New Considerations in the Input Filter Design of a Three-Phase Buck-Type PWM Rectifier for Aircraft Applications

An EMI filter for a three-phase buck-type medium power pulse-width modulation rectifier is designed. This filter considers differential mode noise and complies with MIL-STD-461E for the frequency range of 10kHz to 10MHz. In industrial applications, the frequency range of the standard starts at 150kHz and the designer typically uses a switching frequency of 28kHz because the fifth harmonic is out of the range. This approach is not valid for aircraft applications. In order to design the switching frequency in aircraft applications, the power losses in the semiconductors and the weight of the reactive components should be considered. The proposed design is based on a harmonic analysis of the rectifier input current and an analytical study of the input filter. The classical industrial design does not consider the inductive effect in the filter design because the grid frequency is 50/60Hz. However, in the aircraft applications, the grid frequency is 400Hz and the inductance cannot be neglected. The proposed design considers the inductance and the capacitance effect of the filter in order to obtain unitary power factor at full power. In the optimization process, several filters are designed for different switching frequencies of the converter. In addition, designs from single to five stages are considered. The power losses of the converter plus the EMI filter are estimated at these switching frequencies. Considering overall losses and minimal filter volume, the optimal switching frequency is selected.

In vitro reconstitution of light-harvesting POR-protochlorophyllide complex with protochlorophyllides a and b

NADPH:protochlorophyllide oxidoreductase (POR; EC1.1.33.1) is a key enzyme for the light-induced greening of angiosperms. In barley, two POR proteins exist, termed PORA and PORB. These have previously been proposed to form higher molecular weight light-harvesting complexes in the prolamellar body of etioplasts (Reinbothe, C., Lebedev, N., and Reinbothe, S. (1999)Nature 397, 80–84). Here we report the in vitro reconstitution of such complexes from chemically synthesized protochlorophyllides (Pchlides) a andb and galacto- and sulfolipids. Low temperature (77 K) fluorescence measurements revealed that the reconstituted, lipid-containing complex displayed the same characteristics of photoactive Pchlide 650/657 as the presumed native complex in the prolamellar body. Moreover, Pchlide F650/657 was converted to chlorophyllide (Chlide) 684/690 upon illumination of the reconstituted complex with a 1-ms flash of white light. Identification and quantification of acetone-extractable pigments revealed that only the PORB-bound Pchlide a had been photoactive and was converted to Chlide a, whereas Pchlide b bound to the PORA remained photoinactive. Nondenaturing PAGE of the reconstituted Pchlide a/b-containing complex further demonstrated a size similar to that of the presumed native complexin vivo, suggesting that both complexes may be identical.

Influence of nutritional and management practices on productive performance and egg quality of brown egg-laying hens = Influencia de factores nutricionales y de manejo sobre la productividad y calidad del huevo en gallinas ponedoras rubias

