Estudio y aplicación de redes neuronales artificiales al análisis y diseño de antenas reflectarrays

En los últimos años, estamos siendo testigos de la alta implantación en la sociedad de dispositivos de comunicación. Lo que hace años estaba reservado a un público reducido, con claras necesidades en comunicación, se ha trasladado al público general, dado la amplia variedad de servicios que sobre los nuevos medios de comunicación se han desarrollado. De hecho, el mayor tráfico de datos en la actualidad no se produce al hilo de necesidades de máxima importancia, sino como producto de nuevos hábitos cotidianos. En este contexto de renovación tecnológica constante en busca de la eficiencia, las antenas reflectoras reflectarray (o, simplemente, los reflectarrays, RAs, [1]) se presentan como una opción competitiva contra los reflectores parabólicos metálicos. En su versión más simple, una antena reflectarray se trata de una estructura compuesta de un elemento alimentador radiante, como puede ser una bocina, y de una superficie plana, consistente en multitud de elementos individuales dispuestos en una rejilla periódica. Sobre esta superficie plana, los frentes de onda provenientes del alimentador son reflejados formando frentes de ondas planas, de una manera análoga a como lo hace un reflector parabólico. A partir de la configuración inicial, y centrándose en el principio de funcionamiento, se ha ido modificando el tipo de elemento RA empleado, consiguiendo RA cada vez más operativos. Es, sobre todo, con el nacimiento de la tecnología impresa cuando las antenas RAs vuelven a cobrar interés. Aunque el uso de tecnología impresa supuso un gran impulso en los RAs, también abrió otros desafíos en lo que al diseño de ellos se refiere. Desde el punto de vista del análisis, es común suponer que el elemento RA se encuentra en un ambiente infinitamente periódico, de forma que se puedan aplicar las condiciones de contorno de Floquet (suposición de periodicidad local). Desde un punto de vista funcional, en general, los elementos RA de tecnología impresa presentan un ancho de banda reducido, que condiciona el ancho de banda del RA completo. Entre las soluciones aportadas, es comúnmente aceptado que las estructuras multicapa, con resonadores a distintas frecuencias cercanas, pueden mitigar en parte el problema del ancho de banda. Por ello, en la actualidad, los elementos RA más comunes están compuestos por varios elementos resonadores, cuyas dimensiones constituyen los parámetros de diseño libres. Es decir, en función de dichas dimensiones, el elemento RA tendrá un valor del coeficiente de reflexión u otro. Esto supone un aumento en la complejidad a la hora de analizar dicho elemento por los métodos numéricos conocidos, como el Método de los Momentos (MoM) o el Método de Elementos Finitos (FEM, por las siglas de su traducción inglesa Finite Element Method), que redundará en un mayor tiempo de cómputo en el análisis. Por otra parte, como se muestra en la Figura R.1, el diseño de un RA conlleva analizar multitud de veces el elemento RA considerado. En efecto, se trata de un método de diseño indirecto, en donde las dimensiones de los parámetros geométricos libres de cada elemento RA se obtienen de manera iterativa usando un optimizador. Se ve claro, entonces, que el aumento en tiempo de análisis del elemento RA repercute en gran medida en el tiempo de diseño total, por lo que una reducción en el tiempo de análisis del elemento RA podría ser muy beneficioso. Uno de los métodos para conseguir reducir el tiempo de diseño de un RA, que se puede encontrar en la literatura, es emplear un modelo de la respuesta del elemento RA en función de los parámetros libres. La cuestión que aflora es cuál es la herramienta idónea para modelar la respuesta del elemento RA. En los últimos años se han propuestos varias formas. La primera de ellas consistía en encontrar un equivalente circuital. Esta aproximación está bien extendida para otras estructuras EM, donde los equivalentes circuitales con componentes LC ofrecen respuestas muy precisas con respecto a las que ofrecen las estructuras EM en sí. A raíz del carácter no lineal de la respuesta, hay autores que han propuesto para el diseño de RAs la creación de tablas de datos (look up tables) que, para cada parámetro de diseño de interés (suele ser el desfase introducido por el elemento) guardan las dimensiones de los parámetros geométricos libres asociados. De esta forma, consiguen un diseño rápido, pero poco versátil, ya que la tabla ofrece un único valor para cada entrada, por lo que es difícil jugar con más de una restricción de diseño. Más recientemente, se está comenzando a utilizar, para la caracterización de estructuras EM, unos sistemas llamados Redes Neuronales Artificiales (ANN, por sus