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.

Análisis de reflectores en MatLab

Sabor, Software de Análisis de BOcinas y Reflectores, es una herramienta didáctica la cual es utilizada en los laboratorios de la escuela para realizar prácticas de la asignatura Antenas y Compatibilidad Electromagnética, esta herramienta da a los alumnos una visión gráfica de lo que se enseña en clase de teoría de lo que son los campos en las aperturas de los reflectores. El proyector pretende sustituir al primer Sabor , ya que se queda obsoleto debido al sistema operativo, ya que funciona solo para Windows XP y con ordenadores de 32 bits, y también realizar mejoras y corregir errores de la versión anterior. El proyecto se ha desarrollado en Matlab que es un software matemático con grandes ventajas en cuanto a cálculo, desarrollo gráfico, y a la creación de nuevos algoritmos en su propio lenguaje y además está disponible para las plataformas Unix, Windows, Mac OSX y GNU/Linux. El objetivo del proyecto ha sido implementar, al igual que las versiones anteriores, cinco tipos de reflectores, como son: Parabólico, Offset, Cassegrain y los dos Dobles Offset, Cassegrain y Gregorian, y han sido analizados con un alimentador ideal ,cos-q, y por último los resultados obtenidos se han comparado con las versiones anteriores de Sabor, como son Sabor 3.0 y el primer Sabor. El proyecto consta de partes muy bien diferencias como son :  La interpretación correctas de las formulas que se han utilizado para la realización de este proyecto ,dichas formulas han sido las dadas por el proyecto fin de carrera titulado Sabor3.0 de Francisco Egea Castejón.  GUIDE, the graphical user interface development environment, con el que se creó: GUI, graphical user interface, que es la parte de Matlab dedicada a crear interfaces de usuario , herramienta utilizada para crear nuestras distintas ventanas dedicadas para la obtención de datos para analizar los distintos reflectores y para mostrar por pantalla los distintos resultados.  Programación Orientada a Objetos de Matlab y sus distintas propiedades como son la herencia lo cual es muy útil para ocupar menos memoria ya que con un único método podemos realizar distintos cálculos con los distintos reflectores, objetos, solo cambiando las propiedades de cada objeto  Y por último ha sido la realización de validación de los resultados con la ayuda de las versiones anteriores de Sabor, que están detallados en el capítulo 5 y la unión con bocinas del proyecto fin de carrera Análisis de Bocinas en Matlab de Javier Montero. Por otra parte tenemos las mejoras realizadas a las antiguas versiones como son: realización de registros que el usuario puede guardar y cargar con las distintas variables, también se ha realizado un fichero .txt en el que consta la amplitud del campo con su respectiva theta para que el usuario pueda visualizarlo en cualquier plataforma gráfica de datos como por ejemplo exel. ABSTRACT. Sabor, Software de Análisis de BOcinas y Reflectores, is a teaching tool, which is used to do laboratory practice in the subject of Antennas y Compatibilidad Electromagnética, this tool gives students a graphic view of the knowledge that are given in theory class in regard to aperture field of reflectors. This project intend to replace the first Sabor, because it is outdated, due to the operating system, because Sabor works only with Widows XP and computer with 32 bits, and to make improves and correct errors that were detected in the last version of Sabor too. This project has been carried out in Matlab, which is a mathematical software with high-level language for numerical computation, visualization and application development, and furthermore it is available to different platforms such as Unix, Windows ,Mac OSX and GNU/Linux This project has focused on implementing, the same as last versions, five kind of reflectors, such as : Parabolic, Offset, Cassegrain and two offset dual reflector Cassegrain y Gregorian ,and these were analysed with a cos-q ideal feed, and finally the results were checked with the versions of Sabor, as well as Sabor 3.0 and the first Sabor. This project consist of four parts:  The correct interpretation of the formulas , which were used to do this project, from the final project Sabor3.0 by Francisco Egea Castejón.  GUIDE, the graphical user interface development environment, tool that was used to create : GUI, graphical user interface, part of Matlab dedicated to create user interface.  Object Oriented Programming of Matlab and different properties like inheritance, that is very useful for saving memory space because with only one method we can analyse different kind of reflectors, object, only change the properties of the object.  At finally, the results were contrasted with the results from the previous versions and the link reflectors with horns from the final project Análisis de Bocinas en Matlab by Javier Montero. On the other hand, we have the improvements such as: registers and .txt file. The registers are used by user to save and load different variables and .txt file is useful because it allows to the user plotting in different platforms for example exel.

