Design and development of compact optical systems = Diseño y desarrollo de sistemas ópticos compactos

Esta tesis considera dos tipos de aplicaciones del diseño óptico: óptica formadora de imagen por un lado, y óptica anidólica (nonimaging) o no formadora de imagen, por otro. Las ópticas formadoras de imagen tienen como objetivo la obtención de imágenes de puntos del objeto en el plano de la imagen. Por su parte, la óptica anidólica, surgida del desarrollo de aplicaciones de concentración e iluminación, se centra en la transferencia de energía en forma de luz de forma eficiente. En general, son preferibles los diseños ópticos que den como resultado sistemas compactos, para ambos tipos de ópticas (formadora de imagen y anidólica). En el caso de los sistemas anidólicos, una óptica compacta permite tener costes de producción reducidos. Hay dos razones: (1) una óptica compacta presenta volúmenes reducidos, lo que significa que se necesita menos material para la producción en masa; (2) una óptica compacta es pequeña y ligera, lo que ahorra costes en el transporte. Para los sistemas ópticos de formación de imagen, además de las ventajas anteriores, una óptica compacta aumenta la portabilidad de los dispositivos, que es una gran ventaja en tecnologías de visualización portátiles, tales como cascos de realidad virtual (HMD del inglés Head Mounted Display). Esta tesis se centra por tanto en nuevos enfoques de diseño de sistemas ópticos compactos para aplicaciones tanto de formación de imagen, como anidólicas. Los colimadores son uno de los diseños clásicos dentro la óptica anidólica, y se pueden utilizar en aplicaciones fotovoltaicas y de iluminación. Hay varios enfoques a la hora de diseñar estos colimadores. Los diseños convencionales tienen una relación de aspecto mayor que 0.5. Con el fin de reducir la altura del colimador manteniendo el área de iluminación, esta tesis presenta un diseño de un colimador multicanal. En óptica formadora de imagen, las superficies asféricas y las superficies sin simetría de revolución (o freeform) son de gran utilidad de cara al control de las aberraciones de la imagen y para reducir el número y tamaño de los elementos ópticos. Debido al rápido desarrollo de sistemas de computación digital, los trazados de rayos se pueden realizar de forma rápida y sencilla para evaluar el rendimiento del sistema óptico analizado. Esto ha llevado a los diseños ópticos modernos a ser generados mediante el uso de diferentes técnicas de optimización multi-paramétricas. Estas técnicas requieren un buen diseño inicial como punto de partida para el diseño final, que será obtenido tras un proceso de optimización. Este proceso precisa un método de diseño directo para superficies asféricas y freeform que den como resultado un diseño cercano al óptimo. Un método de diseño basado en ecuaciones diferenciales se presenta en esta tesis para obtener un diseño óptico formado por una superficie freeform y dos superficies asféricas. Esta tesis consta de cinco capítulos. En Capítulo 1, se presentan los conceptos básicos de la óptica formadora de imagen y de la óptica anidólica, y se introducen las técnicas clásicas del diseño de las mismas. El Capítulo 2 describe el diseño de un colimador ultra-compacto. La relación de aspecto ultra-baja de este colimador se logra mediante el uso de una estructura multicanal. Se presentará su procedimiento de diseño, así como un prototipo fabricado y la caracterización del mismo. El Capítulo 3 describe los conceptos principales de la optimización de los sistemas ópticos: función de mérito y método de mínimos cuadrados amortiguados. La importancia de un buen punto de partida se demuestra mediante la presentación de un mismo ejemplo visto a través de diferentes enfoques de diseño. El método de las ecuaciones diferenciales se presenta como una herramienta ideal para obtener un buen punto de partida para la solución final. Además, diferentes técnicas de interpolación y representación de superficies asféricas y freeform se presentan para el procedimiento de optimización. El Capítulo 4 describe la aplicación del método de las ecuaciones diferenciales para un diseño de un sistema óptico de una sola superficie freeform. Algunos conceptos básicos de geometría diferencial son presentados para una mejor comprensión de la derivación de las ecuaciones diferenciales parciales. También se presenta un procedimiento de solución numérica. La condición inicial está elegida como un grado de libertad adicional para controlar la superficie donde se forma la imagen. Basado en este enfoque, un diseño anastigmático se puede obtener fácilmente y se utiliza como punto de partida para un ejemplo de diseño de un HMD con una única superficie reflectante. Después de la optimización, dicho diseño muestra mejor rendimiento. El Capítulo 5 describe el método de las ecuaciones diferenciales ampliado para diseños de dos superficies asféricas. Para diseños ópticos de una superficie, ni la superficie de imagen ni la correspondencia entre puntos del objeto y la imagen pueden ser prescritas. Con esta superficie adicional, la superficie de la imagen se puede prescribir. Esto conduce a un conjunto de tres ecuaciones diferenciales ordinarias implícitas. La solución numérica se puede obtener a través de cualquier software de cálculo numérico. Dicho procedimiento también se explica en este capítulo. Este método de diseño da como resultado una lente anastigmática, que se comparará con una lente aplanática. El diseño anastigmático converge mucho más rápido en la optimización y la solución final muestra un mejor rendimiento. ABSTRACT We will consider optical design from two points of view: imaging optics and nonimaging optics. Imaging optics focuses on the imaging of the points of the object. Nonimaging optics arose from the development of concentrators and illuminators, focuses on the transfer of light energy, and has wide applications in illumination and concentration photovoltaics. In general, compact optical systems are necessary for both imaging and nonimaging designs. For nonimaging optical systems, compact optics use to be important for reducing cost. The reasons are twofold: (1) compact optics is small in volume, which means less material is needed for mass-production; (2) compact optics is small in size and light in weight, which saves cost in transportation. For imaging optical systems, in addition to the above advantages, compact optics increases portability of devices as well, which contributes a lot to wearable display technologies such as Head Mounted Displays (HMD). This thesis presents novel design approaches of compact optical systems for both imaging and nonimaging applications. Collimator is a typical application of nonimaging optics in illumination, and can be used in concentration photovoltaics as well due to the reciprocity of light. There are several approaches for collimator designs. In general, all of these approaches have an aperture diameter to collimator height not greater than 2. In order to reduce the height of the collimator while maintaining the illumination area, a multichannel design is presented in this thesis. In imaging optics, aspheric and freeform surfaces are useful in controlling image aberrations and reducing the number and size of optical elements. Due to the rapid development of digital computing systems, ray tracing can be easily performed to evaluate the performance of optical system. This has led to the modern optical designs created by using different multi-parametric optimization techniques. These techniques require a good initial design to be a starting point so that the final design after optimization procedure can reach the optimum solution. This requires a direct design method for aspheric and freeform surface close to the optimum. A differential equation based design method is presented in this thesis to obtain single freeform and double aspheric surfaces. The thesis comprises of five chapters. In Chapter 1, basic concepts of imaging and nonimaging optics are presented and typical design techniques are introduced. Readers can obtain an understanding for the following chapters. Chapter 2 describes the design of ultra-compact collimator. The ultra-low aspect ratio of this collimator is achieved by using a multichannel structure. Its design procedure is presented together with a prototype and its evaluation. The ultra-compactness of the device has been approved. Chapter 3 describes the main concepts of optimizing optical systems: merit function and Damped Least-Squares method. The importance of a good starting point is demonstrated by presenting an example through different design approaches. The differential equation method is introduced as an ideal tool to obtain a good starting point for the final solution. Additionally, different interpolation and representation techniques for aspheric and freeform surface are presented for optimization procedure. Chapter 4 describes the application of differential equation method in the design of single freeform surface optical system. Basic concepts of differential geometry are presented for understanding the derivation of partial differential equations. A numerical solution procedure is also presented. The initial condition is chosen as an additional freedom to control the image surface. Based on this approach, anastigmatic designs can be readily obtained and is used as starting point for a single reflective surface HMD design example. After optimization, the evaluation shows better MTF. Chapter 5 describes the differential equation method extended to double aspheric surface designs. For single optical surface designs, neither image surface nor the mapping from object to image can be prescribed. With one more surface added, the image surface can be prescribed. This leads to a set of three implicit ordinary differential equations. Numerical solution can be obtained by MATLAB and its procedure is also explained. An anastigmatic lens is derived from this design method and compared with an aplanatic lens. The anastigmatic design converges much faster in optimization and the final solution shows better performance.

