan pérdidas por despolarización. Para ello se desarrolla un modelo de señal en array con sensibilidad de polarización que toma en cuenta el campo electromagnético de ondas planas. Se realizan simulaciones MC del modelo para estudiar el efecto de la orientación de la polarización como el número de polarizaciones usadas en el transmisor como en el receptor sobre la precisión en la estimación de los perfiles de DoA observados en el receptor. Además, se presentan los perfiles DoA obtenidos en escenarios quasiestáticos de interior con un prototipo de medida MIMO 4x4 de banda estrecha en la banda de 2,45 GHz, los cuales muestran gran fidelidad con el escenario real. Para la obtención de los perfiles DoA se propone un método basado en arrays virtuales, validado con los datos de simulación y los datos experimentales. Con relación a la localización 3D de fuentes en campo cercano (zona de Fresnel), se presenta un tercer estudio para obtener con gran exactitud la estructura espacial del canal de propagación en entornos de interior controlados (en cámara anecóica) utilizando arrays virtuales. El estudio analiza la influencia del tamaño del array y el diagrama de radiación en la estimación de los parámetros de localización proponiendo, para ello, un modelo de señal basado en un vector de enfoque de onda esférico (SWSV). Al aumentar el número de antenas del array se consigue reducir el error RMS de estimación y mejorar sustancialmente la representación espacial del canal. La estimación de los parámetros de localización se lleva a cabo con un nuevo método de búsqueda multinivel adaptativo, propuesto con el fin de reducir drásticamente el tiempo de procesado que demandan otros algoritmos multivariable basados en subespacios, como el MUSIC, a costa de incrementar los requisitos de memoria. Las simulaciones del modelo arrojan resultados que son validados con resultados experimentales y comparados con el límite de Cramer Rao en términos del error cuadrático medio. La compensación del diagrama de radiación acerca sustancialmente la exactitud de estimación de la distancia al límite de Cramer Rao. Finalmente, es igual de importante la evaluación teórica como experimental de las prestaciones de los sistemas MIMO-OFDM. Por ello, se presenta el diseño e implementación de un prototipo de medida MIMO-OFDM-SPAA3D autocalibrado con sistema de posicionamiento de antena automático en la banda de 2,45 Ghz con capacidad para evaluar la capacidad de los sistemas MIMO. Además, tiene la capacidad de caracterizar espacialmente canales MIMO, incorporando para ello una etapa de autocalibración para medir la respuesta en frecuencia de los transmisores y receptores de RF, y así poder caracterizar la respuesta de fase del canal con mayor precisión. Este sistema incorpora un posicionador de antena automático 3D (SPAA3D) basado en un scanner con 3 brazos mecánicos sobre los que se desplaza un posicionador de antena de forma independiente, controlado desde un PC. Este posicionador permite obtener una gran cantidad de mediciones del canal en regiones locales, lo cual favorece la caracterización estadística de los parámetros del sistema MIMO. Con este prototipo se realizan varias campañas de medida para evaluar el canal MIMO en términos de capacidad comparando 2 esquemas de polarización y tomando en cuenta la diversidad en frecuencia aportada por la modulación OFDM en distintos escenarios. ABSTRACT Multiple-antennas technologies have been evolved to be the support of the actual and future wireless communication systems in its way to provide the high quality and high data rates required by new data, voice and data services. However, it is important to understand the behavior of the spatial characteristics of the radio channel, since the channel by itself limits the performance of the actual wireless communications systems. This drawback raises the need to understand the spatial structure of the propagation channel in order to design, assess, and develop more efficient multiantenna technologies for the actual and future wireless communications systems. Multiantenna technologies such as ‘Smart Antennas’ and MIMO systems have generated great interest in the field of wireless communications, i.e. cellular communications systems and more recently WLAN (Wireless Local Area Networks), mainly because the higher quality and the high data rate they are able to provide. Their technological benefits are based on the exploitation of the spatial diversity provided by the use of multiple antennas as happened in the past with some multiaccess technologies such as FDMA (Frequency Division Multiplexing Access), TDMA (Time Division Multiplexing Access), and CDMA (Code Division Multiplexing Access), which give diversity in the domains of frequency, time and code, respectively. This Thesis is mainly focus to study the spatial channel characteristics using schemes of multiple antennas considering several diversity schemes such as space, polarization, and frequency. The spatial characteristics will be study in terms of the direction-of-arrival profiles viewed at the receiver side of the radio link. The first step is to do a review of the smart antennas and MIMO systems technologies highlighting their advantages and drawbacks from a mathematical point of view. In the second step, a set of