El objetivo general de esta Tesis Doctoral fue estudiar la influencia de diversos factores nutricionales y de manejo sobre la productividad y la calidad del huevo en gallinas ponedoras comerciales rubias. Los factores estudiados fueron: 1) Cereal principal y tipo de grasa en la dieta; 2) Nivel de proteína bruta y grasa en la dieta; 3) Nivel energético de la dieta; 4) Peso vivo al inicio del período de puesta. En el experimento 1, la influencia del cereal principal en la dieta y el tipo de grasa suplementada en la dieta sobre los parámetros productivos y la calidad del huevo fue estudiado en 756 gallinas rubias de la estirpe Lohmann desde la sem 22 hasta las 54 de vida. El experimento se realizó mediante un diseño completamente al azar con 9 tratamientos ordenados factorialmente, con 3 cereales bases (maíz, trigo blando y cebada) y 3 tipos de grasa que variaban en su contenido en ácido linoléico (aceite de soja, oleína vegetal mezcla y manteca). Todas las dietas satisfacian las recomendaciones nutricionales para gallinas ponedoras rubias según el NRC (1994) y FEDNA (2008). La unidad experimental fue la jaula para todas las variables. Cada tratamiento fue replicado 4 veces, y la unidad experimental estuvo formada por 21 gallinas alojadas en grupos de 7. Las dietas fueron formuladas con un contenido nutritivo similar, excepto para el ácido linoléico, que varió en función del tipo de cereal y grasa utilizado. Así, dependiendo de la combinación de estos elementos el contenido de este ácido graso varió desde un 0.8% (dieta trigo-manteca) a un 3.4% (dieta maíz-aceite de soja). Este rango de ácido linoléico permitió estimar el nivel mínimo de este nutriente en el pienso que permite maximizar el peso del huevo. Los parámetros productivos y la calidad del huevo se controlaron cada 28 días y el peso de las aves se midió individualmente al inicio y al final del experimento con el objetivo de estudiar la variación en el peso vivo de los animales. No se observaron interacciones entre el tipo de cereal y grasa en la dieta para ninguna de las variables productivas estudiadas. Los tratamientos experimentales no afectaron a las principales variables productivas (porcentaje de puesta, peso del huevo y masa de huevo). Sin embargo, la ganancia de peso fue mayor en gallinas alimentadas con maíz o trigo que las gallinas alimentadas con cebada (243 vs. 238 vs. 202 g, respectivamente; P< 0.05). En el mismo sentido, las gallinas alimentadas con manteca obtuvieron una mayor ganancia de peso que las gallinas alimentadas con aceite de soja u oleína vegetal (251 vs. 221 vs. 210 g, respectivamente; P< 0.05). En cuanto a las variables estudiadas en relación con la calidad del huevo, ninguna de las variables estudiadas se vio afectada por el tratamiento experimental, salvo la pigmentación de la yema. Así, las gallinas alimentadas con maíz como cereal principal obtuvieron una mayor puntuación en relación con la escala de color que las gallinas alimentadas con trigo y con cebada (9.0 vs. 8.3 vs. 8.3, respectivamente; P< 0.001). La pigmentación de la yema también se vio afectada por el tipo de grasa en la dieta, así, las gallinas alimentadas con manteca obtuvieron una mayor puntuación de color en relación con la escala de color que las gallinas alimentadas con aceite de soja u oleína vegetal (8.9 vs. 8.5 vs. 8.2, respectivamente; P< 0.001). La influencia del contenido en ácido linoléico respecto al peso de huevo y masa de huevo fue mayor a medida que el contenido de dicho ácido graso se redujo en la dieta. Así, la influencia de la dieta en los radios peso de huevo/g linoléico ingerido y masa de huevo/g linoléico ingerido fue significativamente mayor a medida que el contenido en dicho ácido graso disminuyo en la dieta (P< 0.001). Los resultados del ensayo indican que las gallinas ponedoras rubias no necesitan más de un 1.0% de ácido linoléico en la dieta para maximizar la producción y el tamaño del huevo. Además, se pudo concluir que los 3 cereales y las 3 grasas utilizadas pueden sustituirse en la dieta sin ningún perjuicio productivo o referente a la calidad del huevo siempre que los requerimientos de los animales sean cubiertos. En el experimento 2, la influencia del nivel de proteína bruta y el contenido de grasa de la dieta sobre los parámetros productivos y la calidad del huevo fue estudiado en 672 gallinas ponedoras rubias de la estirpe Lohmann entre las sem 22 y 50 de vida. El experimento fue conducido mediante un diseño completamente al azar con 8 tratamientos ordenados factorialmente con 4 dietas y 2 pesos vivos distintos al inicio de puesta (1592 vs. 1860g). Tres de esas dietas diferían en el contenido de proteína bruta (16.5%, 17.5% y 18.5%) y tenían un contenido en grasa añadida de 1.8%. La cuarta dieta tenía el nivel proteico más elevado (18.5%) pero fue suplementada con 3.6% de grasa añadida en vez de 1.8%. Cada tratamiento fue replicado 4 veces y la unidad experimental consistió en 21 gallinas alojadas dentro de grupos de 7 animales en 3 jaulas contiguas. Todas las dietas fueron isocalóricas (2750 kcal EMAn/kg) y cubrieron las recomendaciones en aminoácidos para gallinas ponedoras rubias (Arg, Ile, Lys, Met, Thr, Trp, TSAA y Val) según el NRC (1994) y FEDNA (2008). Los efectos de los tratamientos sobre las variables productivas y la calidad de huevo fueron estudiados cada 28 días. La dieta no afecto a ninguna de las variables productivas estudiadas a lo largo del período productivo. Sin embargo, el peso inicial origino que las gallinas pesadas consumieran más (120.6 vs. 113.9 g; P< 0.001), obtuvieran un porcentaje de puesta mayor (92.5 vs. 89.8%; P< 0.01) y un peso del huevo mayor (64.9 vs. 62.4 g; P< 0.001) que las gallinas ligeras. El peso inicial de las gallinas no afecto al IC por kg de huevo ni a la mortalidad, sin embargo, la ganancia de peso fue mayor (289 vs. 233 g; P< 0.01) y el IC por docena de huevos fue mejor (1.52 vs. 1.57; P< 0.01) en las gallinas ligeras que en las gallinas pesadas. En cuanto a la calidad del huevo, la dieta no influyó sobre ninguna de las variables estudiadas. Los resultados del ensayo muestran que las gallinas ponedoras rubias, independientemente de su peso vivo al inicio de la puesta, no necesitan una cantidad de proteína bruta superior a 16.5% para maximizar la producción, asegurando que las dietas cubren los requerimientos en AA indispensables. Asimismo, se puedo concluir que las gallinas con un peso más elevado al inicio de puesta producen más masa de huevo que las gallinas con un peso más bajo debido a que las primeras producen más cantidad de huevos y más pesados. Sin embargo, ambos grupos de peso obtuvieron el mismo IC por kg de huevo y las gallinas más livianas en peso obtuvieron un mejor IC por docena de huevo que las pesadas. En el experimento 3 la influencia de la concentración energética sobre los parámetros productivos y la calidad del huevo fue estudiada en 520 gallinas ponedoras rubias de la estirpe Hy-Line en el período 24-59 sem de vida. Se utilizaron 8 tratamientos ordenados factorialmente con 4 dietas que variaron en el contenido energético (2650, 2750, 2850 y 2950 kcal EMAn/kg) y 2 pesos vivos distintos al inicio del período de puesta (1733 vs. 1606g). Cada tratamiento fue replicado 5 veces y la unidad experimental consistió en una jaula con 13 aves. Todas las dietas se diseñaron para que tuvieran una concentración nutritiva similar por unidad energética. Las variables productivas y de calidad de huevo se estudiaron mediante controles cada 28 días desde el inicio del experimento. No se observaron interacciones entre el nivel energético y el peso inicial del ave para ninguna de las variables estudiadas. Un incremento en la concentración energética de la dieta incrementó la producción de huevos (88.8 % vs. 91.2 % vs. 92.7 % vs. 90.5 %), masa de huevo (56.1 g/d vs. 58.1 g/d vs. 58.8 g/d vs. 58.1 g/d), y eficiencia energética (5.42 vs. 5.39 vs. 5.38 vs. 5.58 kcal EMA/g huevo) de forma lineal y cuadrática (P< 0.05) y afectó significativamente a la ganancia de peso (255 g vs. 300 g vs. 325 g vs. 359 g; P<0.05) . Sin embargo, un incremento en la concentración energética provocó un descenso lineal en el consumo de los animales (115 g vs. 114 g vs. 111 g vs. 110 g; P< 0.001) y un descenso lineal y cuadrático en el IC por kg de huevo (2.05 vs. 1.96 vs. 1.89 vs. 1.89; P< 0.01). En cuanto a la calidad del huevo, un incremento en el contenido energético de la dieta provocó una reducción en la calidad del albumen de forma lineal en forma de reducción de Unidades Haugh (88.4 vs. 87.8 vs. 86.3 vs. 84.7; P< 0.001), asimismo el incremento de energía redujo de forma lineal la proporción relativa de cáscara en el huevo (9.7 vs. 9.6 vs. 9.6 vs. 9.5; P< 0.001). Sin embargo, el incremento energético propició un incremento lineal en la pigmentación de la yema del huevo (7.4 vs. 7.4 vs. 7.6 vs. 7.9; P< 0.001). El peso vivo al inicio de la prueba afecto a las variables productivas y a la calidad del huevo. Así, los huevos procedentes de gallinas pesadas al inicio de puesta tuvieron una mayor proporción de yema (25.7 % vs. 25.3 %; P< 0.001) y menor de albumen (64.7 vs. 65.0; P< 0.01) y cáscara (9.5 vs. 9.6; P< 0.05) respecto de los huevos procedentes de gallinas ligeras. Consecuentemente, el ratio yema:albumen fue mayor (0.40 vs. 0.39; P< 0.001) para las gallinas pesadas. Según los resultados del experimento se pudo concluir que las actuales gallinas ponedoras rubias responden con incrementos en la producción y en la masa del huevo a incrementos en la concentración energética hasta un límite que se sitúa en 2850 kcal EMAn/kg. Asimismo, los resultados obtenidos entre los 2 grupos de peso al inicio de puesta demostraron que las gallinas pesadas al inicio de puesta tienen un mayor consumo y producen huevos más pesados, con el consecuente aumento de la masa del huevo respecto de gallinas más ligeras. Sin embargo, el IC por kg de huevo fue el mismo en ambos grupos de gallinas y el IC por docena de huevo fue mejor en las gallinas ligeras. Asimismo, la eficiencia energética fue mejor en las gallinas ligeras. Abstract The general aim of this PhD Thesis was to study the influence of different nutritional factors and management on the productivity and egg quality of comercial Brown laying hens. The factor studied were: 1) The effect of the main cereal and type of fat of the diet; 2) The effect of crude protein and fat content of the diet; 3) The effect of energy concentration of the diet; 4) The effect of initial body weight of the hens at the onset of lay period. In experiment 1, the influence of the main cereal and type of supplemental fat in the diet on productive performance and egg quality of the eggs was studied in 756 Lohmann brown-egg laying hens from 22 to 54 wk of age. The experiment was conducted as a completely randomized design with 9 treatments arranged factorially with 3 cereals (dented corn, soft wheat, and barley) and 3 types of fat (soy oil, acidulated vegetable soapstocks, and lard). Each treatment was replicated 4 times (21 hens per replicate). All diets were formulated according to NRC (1994) and FEDNA (2008) to have similar nutrient content except for linoleic acid that ranged from 0.8 (wheat-lard diet) to 3.4% (corn-soy bean oil) depending on the combination of cereal and fat source used. This approach