siglas en inglés Artificial Neural Network). El uso fundamental de los mismos en EM es el de servir como interpoladores no lineales. Se trata de sistemas que admiten múltiples parámetros de entradas y múltiples parámetros de salida. Antes de poder ser usados como interpoladores, deben ser entrenados. Para ello, necesitan de un conjunto de pares de los parámetros de entrada a la red, con los valores de las salidas asociados. Algunos usos en electromagnetismo de las ANNs que se pueden encontrar en la literatura son: el modelado de filtros; la caracterización de dispositivos activos; la obtención de modelos que aceleran los algoritmos que calculan la dirección de llegada en antenas de radar; o el diseño de arrays de antenas. Volviendo al modelado de elementos RA, en este trabajo haremos uso de las ANNs para caracterizar distintos tipos de elementos RA. A lo largo de estos últimos años, se ha considerado esta posibilidad como una de las más prometedoras. De hecho, podemos encontrar algunas pocas referencias al respecto, varias de las cuales han sido publicadas por distintos autores durante la elaboración del trabajo recogido en esta Tesis. Como veremos, los resultados que vamos a presentar aportan novedades con respecto a la citada literatura. Particularmente, en este trabajo se ha realizado la caracterización de un elemento RA de tres capas, considerando hasta 9 parámetros de entrada (seis parámetros geométricos, las dos coordenadas del ángulo de incidencia, y la frecuencia) y 4 parámetros de salida complejos (los coeficientes de reflexión para dos polarizaciones ortogonales lineales). Haciendo uso de esta caracterización en el flujo de diseño de RAs, se ha realizado el análisis y el diseño de varias antenas RA con restricciones de diseño de comunicaciones espaciales. Los resultados fueron exitosos comparados con los resultados obtenidos por los métodos tradicionales. De manera puntualizada, podríamos resumir las aportaciones que se verán en esta Tesis como: Caracterización de distintos elementos RA mediante ANNs basadas en el Perceptrón Multicapa (MLP). En concreto, se ha realizado con éxito la caracterización de un elemento RA de parche acoplado a línea de retardo a través de apertura; la caracterización de un elemento RA basado en dipolos sobre substratos de distintas características eléctricas en el rango de centenas de GHz; y la caracterización de un elemento RA basado en 3 parches apilados, con 9 parámetros libres en su caracterización. Uso del FEM, de la técnica de segmentación en subdominios y de la generación y manipulación de accesos MAM para el análisis y la caracterización de elementos RA mediante ANNs. Desarrollo de una nueva técnica de obtención de muestras, para el caso de estructura multicapa cuyo estudio EM se pueda dividir en dos pasos: estudio de cada capa y conexión de capas. De esta forma, se ha podido reducir en varios órdenes de magnitud el tiempo necesario para obtener el set de entrenamiento de las ANNs. Valoración del uso de distintos métodos de entrenamiento de segundo orden para el entrenamiento de redes ANN MLP, en la caracterización de elementos RA. Desarrollo de una nueva técnica para realizar el entrenamiento de redes ANNs basadas en el MLP, denominada como Entrenamiento en Cascada. Dado el alto número de parámetros a caracterizar, era difícil conseguir una red que, partiendo del número de entradas deseado, proporcionara convergencia con precisión suficiente. Con el algoritmo propuesto y probado en esta Tesis, se consiguió entrenar redes de 8 parámetros de entradas (el noveno parámetro, la frecuencia, correspondía a redes diferentes para cada valor) con gran precisión. Desarrollo de un método adaptativo para mejorar la precisión de las ANNs en el análisis de antenas RA. Este método, basado en re-entrenar las ANNs para sub rangos de los parámetros de entrada en donde el error es mayor, aporta una precisión mayor, al mejorar el entrenamiento global de las ANNs, en un tiempo aceptable, ya que solo se incluyen nuevas muestras en torno a los valores donde el error es mayor. Análisis de antena RA completa, con cobertura según especificaciones de la misión AMAZONAS (haz conformado, banda Ku), usando las caracterización el elemento RA obtenida mediante ANNs. La mejora en tiempo de análisis conseguida con respecto al uso del MoM está en un factor 102, con precisiones comparables. Diseño de antenas RA completas, con especificaciones de haz pincel y EuTELSAT (banda Ku). De nuevo, la mejora en tiempo de diseño conseguida están en torno a 102. De todos los puntos anteriores, son de destacar los dos últimos, que forman el objetivo principal de esta Tesis. Esto es, el uso de modelos rápidos de elementos RA mediante ANNs para el análisis y el diseño de antenas para comunicaciones por satélite.