studies concerning the spatial characterization of the radio channel through the DoA profiles are addressed. The performance of several DoA estimation methods is assessed considering several aspects regarding antenna array structure, polarization diversity, and far-field and near-field conditions. Most of the results of these studies come from simulations of data models and measurements with real multiantena prototypes. In the same way, having understand the importance of validate the theoretical data models with experimental results, a 2,4 GHz MIMO-OFDM-SPAA2D prototype is presented. This prototype is intended for evaluating MIMO-OFDM capacity in indoor and outdoor scenarios, characterize the spatial structure of radio channels, assess several diversity schemes such as polarization, space, and frequency diversity, among others aspects. The studies reported are briefly described below. As is stated in Chapter two, the determination of user position is a fundamental task to be resolved for the smart antenna systems. As these systems are equipped with antenna arrays, they can provide the enough spatial diversity to accurately draw the spatial characterization of the radio channel through the DoA profiles, and therefore the source location. However, certain real implementation factors related to antenna errors, signals, and receivers will certainly reduce the performance of such direction finding systems. In that sense, a parameterized narrowband signal model is proposed to evaluate the influence of these factors in the location parameter estimation through extensive MC simulations. The results obtained from several DoA algorithms may be useful to extract some parameter design for directing finding systems based on arrays. The second study goes through the importance that polarization schemes can have for estimating far-field DoA profiles in radio channels, particularly for scenarios that may introduce polarization losses. For this purpose, a narrowband signal model with polarization sensibility is developed to conduct an analysis of several polarization schemes at transmitter (TX) and receiver (RX) through extensive MC simulations. In addition, spatial characterization of quasistatic indoor scenarios is also carried out using a 2.45 GHz MIMO prototype equipped with single and dual-polarized antennas. A good agreement between the measured DoA profiles with the propagation scenario is achieved. The theoretical and experimental evaluation of polarization schemes is performed using virtual arrays. In that case, a DoA estimation method is proposed based on adding an phase reference to properly track the DoA, which shows good results. In the third study, the special case of near-field source localization with virtual arrays is addressed. Most of DoA estimation algorithms are focused in far-field source localization where the radiated wavefronts are assume to be planar waves at the receive array. However, when source are located close to the array, the assumption of plane waves is no longer valid as the wavefronts exhibit a spherical behavior along the array. Thus, a faster and effective method of azimuth, elevation angles-of-arrival, and range estimation for near-field sources is proposed. The efficacy of the proposed method is evaluated with simulation and validated with measurements collected from a measurement campaign carried out in a controlled propagation environment, i.e. anechoic chamber. Moreover, the performance of the method is assessed in terms of the RMSE for several array sizes, several source positions, and taking into account the effect of radiation pattern. In general, better results are obtained with larger array and larger source distances. The effect of the antennas is included in the data model leading to more accurate results, particularly for range rather than for angle estimation. Moreover, a new multivariable searching method based on the MUSIC algorithm, called MUSA (multilevel MUSIC-based algorithm), is presented. This method is proposed to estimate the 3D location parameters in a faster way than other multivariable algorithms, such as MUSIC algorithm, at the cost of increasing the memory size. Finally, in the last chapter, a MIMO-OFDM-SPAA3D prototype is presented to experimentally evaluate different MIMO schemes regarding antennas, polarization, and frequency in different indoor and outdoor scenarios. The prototype has been developed on a Software-Defined Radio (SDR) platform. It allows taking measurements where future wireless systems will be developed. The novelty of this prototype is concerning the following 2 subsystems. The first one is the tridimensional (3D) antenna positioning system (SPAA3D) based on three linear scanners which is developed for making automatic testing possible reducing errors of the antenna array positioning. A set of software has been developed for research works such as MIMO channel characterization, MIMO capacity, OFDM synchronization, and so on. The second subsystem is the RF autocalibration module at the TX and RX. This subsystem allows to properly tracking the spatial structure of indoor and outdoor channels in terms of DoA profiles. Some results are draw regarding performance of MIMO-OFDM systems with different polarization schemes and different propagation environments.