will allow to estimate the minimum level of linoleic acid in the diets that maximizes egg weight. Productive performance and egg quality traits were recorded every 28 d and BW of the hens was measured individually at the beginning and at the end of the experiment. No significant interactions between main factors were detected for any of the variables studied. Egg production, egg weight, and egg mass were not affected by dietary treatment. Body weight gain was higher (243 vs. 238 vs. 202 g; P<0.05) for hens fed corn or wheat than for hens fed barley and also for hens fed lard than for hens fed soy oil or acidulated vegetable soapstocks (251 vs. 221 vs. 210 g; P< 0.05). Egg quality was not influenced by dietary treatment except for yolk color that was greater (9.0 vs. 8.3 vs. 8.3; P< 0.001) for hens fed corn than for hens fed wheat or barley and for hens fed lard than for hens fed soy oil or acidulated vegetable soapstocks (8.9 vs. 8.5 vs. 8.2, respectivamente; P< 0.001). The influence of linoleic acid on egg weight and egg mass was higher when the fatty acid was reduced in the diet. Thus, the influence of the diet in egg weight/g linoleic acid intake and egg mass/g linolec acid intake was higher when the amount of this fatty acid decreased in the diet (P< 0.001). It is concluded that brown egg laying hens do not need more than 1.0% of linoleic acid in the diet (1.16 g/hen/d) to maximize egg production and egg size. The 3 cereals and the 3 fat sources tested can replace each other in the diet provided that the linoleic acid requirements to maximize egg size are met. In experiment 2, the influence of CP and fat content of the diet on performance and egg quality traits was studied in 672 Lohmann brown egg-laying hens from 22 to 50 wk of age. The experiment was conducted as a completely randomized design with 8 treatments arranged factorially with 4 diets and 2 initial BW of the hens (1,592 vs. 1,860 g). Three of these diets differed in the CP content (16.5, 17.5, and 18.5%) and included 1.8% added fat. The fourth diet had also 18.5% CP but was supplemented with 3.6% fat instead of 1.8% fat. Each treatment was replicated 4 times and the experimental unit consisted of 21 hens allocated in groups of 7 in 3 adjacent cages. All diets were isocaloric (2,750 kcal AME/kg) and met the recommendations of brown egg-laying hens for digestible Arg, Ile, Lys, Met, Thr, Trp, TSAA, and Val. Productive performance and egg quality were recorded by replicate every 28-d. For the entire experimental period, diet did not affect any of the productive performance traits studied but the heavier hens had higher ADFI (120.6 vs. 113.9g; P< 0.001), egg production (92.5 vs. 89.8%; P< 0.01), and egg weight (64.9 vs. 62.4g; P< 0.001) than the lighter hens. Initial BW did not affect feed conversion per kilogram of eggs or hen mortality but BW gain was higher (289 vs. 233g; P< 0.01) and FCR per dozen of eggs was better (1.52 vs. 1.57; P< 0.01) for the lighter than for the heavier hens. None of the egg quality variables studied was affected by dietary treatment or initial BW of the hens. It is concluded that brown egg-laying hens, irrespective of their initial BW, do not need more than 16.5% CP to maximize egg production provided that the diet meet the requirements for key indispensable amino acids. Heavier hens produce more eggs that are larger than lighter hens but feed efficiency per kilogram of eggs is not affected. In experiment 3, the influence of AMEn concentration of the diet on productive performance and egg quality traits was studied in 520 Hy-Line brown egg-laying hens differing in initial BW from 24 to 59 wks of age. There were 8 treatments arranged factorially with 4 diets varying in energy content (2,650, 2,750, 2,850, and 2,950 kcal AMEn/kg) and 2 initial BW of the hens (1,733 vs. 1,606 g). Each treatment was replicated 5 times (13 hens per replicate) and all diets had similar nutrient content per unit of energy. No interactions between energy content of the diet and initial BW of the hens were detected for any trait. An increase in energy concentration of the diet increased (linear, P< 0.05; quadratic P< 0.05) egg production (88.8 % vs. 91.2 % vs. 92.7 % vs. 90.5 %), egg mass (56.1 g/d vs. 58.1 g/d vs. 58.8 g/d vs. 58.1 g/d), energy efficiency (5.42 vs. 5.39 vs. 5.38 vs. 5.58 kcal AMEn/g of egg), and BW gain (255 g vs. 300 g vs. 325 g vs. 359 g; P<0.05) but decreased ADFI (115 g vs. 114 g vs. 111 g vs. 110 g; P< linear, P< 0.001) and FCR per kg of eggs (2.05 vs. 1.96 vs. 1.89 vs. 1.89; linear, P< 0.01; quadratic P< 0.01). An increase in energy content of the diet reduced Haugh units (88.4 vs. 87.8 vs. 86.3 vs. 84.7; P< 0.01) and the proportion of shell in the egg (9.7 vs. 9.6 vs. 9.6 vs. 9.5; P< 0.001). Feed intake (114.6 vs. 111.1 g/hen per day), AMEn intake (321 vs. 311 kcal/hen per day), egg weight (64.2 vs. 63.0 g), and egg mass (58.5 vs. 57.0 g) were higher for the heavier than for the lighter hens (P<0.01) but FCR per kg of eggs and energy efficiency were not affected. Eggs from the heavier hens had higher proportion of yolk (25.7 % vs. 25.3 %; P< 0.001) and lower of albumen (64.7 vs. 65.0; P< 0.01) and shell (9.5 vs. 9.6; P< 0.05) than eggs from the lighter hens. Consequently, the yolk to albumen ratio was higher (0.40 vs. 0.39; P< 0.001) for the heavier hens. It is concluded that brown egg-laying hens respond with increases in egg production and egg mass, to increases in AMEn concentration of the diet up to 2,850 kcal/kg. Heavy hens had higher feed intake and produced heavier eggs and more egg mass than light hens. However, energy efficiency was better for the lighter hens.