Propuesta didáctica : indicaciones metodológicas para el tratamiento de diferencias individuales en un grupo heterogéneo

Tesis (Maestría en Enseñanza de las Ciencias con Especialidad en Metemáticas

Modelos matemáticos con aplicación a la docencia

Tesis (Maestría en Ciencias de la Administración con Especialidad en Finanzas) U.A.N.L. Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, 1997

Propuesta didáctica metodología para elevar los niveles de profundidad del conocimiento [por] Marco Tulio Triana Contreras

Tesis (Maestría en la Enseñanza de las Ciencias con Especialidad en Matemáticas) U.A.N.L.

Propuesta didáctica estrategias para el desarrollo de la habilidad de representación gráfica [por] Marco Antonio Lerma Hernández

Tesis (Maestría en la Enseñanza de las Ciencias con Especialidad en Matemáticas) U.A.N.L.

Propuesta didáctica resolución de problemas en el álgebra de preparatoria [por] Sergio Antonio Benavides Nájera

Tesis (Maestría en la Enseñanza de la Ciencia con Especialidad en Matemáticas) U.A.N.L.

Propuesta didáctica sistema de tareas para el aprendizaje significativo en matematicas III, en las condiciones de la Preparatoria 15 de la U.A.N.L. [por] Silvia Graciela Villarreal González

Tesis (Maestría en la Enseñanza de las Ciencias con Especialidad en Matemáticas) U.A.N.L.

Propuesta didáctica tratamiento metodológico para el tema de función de F.I.M.E. [por] Laura García Quiroga

Tesis (Maestría en la Enseñanza de las Ciencias con Especialidad en Matemáticas) U.A.N.L.

L'education fondée sur la science

UANL

Introducción al dossier : de las matemáticas como conocimiento lógico a las matemáticas como conocimiento sociocultural : implicaciones para el estudio de la adquisición y enseñanza del número.

Resumen tomado de la publicación

Reunión en Madrid de la Comisión Internacional para el estudio y mejoramiento de la enseñanza de las Matemáticas.

Crónica de los actos acontecidos en la Reunión de la Comisión Internacional para el estudio y mejora de la enseñanza de las matemáticas, celebrada entre el 21 y el 27 del mes de abril en el Instituto San Isidro de Madrid, en la que participaron profesores de Alemania, Bélgica, Francia, Gran Bretaña, Italia, Portugal, Suiza, Uruguay, Yugoslavia y España. Esta reunión tuvo gran importancia no solo por el número de participantes, más de 50 profesores extranjeros y cerca de 200 españoles, representantes de la enseñanza oficial y privada y también porque era la primera vez que se celebraba en la ciudad de Madrid. El tema general del Congreso fue 'El material de enseñanza' y los trabajos que se presentaron fueron: 1. Conferencias. 2. Trabajos de seminario de las subcomisiones. 3. Proyección de films matemáticos. 4. Clases experimentales. 5. Visitas a la exposición.