Efeito do laser de baixa intensidade no procedimento de expansão rápida da maxila

A proposta do presente estudo foi avaliar os efeitos do laser de baixa intensidade na regeneração óssea no procedimento de expansão rápida da maxila. Utilizou-se 27 indivíduos com média de idade de 10,2 anos, divididos em dois grupos: grupo laser (n=14), no qual se realizou a expansão rápida da maxila, associada ao laser e grupo sem laser (n=13), que realizou somente a expansão rápida da maxila. O protocolo de ativação do parafuso expansor foi de 1 volta completa no primeiro dia e ½ volta diária até a sobrecorreção. O laser utilizado foi o de diodo (TWIN Laser MMOptics®, São Carlos), seguindo o protocolo de aplicação: comprimento de onda de 780nm, potência de 40mW, densidade de 10J/cm2, em 10 pontos localizados ao redor da sutura palatina mediana. Os estágios de aplicação foram: L1 (do primeiro ao quinto dia de aplicação), L2 (travamento do parafuso e 3 dias seguidos), L3, L4 e L5 (após 7, 14 e 21 dias do L2, respectivamente). Radiografias oclusais da maxila foram realizadas com auxílio de uma escala de alumínio, para referencial densitométrico, em diferentes tempos: T1 (inicial), T2 (dia de travamento do parafuso), T3 (3 a 5 dias do T2), T4 (30 dias do T3), T5 (60 dias do T4). As radiografias foram digitalizadas e submetidas a um programa de imagem (Image Tool - UTHSCSA, Texas, USA), para mensuração da densidade óptica das áreas previamente selecionadas. Para realização do teste estatístico, utilizou-se a Análise de Covariância usando como covariável o tempo para a fase avaliada. Em todos os testes foi adotado nível de significância de 5% (p<0,05).Para o Grupo Laser, os dados mostram que houve uma queda significante de densidade durante a abertura do parafuso (T2-T1), um aumento significante da mesma no período final de avaliação (T5-T4), e um aumento também da densidade no período de regeneração propriamente dito (T5-T2), ou seja, a partir do momento em que finalizou a fase de abertura do parafuso expansor. Enquanto que no Grupo Sem Laser, a densidade não mostrou diferença estatisticamente significantemente em nenhum período analisado. Os resultados mostraram que o laser propiciou consideravelmente uma melhor abertura da sutura palatina mediana, além de influenciar no processo de regeneração óssea da sutura, acelerando seus processos de reparo.(AU)

Efeito do laser de baixa intensidade no procedimento de expansão rápida da maxila

A proposta do presente estudo foi avaliar os efeitos do laser de baixa intensidade na regeneração óssea no procedimento de expansão rápida da maxila. Utilizou-se 27 indivíduos com média de idade de 10,2 anos, divididos em dois grupos: grupo laser (n=14), no qual se realizou a expansão rápida da maxila, associada ao laser e grupo sem laser (n=13), que realizou somente a expansão rápida da maxila. O protocolo de ativação do parafuso expansor foi de 1 volta completa no primeiro dia e ½ volta diária até a sobrecorreção. O laser utilizado foi o de diodo (TWIN Laser MMOptics®, São Carlos), seguindo o protocolo de aplicação: comprimento de onda de 780nm, potência de 40mW, densidade de 10J/cm2, em 10 pontos localizados ao redor da sutura palatina mediana. Os estágios de aplicação foram: L1 (do primeiro ao quinto dia de aplicação), L2 (travamento do parafuso e 3 dias seguidos), L3, L4 e L5 (após 7, 14 e 21 dias do L2, respectivamente). Radiografias oclusais da maxila foram realizadas com auxílio de uma escala de alumínio, para referencial densitométrico, em diferentes tempos: T1 (inicial), T2 (dia de travamento do parafuso), T3 (3 a 5 dias do T2), T4 (30 dias do T3), T5 (60 dias do T4). As radiografias foram digitalizadas e submetidas a um programa de imagem (Image Tool - UTHSCSA, Texas, USA), para mensuração da densidade óptica das áreas previamente selecionadas. Para realização do teste estatístico, utilizou-se a Análise de Covariância usando como covariável o tempo para a fase avaliada. Em todos os testes foi adotado nível de significância de 5% (p<0,05).Para o Grupo Laser, os dados mostram que houve uma queda significante de densidade durante a abertura do parafuso (T2-T1), um aumento significante da mesma no período final de avaliação (T5-T4), e um aumento também da densidade no período de regeneração propriamente dito (T5-T2), ou seja, a partir do momento em que finalizou a fase de abertura do parafuso expansor. Enquanto que no Grupo Sem Laser, a densidade não mostrou diferença estatisticamente significantemente em nenhum período analisado. Os resultados mostraram que o laser propiciou consideravelmente uma melhor abertura da sutura palatina mediana, além de influenciar no processo de regeneração óssea da sutura, acelerando seus processos de reparo.(AU)