Contribution to the design of waveguide-fed compound-slot arrays by means of equivalent circuit modelling

Los arrays de ranuras son sistemas de antennas conocidos desde los años 40, principalmente destinados a formar parte de sistemas rádar de navíos de combate y grandes estaciones terrenas donde el tamaño y el peso no eran altamente restrictivos. Con el paso de los años y debido sobre todo a importantes avances en materiales y métodos de fabricación, el rango de aplicaciones de este tipo de sistemas radiantes creció en gran medida. Desde nuevas tecnologías biomédicas, sistemas anticolisión en automóviles y navegación en aviones, enlaces de comunicaciones de alta tasa binaria y corta distancia e incluso sistemas embarcados en satélites para la transmisión de señal de televisión. Dentro de esta familia de antennas, existen dos grupos que destacan por ser los más utilizados: las antennas de placas paralelas con las ranuras distribuidas de forma circular o espiral y las agrupaciones de arrays lineales construidos sobre guia de onda. Continuando con las tareas de investigación desarrolladas durante los últimos años en el Instituto de Tecnología de Tokyo y en el Grupo de Radiación de la Universidad Politécnica de Madrid, la totalidad de esta tesis se centra en este último grupo, aunque como se verá se separa en gran medida de las técnicas de diseño y metodologías convencionales. Los arrays de ranuras rectas y paralelas al eje de la guía rectangular que las alimenta son, sin ninguna duda, los modelos más empleados debido a la fiabilidad que presentan a altas frecuencias, su capacidad para gestionar grandes cantidades de potencia y la sencillez de su diseño y fabricación. Sin embargo, también presentan desventajas como estrecho ancho de banda en pérdidas de retorno y rápida degradación del diagrama de radiación con la frecuencia. Éstas son debidas a la naturaleza resonante de sus elementos radiantes: al perder la resonancia, el sistema global se desajusta y sus prestaciones degeneran. En arrays bidimensionales de slots rectos, el campo eléctrico queda polarizado sobre el plano transversal a las ranuras, correspondiéndose con el plano de altos lóbulos secundarios. Esta tesis tiene como objetivo el desarrollo de un método sistemático de diseño de arrays de ranuras inclinadas y desplazadas del centro (en lo sucesivo “ranuras compuestas”), definido en 1971 como uno de los desafíos a superar dentro del mundo del diseño de antennas. La técnica empleada se basa en el Método de los Momentos, la Teoría de Circuitos y la Teoría de Conexión Aleatoria de Matrices de Dispersión. Al tratarse de un método circuital, la primera parte de la tesis se corresponde con el estudio de la aplicabilidad de las redes equivalentes fundamentales, su capacidad para recrear fenómenos físicos de la ranura, las limitaciones y ventajas que presentan para caracterizar las diferentes configuraciones de slot compuesto. Se profundiza en las diferencias entre las redes en T y en ! y se condiciona la selección de una u otra dependiendo del tipo de elemento radiante. Una vez seleccionado el tipo de red a emplear en el diseño del sistema, se ha desarrollado un algoritmo de cascadeo progresivo desde el puerto alimentador hacia el cortocircuito que termina el modelo. Este algoritmo es independiente del número de elementos, la frecuencia central de funcionamiento, del ángulo de inclinación de las ranuras y de la red equivalente seleccionada (en T o en !). Se basa en definir el diseño del array como un Problema de Satisfacción de Condiciones (en inglés, Constraint Satisfaction Problem) que se resuelve por un método de Búsqueda en Retroceso (Backtracking algorithm). Como resultado devuelve un circuito equivalente del array completo adaptado a su entrada y cuyos elementos consumen una potencia acorde a una distribución de amplitud dada para el array. En toda agrupación de antennas, el acoplo mutuo entre elementos a través del campo radiado representa uno de los principales problemas para el ingeniero y sus efectos perjudican a las prestaciones globales del sistema, tanto en adaptación como en capacidad de radiación. El empleo de circuito equivalente se descartó por la dificultad que suponía la caracterización de estos efectos y su inclusión en la etapa de diseño. En esta tesis doctoral el acoplo también se ha modelado como una red equivalente cuyos elementos son transformadores ideales y admitancias, conectada al conjunto de redes equivalentes que representa el array. Al comparar los resultados estimados en términos de pérdidas de retorno y radiación con aquellos obtenidos a partir de programas comerciales populares como CST Microwave Studio se confirma la validez del método aquí propuesto, el primer método de diseño sistemático de arrays de ranuras compuestos alimentados por guía de onda rectangular. Al tratarse de ranuras no resonantes, el ancho de banda en pérdidas de retorno es mucho mas amplio que el que presentan arrays de slots rectos. Para arrays bidimensionales, el ángulo de inclinación puede ajustarse de manera que el campo quede polarizado en los planos de bajos lóbulos secundarios. Además de simulaciones se han diseñado, construido y medido dos prototipos centrados en la frecuencia de 12GHz, de seis y diez elementos. Las medidas de pérdidas de retorno y diagrama de radiación revelan excelentes resultados, certificando la bondad del método genuino Method of Moments - Forward Matching Procedure desarrollado a lo largo de esta tésis. Abstract The slot antenna arrays are well known systems from the decade of 40s, mainly intended to be part of radar systems of large warships and terrestrial stations where size and weight were not highly restrictive. Over the years, mainly due to significant advances in materials and manufacturing methods, the range of applications of this type of radiating systems grew significantly. From new biomedical technologies, collision avoidance systems in cars and aircraft navigation, short communication links with high bit transfer rate and even embedded systems in satellites for television broadcast. Within this family of antennas, two groups stand out as being the most frequent in the literature: parallel plate antennas with slots placed in a circular or spiral distribution and clusters of waveguide linear arrays. To continue the vast research work carried out during the last decades in the Tokyo Institute of Technology and in the Radiation Group at the Universidad Politécnica de Madrid, this thesis focuses on the latter group, although it represents a technique that drastically breaks with traditional design methodologies. The arrays of slots straight and parallel to the axis of the feeding rectangular waveguide are without a doubt the most used models because of the reliability that they present at high frequencies, its ability to handle large amounts of power and their simplicity of design and manufacturing. However, there also exist disadvantages as narrow bandwidth in return loss and rapid degradation of the radiation pattern with frequency. These are due to the resonant nature of radiating elements: away from the resonance status, the overall system performance and radiation pattern diminish. For two-dimensional arrays of straight slots, the electric field is polarized transverse to the radiators, corresponding to the plane of high side-lobe level. This thesis aims to develop a systematic method of designing arrays of angled and displaced slots (hereinafter "compound slots"), defined in 1971 as one of the challenges to overcome in the world of antenna design. The used technique is based on the Method of Moments, Circuit Theory and the Theory of Scattering Matrices Connection. Being a circuitry-based method, the first part of this dissertation corresponds to the study of the applicability of the basic equivalent networks, their ability to recreate the slot physical phenomena, their limitations and advantages presented to characterize different compound slot configurations. It delves into the differences of T and ! and determines the selection of the most suitable one depending on the type of radiating element. Once the type of network to be used in the system design is selected, a progressive algorithm called Forward Matching Procedure has been developed to connect the proper equivalent networks from the feeder port to shorted ending. This algorithm is independent of the number of elements, the central operating frequency, the angle of inclination of the slots and selected equivalent network (T or ! networks). It is based on the definition of the array design as a Constraint Satisfaction Problem, solved by means of a Backtracking Algorithm. As a result, the method returns an equivalent circuit of the whole array which is matched at its input port and whose elements consume a power according to a given amplitude distribution for the array. In any group of antennas, the mutual coupling between elements through the radiated field represents one of the biggest problems that the engineer faces and its effects are detrimental to the overall performance of the system, both in radiation capabilities and return loss. The employment of an equivalent circuit for the array design was discarded by some authors because of the difficulty involved in the characterization of the coupling effects and their inclusion in the design stage. In this thesis the coupling has also been modeled as an equivalent network whose elements are ideal transformers and admittances connected to the set of equivalent networks that represent the antennas of the array. By comparing the estimated results in terms of return loss and radiation with those obtained from popular commercial software as CST Microwave Studio, the validity of the proposed method is fully confirmed, representing the first method of systematic design of compound-slot arrays fed by rectangular waveguide. Since these slots do not work under the resonant status, the bandwidth in return loss is much wider than the longitudinal-slot arrays. For the case of two-dimensional arrays, the angle of inclination can be adjusted so that the field is polarized at the low side-lobe level plane. Besides the performed full-wave simulations two prototypes of six and ten elements for the X-band have been designed, built and measured, revealing excellent results and agreement with the expected results. These facts certify that the genuine technique Method of Moments - Matching Forward Procedure developed along this thesis is valid and trustable.

