Desarrollo de un modelo de evaluación de ciudades basado en el concepto de ciudad inteligente (Smart city)

La presente tesis tiene por finalidad contribuir al conocimiento de los procesos de transformación de las ciudades convencionales en Ciudades Inteligentes o Smart Cities, el nuevo paradigma urbano, que surge como consecuencia de la utilización de las Tecnologías de la Información y de las Comunicaciones, las TIC, para mejorar la calidad de vida de las personas y aumentar la eficiencia y eficacia de los procesos, servicios e infraestructuras de la ciudad. El proceso de urbanización de la población mundial constituye una de las principales tendencias globales. Los retos a los que se enfrentan las urbes actuales para satisfacer las necesidades de sus habitantes, así como la forma en que cada ciudad aborda dichos retos, propician el desarrollo de estudios comparativos y rankings de ciudades. La oportunidad para llevar a cabo esta tesis deriva de: La novedad del concepto de Ciudad Inteligente. La necesidad de establecer estudios comparativos, respecto a dicho concepto, entre ciudades con características socioeconómicas y culturales comunes, dado que la mayoría de los estudios y rankings se desarrollan para conjuntos de ciudades cuyas características son muy dispares, pues, en general son seleccionadas por su condición de capitales de estados o de centros económicos-financieros. El interés de disponer de estudios sobre ciudades con tamaños de población medianos, inferiores al millón de habitantes, las cuales tienen baja presencia en los estudios comparativos. La inexistencia de estudios comparativos entre las ciudades españolas, en relación con el concepto de Ciudad Inteligente. La existencia de la Red Española de Ciudades Inteligentes, que permite disponer de una muestra de ciudades adecuada, para llevar a cabo un estudio comparativo de acuerdo con los puntos anteriores. El objetivo general de la presente tesis es contribuir al conocimiento de los procesos de transformación de la ciudad convencional en Ciudad Inteligente, a través de la formulación y aplicación de un modelo de evaluación, basado en el concepto holístico de Ciudad Inteligente o Smart City y desde la perspectiva del ciudadano. La metodología de trabajo seguida comprende, en primer lugar, la revisión del estado del arte, centrada en tres aspectos: la evolución del concepto Smart City, los estudios comparativos sobre Ciudades Inteligentes y las medidas que las ciudades españolas están implantando en la práctica para llevar a cabo su transformación en Ciudades Inteligentes. A continuación se lleva a cabo el diseño el modelo de evaluación. Este modelo refleja el carácter holístico del concepto de Ciudad Inteligente, para lo cual, de acuerdo con las definiciones que encontramos en la literatura, evalúa la situación de cada ciudad en relación con seis ejes o pilares, comúnmente aceptados por los diferentes autores: e-Gobierno y e-Gobernanza, Movilidad, Sostenibilidad Ambiental, Desarrollo Económico, Capital Intelectual y Calidad de Vida. El trabajo desarrollado implica un análisis, que se desarrolla de forma ordenada para cada uno de los ejes y, dentro de éstos, para sus correspondientes factores. En total se analizan 18 factores. Para cada uno de los ejes se lleva a cabo una revisión de las iniciativas más representativas para, a continuación, analizar y evaluar los correspondientes los factores. De forma complementaria al desarrollo del trabajo, se llevó a cabo una encuesta, dirigida a profesionales de diferentes áreas y sectores, todos ellos en el ámbito de las Ciudades Inteligentes. El objetivo de la encuesta es conocer, de acuerdo con la opinión de los profesionales, la situación actual en materia de despliegue de Ciudades Inteligentes, las actuaciones que consideran de mayor interés para la ciudad y las barreras del proceso de cambio. Una vez definido el modelo, se ha aplicado a las 62 ciudades que forman la Red Española de Ciudades Inteligentes (RECI), valorando los factores y los ejes para cada una de ellas. Así mismo, se ha analizado la influencia de las tres variables siguientes: tamaño de población, densidad de población y presupuesto municipal por habitante, determinando la relación entre el porcentaje de ciudades inteligentes de la muestra, en cada factor. Adicionalmente en el eje Capital Intelectual,se analizó la influencia del porcentaje de habitantes con estudios superiores. Las 62 ciudades RECI que componen la muestra evaluada, representan el 43 % de las ciudades españolas que cuentan con poblaciones superiores a los 50.000 habitantes. La población que abarca la muestra de ciudades estudiada representa el 35% de la población española. Finalmente, se ha determinado el ranking con las ciudades de RECI, de acuerdo con el modelo diseñado. Así mismo se ha llevado a cabo el análisis de sensibilidad, determinado el ranking resultante para la misma muestra de ciudades, aplicando la ponderación de los factores. Las principales aportaciones de la tesis son: Desarrollar un modelo de evaluación de ciudades basada en el concepto holístico de la Smart City y desde la perspectiva del ciudadano. Desarrollar una metodología de trabajo fundamentada en el análisis sistematizado de las web municipales, como medio para conocer la situación de las ciudades, en lugar de los datos estadísticos publicados, que son la fuente de información habitualmente empleada en los estudios comparativos. Disponer de un estudio comparativo específico de ciudades españolas. Llevar a cabo un estudio sobre una muestra de ciudades de tamaño medio, con características socioeconómicas y culturales comparables. Mejorar el conocimiento de los procesos que se están llevando a cabo en ciudades con poblaciones inferiores al millón de habitantes. The purpose of this thesis is to contribute to the knowledge of the cities and the transformation that is taking part in traditional cities becoming Smart Cities. The Smart City concept is the new urban paradigm that is born from the extensive use of Information Technologies (IT) in order to accomplish better citizen’s quality of life as well as improvements in urban processes, services and infrastructures. Several rankings and benchmarking studies are being conducted globally, in response to the increasing of urban population that is taking part around the world and the subsequent challenges to be confronted by the cities. This thesis aims to contribute to these studies. The opportunity for this thesis comes from: The Smart City concept as a new concept. The need of benchmarking studies focused on the Smart City concept, carried on cities with similar social and economic characteristics. The interest on benchmarking studies on medium size cities (with less than one million inhabitants). The absence of benchmarking studies on Spanish cities. The existence of the Spanish Smart Cities Network that can be considered an appropriate sample for a benchmark study. The main goal of this thesis is to develop a Smart Cities assessment model based on the citizen point of view and taking into account a holistic concept of Smart City. The thesis methodology starts with the state of the art revision, focused on three items: the Smart City concept, the benchmark studies and the projects actually developed by the Spanish cities under processes for becoming Smart Cities. The next step is the assessment model design, in accordance with the six main axes or pillars referred in the academic literature: e-Government and e-Governance, Mobility, Environmental Sustainability, Economic Development, Smart Citizens and Quality of Life. Also, a survey has been conducted and addressed to experts working on the different areas related to the Smart Cities. The aim of this survey is to know their opinion about the deployment of the Smart Cities, the priorities considered by the cities and the barriers that delay the change processes. Once the assessment model was ready, it was applied to the Spanish Smart Cities Network, with 62 member cities. Also, the bearing of three variables: city population, population density and city budget per inhabitant, are studied. The 62 cities studied are 43 % of the Spanish cities with population over 50.000 inhabitants. The population living in these cities is the 35% of total Spanish population. The main contribution of this thesis are: An assessment model for Smart Cities that takes into account the holistic concept of the Smart City as well as the citizen experience. A methodology that comprises municipal web analysis instead of statistics data, which are the usual source of data for current benchmarking studies. A Spanish Smart Cities benchmark. A benchmark on medium size cities with similar social and economic characteristics. A better understanding of the urban processes that are taking part on cities under one million inhabitants.