Electron transport and azimuthal oscillations in hall thrusters

The Hall Effect Thruster (HET) is a type of satellite electric propulsion device initially developed in the 1960’s independently by USA and the former USSR. The development continued in the shadow during the 1970’s in the Soviet Union to reach a mature status from the technological point of view in the 1980’s. In the 1990’s the advanced state of this Russian technology became known in western countries, which rapidly restarted the analysis and development of modern Hall thrusters. Currently, there are several companies in USA, Russia and Europe manufacturing Hall thrusters for operational use. The main applications of these thrusters are low-thrust propulsion of interplanetary probes, orbital raising of satellites and stationkeeping of geostationary satellites. However, despite the well proven in-flight experience, the physics of the Hall Thruster are not completely understood yet. Over the last two decades large efforts have been dedicated to the understanding of the physics of Hall Effect thrusters. However, the so-called anomalous diffusion, short name for an excessive electron conductivity along the thruster, is not yet fully understood as it cannot be explained with classical collisional theories. One commonly accepted explanation is the existence of azimuthal oscillations with correlated plasma density and electric field fluctuations. In fact, there is experimental evidence of the presence of an azimuthal oscillation in the low frequency range (a few kHz). This oscillation, usually called spoke, was first detected empirically by Janes and Lowder in the 1960s. More recently several experiments have shown the existence of this type of oscillation in various modern Hall thrusters. Given the frequency range, it is likely that the ionization is the cause of the spoke oscillation, like for the breathing mode oscillation. In the high frequency range (a few MHz), electron-drift azimuthal oscillations have been detected in recent experiments, in line with the oscillations measured by Esipchuk and Tilinin in the 1970’s. Even though these low and high frequency azimuthal oscillations have been known for quite some time already, the physics behind them are not yet clear and their possible relation with the anomalous diffusion process remains an unknown. This work aims at analysing from a theoretical point of view and via computer simulations the possible relation between the azimuthal oscillations and the anomalous electron transport in HET. In order to achieve this main objective, two approaches are considered: local linear stability analyses and global linear stability analyses. The use of local linear stability analyses shall allow identifying the dominant terms in the promotion of the oscillations. However, these analyses do not take into account properly the axial variation of the plasma properties along the thruster. On the other hand, global linear stability analyses do account for these axial variations and shall allow determining how the azimuthal oscillations are promoted and their possible relation with the electron transport.

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.

Spatial processing in the auditory cortex of the macaque monkey

The patterns of cortico-cortical and cortico-thalamic connections of auditory cortical areas in the rhesus monkey have led to the hypothesis that acoustic information is processed in series and in parallel in the primate auditory cortex. Recent physiological experiments in the behaving monkey indicate that the response properties of neurons in different cortical areas are both functionally distinct from each other, which is indicative of parallel processing, and functionally similar to each other, which is indicative of serial processing. Thus, auditory cortical processing may be similar to the serial and parallel “what” and “where” processing by the primate visual cortex. If “where” information is serially processed in the primate auditory cortex, neurons in cortical areas along this pathway should have progressively better spatial tuning properties. This prediction is supported by recent experiments that have shown that neurons in the caudomedial field have better spatial tuning properties than neurons in the primary auditory cortex. Neurons in the caudomedial field are also better than primary auditory cortex neurons at predicting the sound localization ability across different stimulus frequencies and bandwidths in both azimuth and elevation. These data support the hypothesis that the primate auditory cortex processes acoustic information in a serial and parallel manner and suggest that this may be a general cortical mechanism for sensory perception.

Avaliação do reconhecimento de melodias tradicionais em crianças normo-ouvintes

A contribuição da música no campo das ciências humanas vem sendo valorizado pelas ciências da saúde nas últimas décadas, favorecendo relações entre a Fonoaudiologia e a Musicoterapia. A avaliação da percepção musical busca compreender princípios básicos como a discriminação de timbres, melodias, ritmos, intensidade, altura, duração das notas, densidade, entre outros, além de conhecimentos inerentes em relação a audição, bem como as experiências musicais no decorrer da vida. O objetivo deste estudo foi elaborar um teste informatizado de avaliação do reconhecimento de melodias tradicionais brasileiras e verificar o desempenho de crianças com audição normal neste instrumento. Foi realizada a elaboração de um teste, denominado Avaliação do Reconhecimento de Melodias Tradicionais em Crianças normo-ouvintes (ARMTC), em formato de website, composto por 15 melodias tradicionais da cultura brasileira, gravadas com timbre sintetizado de piano, padronizadas com andamentos variáveis, intensidades similares, tonalidade de acordo com a partitura utilizada, reprodução de 12 segundos cada melodia e pausas de quatro segundos entre cada melodia. A casuística foi composta por 155 crianças, com faixa etária entre oito e 11 anos, de ambos os sexos, com limiares auditivos nas frequências de 500 Hz a 4000 Hz dentro dos padrões de normalidade e curva timpanométrica tipo A. Todas as crianças foram submetidas à triagem audiológica (frequências de 500 Hz, 1 KHz, 2 KHz e 4 KHz), Timpanometria e ao ARMTC. O ARMTC foi aplicado em campo livre com intensidade de 65 dBNA, com caixa de som posicionada a 0o azimute, à uma distância de um metro do participante que se manteve sentado. As crianças foram instruídas a clicar na tela do notebook no ícone correspondente ao nome e ilustração da melodia a qual ouviram e prosseguir dessa forma até o término das 15 melodias apresentadas. Na maioria das melodias selecionadas não houve diferença significante entre número de erros/acertos e tempo de reação quando estas variáveis foram correlacionadas ao sexo, idade e local em que o teste foi aplicado. As melodias mais reconhecidas foram: Cai, cai balão, Boi da cara preta, que teve igual score a Caranguejo, Escravos de Jó, O cravo, Parabéns a você e Marcha soldado, as quais obtiveram reconhecimento superior à 70% de acertos e a melodia com menor reconhecimento foi Capelinha de melão.