Neutronics design and radiological aspects of HiPER facilities

En este trabajo se han cubierto diferentes asuntos del diseño neutrónico de los aspectos radiológicos de las dos instalaciones del proyecto HiPER. El proyecto HiPER es un proyecto europeo concebido en el marco del programa ESFRI (European Scientific Facilities Research Infrastructure). Está destinado al desarrollo de la energía de fusión nuclear inercial mediante el uso de láseres y el esquema iluminación directa. Consecuentemente, se trata de una instalación con fines exclusivamente civiles. Se divide en dos fases, correspondientes con dos instalaciones: HiPER Engineering y HiPER Reactor. La instalación HiPER Engineering desarrollará las tecnologías implicadas en la ignición de alta repetición de cápsulas de DT por iluminación directa. El HiPER Reactor será una planta demostradora que produzca electricidad haciendo uso de las tecnologías desarrolladas durante la fase HiPER Engineering. El HiPER Engineering se centrará en las tecnologías relevantes para las igniciones a alta repetición de cápsulas de DT usando la iluminación directa. El principal esfuerzo de desarrollo tecnológico se hará en todos los asuntos directamente relacionados con la ignición: láseres, óptica, inyector, y fabricación masiva de cápsulas entre otros. Se espera una producción de entre 5200 MJ/año y 120000 MJ/año dependiendo del éxito de la instalación. Comparado con la energía esperada en NIF, 1200 MJ/año, se trata de un reto y un paso más allá en la protección radiológica. En este trabajo se ha concebido una instalación preliminar. Se ha evaluado desde el punto de vista de la protección radiológica, siendo las personas y la óptica el objeto de protección de este estudio. Se ha establecido una zonificación durante la operación y durante el mantenimiento de la instalación. Además, se ha llevado a cabo una evaluación de la selección de materiales para la cámara de reacción desde el punto de vista de gestión de residuos radiactivos. El acero T91 se ha seleccionado por, siendo un acero comercial, presentar el mismo comportamiento que el acero de baja activación EUROFER97 al evaluarse como residuo con el nivel de irradiación de HiPER Engineering. Teniendo en cuenta los resultados obtenidos para la instalación preliminar y las modificaciones de la instalación motivadas en otros campos, se ha propuesto una instalación avanzada también en este trabajo. Un análisis más profundo de los aspectos radiológicos, así como una evaluación completa de la gestión de todos los residuos radiactivos generados en la instalación se ha llevado a cabo. La protección radiológica se ha incrementado respecto de la instalación preliminar, y todos los residuos pueden gestionarse en un plazo de 30 sin recurrir al enterramiento de residuos. El HiPER Reactor sera una planta demostradora que produzca electricidad basada en las tecnologías de ignición desarrolladas durante la fase HiPER Engineering. El esfuerzo de desarrollo tecnológico se llevará a cabo en los sistemas relacionados con la generación de electricidad en condiciones económicas: manto reproductor de tritio, ciclos de potencia, vida y mantenimiento de componentes, o sistemas de recuperación de tritio entre otros. En este trabajo la principal contribución a HiPER Reactor está relacionada con el diseño de la cámara de reacción y sus extensiones en la planta. La cámara de reacción es la isla nuclear más importante de la planta, donde la mayoría de las reacciones nucleares tienen lugar. Alberga la primera pared, el manto reproductor de tritio y la vasija de vacío. Todo el trabajo realizado aquí ha pivotado en torno al manto reproductor de tritio y sus interacciones con el resto de componentes de la planta. Tras una revisión profunda de la bibliografía de los diseños recientes de cámaras de reacción con características similares a HiPER Reactor, se ha propuesto y justificado un esquema tecnológico innovador para el manto reproductor de tritio. El material fértil selecconado es el eutéctico 15.7 at.% Litio – 84.3 at.% Plomo, LiPb, evitando el uso de berilio como multiplicador neutrónico mientras se garantiza el ajuste online de la tasa de reproducción de tritio mediante el ajuste en el enriquecimiento en 6Li. Aunque se podría haber elegido Litio purom el LiPb evita problemas relacionados con la reactividad química. El precio a pagar es un reto materializado como inventario radiactivo de Z alto en el lazo de LiPb que debe controlarse. El material estructural seleccionado es el acero de baja activación EUROFER97, que estará en contacto directo con le LiPb fluyendo a alta velocidad. En este esquema tecnológico, el LiPb asegurará la autosuficiente de tritio de la planta mientras el propio LiPb extrae del manto el calor sobre él depositado por los neutrones. Este esquema recibe el nombre de manto de Litio-Plomo auto-refrigerado (SCLL por sus siglas en inglés). Respecto de los conceptos SCLL previos, es destacable que nos e requieren componentes del SiC, puesto que no hay campos magnéticos en la cámara de reacción. Consecuentemente, el manto SCLL propuesto para HiPER presenta riesgo tecnológicos moderados, similares a otros dispositivos de fusión magnética, como el HCLL, e incluso inferiores a los del DCLL, puesto que no se require SiC. Los retos que se deben afrontar son el control del inventario de Z alto así como las tasas de corrosión derivadas de la interacción del LiPb con el EUROFE97. En este trabajo se abordan ambos aspectos, y se presentan los respectivos análisis, junto con otros aspectos neutrónicos y de activación, tales como la protección de la vasija de vacío por parte del material fértil para garantizar la resoldabilidad de por vida en la cara externa de la vasija. También se propone y se estudio un ciclo de potencia de Brayton de Helio para dos configuraciones diferentes de refrigeración del sistema primera pared-manto reproductor. Las principales conclusiones de estos estudios son: i) el inventario de Z alto puede controlarse y es comparable al que se encuentra en dispositivos de fusión similares, ii)la vasija de vacío requiere una mayor protección frente a la radiación neutrónica y iii) las tasas de corrosión son demasiado altas y la temperatura media de salida del LiPb es demasiado baja. Tiendo en cuenta estos resultados juntos con otras consideraciones relacionadas con el mantenimiento de componentes y la viabilidad constructiva, se ha propuesto una evolución de la cámara de reacción. Las evoluciones más destacables son la introducción de un reflector neutrónico de grafito, la modificación de la configuración de la óptica final, la forma y el tamaño de la cámara de vacío y una nueva subdivisión modular del manto. Se ha evaluado desde el punto de vista neutrónico, y su análisis y posterior evolución queda fuera del objeto de este trabajo. Los códigos utilizados en este trabajo son: CATIA para la generación de geometrías 3D complejas MCAM para la traducción de archivos de CATIA a formato de input de MCNP MCNP para el transporte de la radiación (neutrones y gammas) y sus respuestas asociadas ACAB para la evolución del inventario isotópico y sus respuestas asociadas MC2ACAB para acoplar MCNP y ACAB para el cómputo de dosis en parada usando la metodología R2S basada en celda. Moritz para visualizar los reultados de MCNP FLUENT para llevar a cabo cálculos de fluido-dinámica Para llevar a cabo este trabajo, han sido necesarias unas destrezas computacionales. Las más relevantes utilizadas son: generación de geometrás 3D complejas y transmisión a MCNP, diferentes tñecnica de reducción de varianza como importancia por celdas y weight windows basado en malla, metodología Rigorous-two-Steps basada en celdas para el cálculo de dosis en parada y la modificación del código ACAB para el cálculos con múltiples espectros en la misma simulación. Como resumen, la contribución de este trabajo al proyecto HiPER son dos diseños conceptuales de instalación: una para HiPER Engineering y otra para HiPER Reactor. La primera se ha estudio en profundidad desde el punto de vista de protección radiológica y gestión de residuos, mientras que la segunda se ha estudiado desde el punto de vista de operación: seguridad, comportamiento, vida y mantenimiento de componentes y eficiencia del ciclo de potencia.