Eco-cities, Smart-cities : Soluciones a los retos de la ciudad contemporánea

Hoy en día las ciudades, como centros de innovación y economía global, constituyen el principal asentamiento de la humanidad. Con los avances tecnológicos de los últimos tiempos se ha impulsado el crecimiento económico, el consumo y la riqueza, propiciando una explosión demográfica sin precedentes, que se concentra sobre todo en las ciudades. Sin embargo, todo esto ha traído consigo graves consecuencias ambientales y sociales que amenazan a la humanidad y a la salud del planeta, como son el calentamiento global, la elevada contaminación, la congestión, la dispersión urbana, la pobreza urbana generalizada, etc. Así, desde el punto de vista de los diseños y planteamientos urbanos, han surgido diferentes modelos de ciudad que han intentado dar respuesta a estos males, algunos basados en la lógica ecológica, otros considerando a la tecnología como la única capaz de dar una solución eficaz. Actualmente, viene extendiéndose la idea de que lograr una ciudad verdaderamente sostenible y habitable pasa por acoger los conceptos ecológicos que permitan alcanzar la sostenibilidad, poniendo además la tecnología al servicio de los ciudadanos para lograr tales fines. Existen multitud de ejemplos de proyectos que se están construyendo o ya han sido ejecutados siguiendo las concepciones de alguno de estos modelos, basta saber si sus planteamientos han logrado solventar de una forma eficaz estas problemáticas.