Phenotypic switching in the human pathogenic fungus Cryptococcus neoformans is associated with changes in virulence and pulmonary inflammatory response in rodents

High-frequency reversible changes in colony morphology were observed in three strains of Cryptococcus neoformans. For one strain (SB4, serotype A), this process produced three colony types: smooth (S), wrinkled (W), and serrated (C). The frequency of switching between colony types varied for the individual colony transitions and was as high as 10−3. Mice infected with colony type W died faster than those infected with other colony types. The rat inflammatory response to infection with colony types S, W, and C was C > S > W and ranged from intense granulomatous inflammation with caseous necrosis for infection with type C to minimal inflammation for infection with type W. Infection with the various colony types was associated with different antibody responses to cryptococcal proteins in rats. Analysis of cellular characteristics revealed differences between the three colony types. High-frequency changes in colony morphology were also observed in two additional strains of C. neoformans. For one strain (24067A, serotype D) the switching occurred between smooth and wrinkled colonies. For the other strain (J32A, serotype A), the switching occurred between mucoid and nonmucoid colonies. The findings indicate that C. neoformans undergoes phenotypic switching and that this process can affect virulence and host inflammatory and immune responses. Phenotypic switching may play a role in the ability of this fungus to escape host defenses and establish chronic infections.

A new mechanism of sound generation in songbirds

Our current understanding of the sound-generating mechanism in the songbird vocal organ, the syrinx, is based on indirect evidence and theoretical treatments. The classical avian model of sound production postulates that the medial tympaniform membranes (MTM) are the principal sound generators. We tested the role of the MTM in sound generation and studied the songbird syrinx more directly by filming it endoscopically. After we surgically incapacitated the MTM as a vibratory source, zebra finches and cardinals were not only able to vocalize, but sang nearly normal song. This result shows clearly that the MTM are not the principal sound source. The endoscopic images of the intact songbird syrinx during spontaneous and brain stimulation-induced vocalizations illustrate the dynamics of syringeal reconfiguration before phonation and suggest a different model for sound production. Phonation is initiated by rostrad movement and stretching of the syrinx. At the same time, the syrinx is closed through movement of two soft tissue masses, the medial and lateral labia, into the bronchial lumen. Sound production always is accompanied by vibratory motions of both labia, indicating that these vibrations may be the sound source. However, because of the low temporal resolution of the imaging system, the frequency and phase of labial vibrations could not be assessed in relation to that of the generated sound. Nevertheless, in contrast to the previous model, these observations show that both labia contribute to aperture control and strongly suggest that they play an important role as principal sound generators.