Conceptual design of the liquid metal laboratory of the TECHNOFUSION facility

The application of liquid metal technology in fusion devices requires R&D related to many phenomena: interaction between liquid metals and structural material as corrosion, erosion and passivation techniques; magneto-hydrodynamics; free surface fluid-dynamics and any other physical aspect that will be needed for their safe reliable operation. In particular, there is a significant shortage of experimental facilities dedicated to the development of the lithium technology. In the framework of the TECHNOFUSION project, an experimental laboratory devoted to the lithium technology development is proposed, in order to shed some light in the path to IFMIF and the design of chamber's first wall and divertors. The conceptual design foresee a development in two stages, the first one consisting on a material testing loop. The second stage proposes the construction of a mock-up of the IFMIF target that will allow to assess the behaviour of a free-surface lithium target under vacuum conditions. In this paper, such conceptual design is addressed.

Design and Development of 35 % Efficient and lOOOX CPV Module with Sufficient Optical Alignment Tolerance

Modules are an important part of the CPV system. By pursing, in our objective of a 35% efficiency module, we need to look forward a significant improvement in the state of the art of CPV modules since no commercial module is capable of achieving that efficiency. Achieving this efficiency will require high efficiency cells, progress in the optics lenses that are implemented in these modules, and also integration into module. Basic design of 35% CPV module is presented considering for practical and rapid industry application. The output is 385 W while its weight is only 18 kg. In spite of its high concentration ratio reaching 1,000 X, it acceptance angle is as high as 1.1 degree.

Analysis and optimized design of a distributed multi-stage EMC filter for an interleaved three-phase PWM-rectifier system for aircraft applications

Different possible input filter configurations for a modular three-phase PWM rectifier system consisting of three interleaved converter cells are studied. The system is designed for an aircraft application where MIL-STD-461E conducted EMI standards have to be met and system weight is a critical design issue. The importance of a LISN model on the simulated noise levels and the effect of interleaving and power unbalance between the different converter modules is discussed. The effect of the number of filter stages and the degree of distribution of the filter stages among the individual converter modules on the weight and losses of the input filter is studied and optimal filter structures are proposed.

Analytic free-form lens design for tracking integration in concentrating photovoltaics

In this work the concept of tracking integration in concentrating photovoltaics (CPV) is revisited and developed further. With respect to conventional CPV, tracking integration eliminates the clear separation between stationary units of optics and solar cells, and external solar trackers. This approach is capable of further increasing the concentration ratio and makes high concentrating photovoltaics (> 500x) available for single-axis tracker installations. The reduced external solar tracking effort enables possibly cheaper and more compact installations. Our proposed optical system uses two laterally moving plano-convex lenses to achieve high concentration over a wide angular range of ±24°. The lateral movement allows to combine both steering and concentration of the incident direct sun light. Given the specific symmetry conditions of the underlying optical design problem, rotational symmetric lenses are not ideal for this application. For this type of design problems, a new free-form optics design method presented in previous papers perfectly matches the symmetry. It is derived directly from Fermat's principle, leading to sets of functional differential equations allowing the successive calculation of the Taylor series coeficients of each implicit surface function up to very high orders. For optical systems designed for wide field of view and with clearly separated optical surfaces, this new analytic design method has potential application in both fields of nonimaging and imaging optics.

Zone design of specific sizes using adaptive additively weighted voronoi diagrams

Territory or zone design processes entail partitioning a geographic space, organized as a set of areal units, into different regions or zones according to a specific set of criteria that are dependent on the application context. In most cases, the aim is to create zones of approximately equal sizes (zones with equal numbers of inhabitants, same average sales, etc.). However, some of the new applications that have emerged, particularly in the context of sustainable development policies, are aimed at defining zones of a predetermined, though not necessarily similar, size. In addition, the zones should be built around a given set of seeds. This type of partitioning has not been sufficiently researched; therefore, there are no known approaches for automated zone delimitation. This study proposes a new method based on a discrete version of the adaptive additively weighted Voronoi diagram that makes it possible to partition a two-dimensional space into zones of specific sizes, taking both the position and the weight of each seed into account. The method consists of repeatedly solving a traditional additively weighted Voronoi diagram, so that each seed?s weight is updated at every iteration. The zones are geographically connected using a metric based on the shortest path. Tests conducted on the extensive farming system of three municipalities in Castile-La Mancha (Spain) have established that the proposed heuristic procedure is valid for solving this type of partitioning problem. Nevertheless, these tests confirmed that the given seed position determines the spatial configuration the method must solve and this may have a great impact on the resulting partition.