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.

Diseño de una plataforma Smart Services para Smart Cities

El objetivo principal de este Proyecto Fin de Carrera (PFC), consiste en diseñar una plataforma Smart Services dentro de una compañía, para proporcionar a sus clientes servicios de Smart Cities. Se diseñará una plataforma que en fase de implantación llegue a prestar servicios extremo a extremo a las AAPP (Ayuntamientos y concesionarios de servicios municipales). Es decir, desde la petición del servicio, hasta que el mismo se provisiona y se pone en marcha. El diseño de la solución para el Sistema de Gestión deberá cumplir con las siguientes características: 1. Gestión end-to-end de la Plataforma Smart Services. 2. Cobertura a los diferentes módulos funcionales del propio Sistema de Gestión: 3. Gestión del inventario. 4. Gestión de la provisión. 5. Monitorización y supervisión de la Plataforma Smart Services. 6. Gestión del servicio. 7. Escalabilidad: La solución propuesta debe garantizar la escalabilidad necesaria para poder atender a las necesidades de volumetría. 8. Sistema de Gestión implementado bajo herramientas Open Source.

Reflectarray antennas for dual polarization and broadband telecom satellite applications

A reflectarray antenna with improved performance is proposed to operate in dual-polarization and transmit-receive frequencies in Ku-band for broadcast satellite applications. The reflectarray element contains two orthogonal sets of four coplanar parallel dipoles printed on two surfaces, each set combining lateral and broadside coupling. A 40-cm prototype has been designed, manufactured, and tested. The lengths of the coupled dipoles in the reflectarray cells have been optimized to produce a collimated beam in dual polarization in the transmit and receive bands. The measured radiation patterns confirm the high performance of the antenna in terms of bandwidth (27%), low losses, and low levels of cross polarization. Some preliminary simulations at 11.95 GHz for a 1.2-m antenna with South American coverage are presented to show the potential of the proposed antenna for spaceborne antennas in Ku-band.

Enseñanzas derivadas del Benchmark SMART 2013

El CEA francés, junto con EDF y la OIEA, recientemente organizaron un benchmark internacional y posterior workshop para evaluar las capacidades de simulación del comportamiento mecánico de estructuras nucleares de hormigón armado sometidas a acciones sísmicas. Principia, que fue el único participante español en el workshop, contribuyó a tres de las cuatro fases del ejercicio, que esencialmente consistía en simular los efectos de terremotos en un modelo a escala de una estructura nuclear típica, y en comparar los resultados con ensayos posteriores en mesa vibrante y con las predicciones de otros participantes. El artículo presenta algunas conclusiones obtenidas en los cálculos pre-ensayo, enriquecidas con observaciones producidas por las simulaciones adicionales llevadas a cabo una vez que se hicieron públicos los resultados de los ensayos.

Experience and lessons learnt from the SMART 2013 Benchmark

The French CEA, together with EDF and the IAEA, recently organised an international benchmark to evaluate the ability to model the mechanical behaviour of a typical nuclear reinforced concrete structure subjected to seismic demands. The participants were provided with descriptions of the structure and the testing campaign; they had to propose the numerical model and the material laws for the concrete (stage #1). A mesh of beam and shell elements was generated; for modelling the concrete a damaged plasticity model was used, but a smeared crack model was also investigated. Some of the initial experimental results, with the mock-up remaining in the elastic range, were provided to the participants for calibrating their models (stage #2). Predictions had to be produced in terms of eigen-frequencies and motion time histories. The calculated frequencies reproduced reasonably the experimental ones; the time histories, calculated by modal response analysis, also reproduced adequately the observed amplifications. The participants were then expected to predict the structural response under strong ground motions (stage #3), which increased progressively up to a history recorded during the 1994 Northridge earthquake, followed by an aftershock. These results were produced using an explicit solver and a damaged plasticity model for the concrete, although an implicit solver with a smeared crack model was also investigated. The paper presents the conclusions of the pre-test exercise, as well as some observations from additional simulations conducted after the experimental results were made available.

Money Smart Week April 25-29, 2016

Join us the week of April 25-29, 2016 to celebrate Money Smart Week 2016. We have great guest speakers from the financial institutions around the region come to talk about finances. Be present for each event and be entered into a drawing to receive $500 towards your student loan balance! A variety of food will be provided at each event too. The event is 4pm -5pm Monday to Friday at Inman E. Page Library.