Abscisic acid-induced stomatal closure mediated by cyclic ADP-ribose

Abscisic acid (ABA) is a plant hormone involved in the response of plants to reduced water availability. Reduction of guard cell turgor by ABA diminishes the aperture of the stomatal pore and thereby contributes to the ability of the plant to conserve water during periods of drought. Previous work has demonstrated that cytosolic Ca2+ is involved in the signal transduction pathway that mediates the reduction in guard cell turgor elicited by ABA. Here we report that ABA uses a Ca2+-mobilization pathway that involves cyclic adenosine 5′-diphosphoribose (cADPR). Microinjection of cADPR into guard cells caused reductions in turgor that were preceded by increases in the concentration of free Ca2+ in the cytosol. Patch clamp measurements of isolated guard cell vacuoles revealed the presence of a cADPR-elicited Ca2+-selective current that was inhibited at cytosolic Ca2+ ≥ 600 nM. Furthermore, microinjection of the cADPR antagonist 8-NH2-cADPR caused a reduction in the rate of turgor loss in response to ABA in 54% of cells tested, and nicotinamide, an antagonist of cADPR production, elicited a dose-dependent block of ABA-induced stomatal closure. Our data provide definitive evidence for a physiological role for cADPR and illustrate one mechanism of stimulus-specific Ca2+ mobilization in higher plants. Taken together with other recent data [Wu, Y., Kuzma, J., Marechal, E., Graeff, R., Lee, H. C., Foster, R. & Chua, N.-H. (1997) Science 278, 2126–2130], these results establish cADPR as a key player in ABA signal transduction pathways in plants.

Guard Cells Possess a Calcium-Dependent Protein Kinase That Phosphorylates the KAT1 Potassium Channel1

Increasing evidence suggests that changes in cytosolic Ca2+ levels and phosphorylation play important roles in the regulation of stomatal aperture and as ion transporters of guard cells. However, protein kinases responsible for Ca2+ signaling in guard cells remain to be identified. Using biochemical approaches, we have identified a Ca2+-dependent protein kinase with a calmodulin-like domain (CDPK) in guard cell protoplasts of Vicia faba. Both autophosphorylation and catalytic activity of CDPK are Ca2+ dependent. CDPK exhibits a Ca2+-induced electrophoretic mobility shift and its Ca2+-dependent catalytic activity can be inhibited by the calmodulin antagonists trifluoperazine and N-(6-aminohexyl)-5-chloro-1-naphthalenesulfonamide. Antibodies to soybean CDPKα cross-react with CDPK. Micromolar Ca2+ concentrations stimulate phosphorylation of several proteins from guard cells; cyclosporin A, a specific inhibitor of the Ca2+-dependent protein phosphatase calcineurin enhances the Ca2+-dependent phosphorylation of several soluble proteins. CDPK from guard cells phosphorylates the K+ channel KAT1 protein in a Ca2+-dependent manner. These results suggest that CDPK may be an important component of Ca2+ signaling in guard cells.

The cranium of Parapithecus grangeri, an Egyptian Oligocene anthropoidean primate

A nearly complete skull of Parapithecus grangeri from the early Oligocene of Egypt is described. The specimen is relatively undistorted and is undoubtedly the most complete higher primate skull yet found in the African Oligocene, which also makes it the most complete Oligocene primate cranium worldwide. Belonging in superfamily Parapithecoidea, a group regarded by some as the sister group to all other Anthropoidea, this skull reveals important information about the radiation of stem anthropoideans. This cranium is about 15% larger than size estimates based on a fragmentary cranium of its contemporary and close relative Apidium phiomense. It is about the same size as that of the gray gentle lemur, Hapalemur griseus, or of platyrrhines such as the owl monkey, Aotus trivirgatus, or the titi monkey, Callicebus torquatus. Comparatively small orbits and size differences in jaws and teeth show it was both diurnal and dimorphic. This is the only specimen of the species that shows (from sockets) that there were four small upper incisors. Several mandibular specimens of the species establish that there were no permanent lower incisors and that the symphysis was fused. Like other early anthropoideans this species possessed a lower encephalization quotient and less-developed orbital frontality than later anthropoideans. There is full postorbital closure and fusion of the metopic suture, and the ectotympanic forms a rim to the auditory aperture. A probable frontal/alisphenoid contact is a potentially derived resemblance to Catarrhini. A proposed separate genus for the species P. grangeri is not sustained.