La computación y la enseñanza de las matemáticas

Tesis ( Maestría en Informática Administrativa) U.A.N.L.

Estudio y desarrollo interdisciplinar en las áreas de expresión -Lengua, Idiomas, Matemáticas, Plástica y Experiencias Sociales y Naturales- en los niveles de séptimo y octavo de EGB.

Conseguir del alumno una visión de bloque único en sus estudios de EGB, que perciba los objetivos y situaciones que se presentan en el tema de forma global, prepararle en actitudes, destrezas, hábitos, para que pueda desenvolverse en la variedad de situaciones que la vida le depare. Alumnos de séptimo y octavo de EGB del colegio Baudilio Arce de Oviedo. Para el desarrollo de la experiencia se distribuyen en: grupo pequeño con un alumno coordinador, gran grupo que abarca todo el aula, individualmente. El proceso metodológico abarca tres fases fundamentales: presentación del tema y motivación, diálogo, trabajo de objetivos y contenidos interdisciplinares individualmente o en grupos, evaluación y elaboración del informe. Los temas que son objeto de este trabajo interdisciplinar son los siguientes: la tierra, relieve y estructura, historia geológica; el trabajo y la industria, su repercusión ambiental y social; etc. para octavo curso. La atmósfera y el tiempo meteorológico; la energía y sus formas; el suelo, cultivos y vegetación; para séptimo curso. Salidas didácticas, fichas de observación, discusión en grupos, instrumentos de laboratorio, material bibliográfico, pruebas escritas y orales, encuestas de actitudes de cara al trabajo y al estudio, escalas de estimación en las actitudes de conducta. Porcentajes para expresar los resultados de las evaluaciones, estos se representan en diagramas circulares, diagramas de barras. Iguales técnicas fueron utilizadas para la expresión de los resultados de la encuesta realizada. Los aspectos que el alumnado que participó en este tipo de trabajo considera positivos son: la facilidad para comprender mejor los temas, el interés por el entorno, la mayor coordinación entre el profesorado, la realización de salidas didácticas y los trabajos que se realizan en torno a ellas para la elaboración del cuaderno didáctico, el que se favorezca la convivencia profesor alumno. Hay muchos alumnos que piden que se potencien más las salidas y que se amplie el número de temas dados de forma interdisciplinar. Se ve que es positiva la realización de los temas interdisciplinares para la educación, sobre todo por los aspectos no cognoscitivos que parece que se logra con ello. Se pone de manifiesto la necesidad de una reflexión en torno a la forma y el modo de mejorar el tipo de examen y evaluación continua en el proceso de la educación.

Elaboración de unidades temáticas destinadas al estudio y relación de las Matemáticas con la Arquitectura.

Se realiza en la E.T.S. de Arquitectura de la Universidad de Valladolid, para la titulación que se imparten en este Centro. El equipo está formado por seis profesores. Objetivos: utilizar nuevas tecnologías para estudiar las relaciones de las Matemáticas con el proyecto arquitectónico y urbano. Fomentar e incentivar el trabajo en grupo tanto por parte de los alumnos como por parte del equipo investigador. Elaborar unidades temáticas y prácticas de matemáticas, analizando construcciones arquitectónicas, prestando especial atención al Patrimonio de la Comunidad de Castilla y León. Realizar propuestas arquitectónicas nuevas, estudiando sus posibilidades geométricas. Sistemas de trabajo llevado a cabo: selección de programas informáticos adecuados a los problemas propuestos. Recopilación de material gráfico, planos, bocetos, fotografías, etc. Planteamiento y resolución clara y precisa de los temas planteados. Pensamos que el método ha favorecido el aprendizaje de los alumnos y su trabajo en equipo por el elevado contenido práctico y adecuado a su titulación. Un indicador de estas observaciones es el aumento de matrícula en las asignaturas optativas. Materiales elaborados: Unidades temáticas y propuesta de prácticas en soporte papel, sin publicar todavía por falta de recursos.