Trusted Tiny Things : Making Devices in Smart Cities More Transparent

Postprint

SMART, a simple modular architecture research tool: Identification of signaling domains

Accurate multiple alignments of 86 domains that occur in signaling proteins have been constructed and used to provide a Web-based tool (SMART: simple modular architecture research tool) that allows rapid identification and annotation of signaling domain sequences. The majority of signaling proteins are multidomain in character with a considerable variety of domain combinations known. Comparison with established databases showed that 25% of our domain set could not be deduced from SwissProt and 41% could not be annotated by Pfam. SMART is able to determine the modular architectures of single sequences or genomes; application to the entire yeast genome revealed that at least 6.7% of its genes contain one or more signaling domains, approximately 350 greater than previously annotated. The process of constructing SMART predicted (i) novel domain homologues in unexpected locations such as band 4.1-homologous domains in focal adhesion kinases; (ii) previously unknown domain families, including a citron-homology domain; (iii) putative functions of domain families after identification of additional family members, for example, a ubiquitin-binding role for ubiquitin-associated domains (UBA); (iv) cellular roles for proteins, such predicted DEATH domains in netrin receptors further implicating these molecules in axonal guidance; (v) signaling domains in known disease genes such as SPRY domains in both marenostrin/pyrin and Midline 1; (vi) domains in unexpected phylogenetic contexts such as diacylglycerol kinase homologues in yeast and bacteria; and (vii) likely protein misclassifications exemplified by a predicted pleckstrin homology domain in a Candida albicans protein, previously described as an integrin.

A few autoreactive cells in an autoimmune infiltrate control a vast population of nonspecific cells: a tale of smart bombs and the infantry.

Inflammatory infiltrates in tissue-specific autoimmune disease comprise a collection of T cells with specificity for an antigen in the target organ. These specific cells recruit a population of nonspecific T cells and macrophages. The rare tissue-specific T cells in the infiltrate have the capacity to regulate both the influx and the efflux of cells from the tissue. Administration of an altered peptide ligand for the specific T cell which triggers autoimmunity can lead to the regression of the entire inflammatory ensemble in a few hours. Interleukin 4 is a critical cytokine involved in the regression of the inflammatory infiltrate.

Molecular approaches to smart materials via interface recognition and conformationally switchable cavitands

In this thesis the molecular level design of functional materials and systems is reported. In the first part, tetraphosphonate cavitand (Tiiii) recognition properties towards amino acids are studied both in the solid state, through single crystal X-ray diffraction, and in solution, via NMR and ITC experiments. The complexation ability of these supramolecular receptors is then applied to the detection of biologically remarkable N-methylated amino acids and peptides using complex dynamic emulsions-based sensing platforms. In the second part, a general supramolecular approach for surface decoration with single-molecule magnets (SMMs) is presented. The self-assembly of SMMs is achieved through the formation of a multiple hydrogen bonds architecture (UPy-NaPy complexation). Finally we explore the possibility to impart auxetic behavior to polymeric material through the introduction of conformationally switchable monomers, namely tetraquinoxaline cavitands (QxCav). Their interconversion from a closed vase conformation to an extended kite form is studied first in solution, then in polymeric matrixes via pH and tensile stimuli by UV-Vis spectroscopy.

Analysis of the spectral response of fractal antennas related with its geometry and current paths

Fractal antennas have been proposed to improve the bandwidth of resonant structures and optical antennas. Their multiband characteristics are of interest in radiofrequency and microwave technologies. In this contribution we link the geometry of the current paths built-in the fractal antenna with the spectral response. We have seen that the actual currents owing through the structure are not limited to the portion of the fractal that should be geometrically linked with the signal. This fact strongly depends on the design of the fractal and how the different scales are arranged within the antenna. Some ideas involving materials that could actively respond to the incoming radiation could be of help to spectrally select the response of the multiband design.

Detectivity comparison of bolometric optical antennas

The practical application of optical antennas in detection devices strongly depends on its ability to produce an acceptable signal-to-noise ratio for the given task. It is known that, due to the intrinsic problems arising from its sub-wavelength dimensions, optical antennas produce very small signals. The quality of these signals depends on the involved transduction mechanism. The contribution of different types of noise should be adapted to the transducer and to the signal extraction regime. Once noise is evaluated and measured, the specific detectivity, D*, becomes the parameter of interest when comparing the performance of antenna coupled devices with other detectors. However, this parameter involves some magnitudes that can be defined in several ways for optical antennas. In this contribution we are interested in the evaluation and comparison of D_ values for several bolometric optical antennas working in the infrared and involving two materials. At the same time, some material and geometrical parameters involved in the definition of noise and detectivity will be discussed to analyze the suitability of D_ to properly account for the performance of optical antennas.