The ionized gas in the CALIFA early-type galaxies I. Mapping two representative cases: NGC 6762 and NGC 5966

As part of the ongoing CALIFA survey, we have conducted a thorough bidimensional analysis of the ionized gas in two E/S0 galaxies, NGC 6762 and NGC 5966, aiming to shed light on the nature of their warm ionized ISM. Specifically, we present optical (3745–7300 Å) integral field spectroscopy obtained with the PMAS/PPAK integral field spectrophotometer. Its wide field-of-view (1′ × 1′) covers the entire optical extent of each galaxy down to faint continuum surface brightnesses. To recover the nebular lines, we modeled and subtracted the underlying stellar continuum from the observed spectra using the STARLIGHT spectral synthesis code. The pure emission-line spectra were used to investigate the gas properties and determine the possible sources of ionization. We show the advantages of IFU data in interpreting the complex nature of the ionized gas in NGC 6762 and NGC 5966. In NGC 6762, the ionized gas and stellar emission display similar morphologies, while the emission line morphology is elongated in NGC 5966, spanning ~6 kpc, and is oriented roughly orthogonal to the major axis of the stellar continuum ellipsoid. Whereas gas and stars are kinematically aligned in NGC 6762, the gas is kinematically decoupled from the stars in NGC 5966. A decoupled rotating disk or an “ionization cone” are two possible interpretations of the elongated ionized gas structure in NGC 5966. The latter would be the first “ionization cone” of such a dimension detected within a weak emission-line galaxy. Both galaxies have weak emission-lines relative to the continuum[EW(Hα) ≲ 3 Å] and have very low excitation, log([OIII]λ5007/Hβ) ≲ 0.5. Based on optical diagnostic ratios ([OIII]λ5007/Hβ, [NII]λ6584/Hα, [SII]λ6717, 6731/Hα, [OI]λ6300/Hα), both objects contain a LINER nucleus and an extended LINER-like gas emission. The emission line ratios do not vary significantly with radius or aperture, which indicates that the nebular properties are spatially homogeneous. The gas emission in NGC 6762 can be best explained by photoionization by pAGB stars without the need of invoking any other excitation mechanism. In the case of NGC 5966, the presence of a nuclear ionizing source seems to be required to shape the elongated gas emission feature in the “ionization cone” scenario, although ionization by pAGB stars cannot be ruled out. Further study of this object is needed to clarify the nature of its elongated gas structure.

Method for the characterization of Fresnel lens flux transfer performance

Fresnel lenses and other faceted or micro-optic devices are increasingly used in multiple applications like solar light concentrators and illumination devices, just to name some representative. However, it seems to be a certain lack of adequate techniques for the assessment of the performance of final fabricated devices. As applications are more exigent this characterization is a must. We provide a technique to characterize the performance of Fresnel lenses, as light collection devices. The basis for the method is a configuration where a camera images the Fresnel lens aperture. The entrance pupil of the camera is situated at the focal spot or the conjugate of a simulated solar source. In this manner, detailed maps of the performance of different Fresnel lenses are obtained for different acceptance angles.

Aproximação facial forense: relação entre as estruturas ósseas e a porção inferior do nariz

Este trabalho teve o propósito de avaliar a relação entre a cartilagem alar e a abertura piriforme a partir de imagens de tomografia computadorizada cone-beam e a relação do nariz com o padrão esquelético vertical da face. A pesquisa foi realizada com 96 imagens de indivíduos de ambos os sexos (49 masculino e 47 feminino), com idades entre 18 e 65 anos classificados de acordo com sua tipologia facial. Para a realização das marcações e mensurações de interesse foi utilizado o software OsiriX. A tipologia facial foi acessada através de três metodologias: índice facial, ângulo goníaco e proporção entre as alturas faciais. No corte axial da imagem de tomografia computadorizada, foram aferidas quatro grandezas lineares: largura do nariz externo, distância entre as inserções alares, extensão da base da abertura piriforme e máxima largura da abertura piriforme. Todas as grandezas foram mensuradas por dois examinadores em concordância. A análise dos resultados obtidos mostrou que há correlação entre as larguras do nariz externo e da abertura piriforme e entre a base da cavidade nasal e a distância entre as inserções alares. A largura da abertura piriforme aumenta proporcionalmente mais que a do nariz. Além disso, a tipologia facial longa associa-se à largura nasal.