Simulation, Design and Analysis of Air-Breathing Combined-Cycle Engines for High Speed Propulsion

Desde la aparición del turborreactor, el motor aeróbico con turbomaquinaria ha demostrado unas prestaciones excepcionales en los regímenes subsónico y supersónico bajo. No obstante, la operación a velocidades superiores requiere sistemas más complejos y pesados, lo cual ha imposibilitado la ejecución de estos conceptos. Los recientes avances tecnológicos, especialmente en materiales ligeros, han restablecido el interés por los motores de ciclo combinado. La simulación numérica de estos nuevos conceptos es esencial para estimar las prestaciones de la planta propulsiva, así como para abordar las dificultades de integración entre célula y motor durante las primeras etapas de diseño. Al mismo tiempo, la evaluación de estos extraordinarios motores requiere una metodología de análisis distinta. La tesis doctoral versa sobre el diseño y el análisis de los mencionados conceptos propulsivos mediante el modelado numérico y la simulación dinámica con herramientas de vanguardia. Las distintas arquitecturas presentadas por los ciclos combinados basados en sendos turborreactor y motor cohete, así como los diversos sistemas comprendidos en cada uno de ellos, hacen necesario establecer una referencia común para su evaluación. Es más, la tendencia actual hacia aeronaves "más eléctricas" requiere una nueva métrica para juzgar la aptitud de un proceso de generación de empuje en el que coexisten diversas formas de energía. A este respecto, la combinación del Primer y Segundo Principios define, en un marco de referencia absoluto, la calidad de la trasferencia de energía entre los diferentes sistemas. Esta idea, que se ha estado empleando desde hace mucho tiempo en el análisis de plantas de potencia terrestres, ha sido extendida para relacionar la misión de la aeronave con la ineficiencia de cada proceso involucrado en la generación de empuje. La metodología se ilustra mediante el estudio del motor de ciclo combinado variable de una aeronave para el crucero a Mach 5. El diseño de un acelerador de ciclo combinado basado en el turborreactor sirve para subrayar la importancia de la integración del motor y la célula. El diseño está limitado por la trayectoria ascensional y el espacio disponible en la aeronave de crucero supersónico. Posteriormente se calculan las prestaciones instaladas de la planta propulsiva en función de la velocidad y la altitud de vuelo y los parámetros de control del motor: relación de compresión, relación aire/combustible y área de garganta. ABSTRACT Since the advent of the turbojet, the air-breathing engine with rotating machinery has demonstrated exceptional performance in the subsonic and low supersonic regimes. However, the operation at higher speeds requires further system complexity and weight, which so far has impeded the realization of these concepts. Recent technology developments, especially in lightweight materials, have restored the interest towards combined-cycle engines. The numerical simulation of these new concepts is essential at the early design stages to compute a first estimate of the engine performance in addition to addressing airframe-engine integration issues. In parallel, a different analysis methodology is required to evaluate these unconventional engines. The doctoral thesis concerns the design and analysis of the aforementioned engine concepts by means of numerical modeling and dynamic simulation with state-of-the-art tools. A common reference is needed to evaluate the different architectures of the turbine and the rocket-based combined-cycle engines as well as the various systems within each one of them. Furthermore, the actual trend towards more electric aircraft necessitates a common metric to judge the suitability of a thrust generation process where different forms of energy coexist. In line with this, the combination of the First and the Second Laws yields the quality of the energy being transferred between the systems on an absolute reference frame. This idea, which has been since long applied to the analysis of on-ground power plants, was extended here to relate the aircraft mission with the inefficiency of every process related to the thrust generation. The methodology is illustrated with the study of a variable- combined-cycle engine for a Mach 5 cruise aircraft. The design of a turbine-based combined-cycle booster serves to highlight the importance of the engine-airframe integration. The design is constrained by the ascent trajectory and the allocated space in the supersonic cruise aircraft. The installed performance of the propulsive plant is then computed as a function of the flight speed and altitude and the engine control parameters: pressure ratio, air-to-fuel ratio and throat area.

Simulation of impulse response for indoor visible light communications using 3D CAD models

n this article, a tool for simulating the channel impulse response for indoor visible light communications using 3D computer-aided design (CAD) models is presented. The simulation tool is based on a previous Monte Carlo ray-tracing algorithm for indoor infrared channel estimation, but including wavelength response evaluation. The 3D scene, or the simulation environment, can be defined using any CAD software in which the user specifies, in addition to the setting geometry, the reflection characteristics of the surface materials as well as the structures of the emitters and receivers involved in the simulation. Also, in an effort to improve the computational efficiency, two optimizations are proposed. The first one consists of dividing the setting into cubic regions of equal size, which offers a calculation improvement of approximately 50% compared to not dividing the 3D scene into sub-regions. The second one involves the parallelization of the simulation algorithm, which provides a computational speed-up proportional to the number of processors used.

Newer optics efficiently mix, dim, and color-tune LED light

Low-cost, plastic-injected optics mix light from different color LED dies without a significant decrease in average brightness, simplifying luminaire design both optically and electronically. In solid-state lighting, high-flux and high-color rendering index (CRI) light engines may be achieved by arraying and mixing the light from different color dies or phosphors, or a combination of the two, in the LED package. However, these nonhomogeneous sources, when combined with luminaire optics, tend to produce patterns with undesirable artifacts such as spatial and angular nonuniformities and color separation.

Design and kinematic analysis of 3PSS-1S wrist for needle insertion guidance

In this work it is presented a complete kinematic analysis of the 3PSS-1S parallel mechanism for its implementation as a spherical wrist for a needle insertion guidance robot. The spherical 3PSS-1S mechanism is a low weight and reduced dimension parallel mechanism that allows spherical movements providing the requirements needed for the serial–parallel robotic arm for needle insertion guidance. The solution of its direct kinematic is computed with a numerical method based on the Newton–Raphson formulation and a constraint function of the mechanism. The input–output velocity equation is obtained with the use of screw theory. Three types of singular postures are identified during simulations and verified in the real prototype. The 3PSS-1S can perform pure rotations of ±45°±45°, ±40°±40°, ±60°±60° along the View the MathML sourcex, View the MathML sourcey, View the MathML sourcez axes respectively.

Design and Multi-Objective Optimization of EMI Input Filters

An EMI filter design procedure for power converters is proposed. Based on a given noise spectrum, information about the converter noise source impedance and design constraints, the design space of the input filter is defined. The design is based on component databases and detailed models of the filter components, including high frequency parasitics, losses, weight, volume, etc.. The design space is mapped onto a performance space in which different filter implementations are evaluated and compared. A multi-objective optimization approach is used to obtain optimal designs w.r.t. a given performance function.