Migração de solutos em basalto fraturado: quantificação experimental em laboratório e validação matemática

A avaliação do risco a contaminação e a escolha de técnicas de remediação de poluentes em aquíferos fraturados depende da quantificação dos fenômenos envolvidos no transporte de solutos. A geometria da fratura, usualmente caracterizada pela abertura, é o principal parâmetro que indiretamente controla o transporte nos aquíferos fraturados. A simplificação mais comum desse problema é assumir que as fraturas são um par de placas planas e paralelas, isto é, com uma abertura constante. No entanto, por causa do limitado número de trabalhos experimentais, não está esclarecida a adequabilidade do uso de uma abertura constante para simular o transporte conservativo em fraturas do Aquífero Serra Geral (ASG), Brasil. O objetivo deste trabalho é avaliar a influência da abertura de uma fratura natural do Aquífero Serra Geral sob o transporte conservativo de solutos. Uma amostra natural de basalto fraturado foi usada em um experimento hidráulico e de transporte de um traçador conservativo (escala de laboratório). O campo de abertura foi medido usando a técnica avançada, de alta resolução e tridimensional, chamada microtomografia computadorizada de raios-X. A concentração de traçador medida foi utilizada para validar uma solução analítica unidimensional da Equação de Advecção-dispersão (ADE). O desemprenho do ajuste da ADE às curvas de passagem experimentais foi avaliado para quatro diferentes tipos de aberturas constantes. Os resultados mostraram que o escoamento de água e o transporte de contaminantes pode ocorrer através de fraturas micrométricas, ocasionando, eventualmente, a contaminação do ASG. A abertura de balanço de massa é a única que pode ser chamada propriamente de \"abertura equivalente\". O uso de aberturas constantes na ADE não permitiu representar completamente o formato das curvas de passagem porque o campo de velocidade não é uniforme e intrinsicamente bidimensional. Portanto, na simulação do transporte deve-se incorporar a heterogeneidade da abertura da fratura.

Concepção de um receptor de cavidade para concentração de energia solar para aplicação em reatores químicos.

Este trabalho dimensionou um receptor de cavidade para uso como reator químico de um ciclo de conversão de energia solar para energia química. O vetor energético proposto é o hidrogênio. Isso implica que a energia solar é concentrada em um dispositivo que absorve a radiação térmica e a transforma em energia térmica para ativar uma reação química endotérmica. Essa reação transforma o calor útil em gás hidrogênio, que por sua vez pode ser utilizado posteriormente para geração de outras formas de energia. O primeiro passo foi levantar os pares metal/óxido estudados na literatura, cuja finalidade é ativar um ciclo termoquímico que possibilite produção de hidrogênio. Esses pares foram comparados com base em quatro parâmetros, cuja importância determina o dimensionamento de um receptor de cavidade. São eles: temperatura da reação; estado físico de reagentes e produtos; desgaste do material em ciclos; taxa de reação de hidrólise e outros aspectos. O par escolhido com a melhor avaliação no conjunto dos parâmetros foi o tungstênio e o trióxido de tungstênio (W/WO3). Com base na literatura, foi determinado um reator padrão, cujas características foram analisadas e suas consequências no funcionamento do receptor de cavidade. Com essa análise, determinaram-se os principais parâmetros de projeto, ou seja, a abertura da cavidade, a transmissividade da janela, e as dimensões da cavidade. Com base nos resultados anteriores, estabeleceu-se um modelo de dimensionamento do sistema de conversão de energia solar em energia útil para um processo químico. Ao se analisar um perfil de concentração de energia solar, calculou-se as eficiências de absorção e de perdas do receptor, em função da área de abertura de um campo de coleta de energia solar e da radiação solar disponível. Esse método pode ser empregado em conjunto com metodologias consagradas e dados de previsão de disponibilidade solar para estudos de concentradores de sistemas de produção de hidrogênio a partir de ciclos termoquímicos.

Performance of TerraSAR-X for urban subsidence monitoring: Murcia case study

This paper presents an analysis of the performance of TerraSAR-X for subsidence monitoring in urban areas. The city of Murcia has been selected as a test-site due to its high deformation rate and the set of extensometers deployed along the city that provide validation data. The obtained results have been compared with those obtained from ERS/ENVISAT data belonging to the same period and validated with the in-situ measurements.