Optimización de aperturas mediante técnicas de algoritmos evolutivos

Los sistemas de imagen por ultrasonidos son hoy una herramienta indispensable en aplicaciones de diagnóstico en medicina y son cada vez más utilizados en aplicaciones industriales en el área de ensayos no destructivos. El array es el elemento primario de estos sistemas y su diseño determina las características de los haces que se pueden construir (forma y tamaño del lóbulo principal, de los lóbulos secundarios y de rejilla, etc.), condicionando la calidad de las imágenes que pueden conseguirse. En arrays regulares la distancia máxima entre elementos se establece en media longitud de onda para evitar la formación de artefactos. Al mismo tiempo, la resolución en la imagen de los objetos presentes en la escena aumenta con el tamaño total de la apertura, por lo que una pequeña mejora en la calidad de la imagen se traduce en un aumento significativo del número de elementos del transductor. Esto tiene, entre otras, las siguientes consecuencias: Problemas de fabricación de los arrays por la gran densidad de conexiones (téngase en cuenta que en aplicaciones típicas de imagen médica, el valor de la longitud de onda es de décimas de milímetro) Baja relación señal/ruido y, en consecuencia, bajo rango dinámico de las señales por el reducido tamaño de los elementos. Complejidad de los equipos que deben manejar un elevado número de canales independientes. Por ejemplo, se necesitarían 10.000 elementos separados λ 2 para una apertura cuadrada de 50 λ. Una forma sencilla para resolver estos problemas existen alternativas que reducen el número de elementos activos de un array pleno, sacrificando hasta cierto punto la calidad de imagen, la energía emitida, el rango dinámico, el contraste, etc. Nosotros planteamos una estrategia diferente, y es desarrollar una metodología de optimización capaz de hallar de forma sistemática configuraciones de arrays de ultrasonido adaptados a aplicaciones específicas. Para realizar dicha labor proponemos el uso de los algoritmos evolutivos para buscar y seleccionar en el espacio de configuraciones de arrays aquellas que mejor se adaptan a los requisitos fijados por cada aplicación. En la memoria se trata el problema de la codificación de las configuraciones de arrays para que puedan ser utilizados como individuos de la población sobre la que van a actuar los algoritmos evolutivos. También se aborda la definición de funciones de idoneidad que permitan realizar comparaciones entre dichas configuraciones de acuerdo con los requisitos y restricciones de cada problema de diseño. Finalmente, se propone emplear el algoritmo multiobjetivo NSGA II como herramienta primaria de optimización y, a continuación, utilizar algoritmos mono-objetivo tipo Simulated Annealing para seleccionar y retinar las soluciones proporcionadas por el NSGA II. Muchas de las funciones de idoneidad que definen las características deseadas del array a diseñar se calculan partir de uno o más patrones de radiación generados por cada solución candidata. La obtención de estos patrones con los métodos habituales de simulación de campo acústico en banda ancha requiere tiempos de cálculo muy grandes que pueden hacer inviable el proceso de optimización con algoritmos evolutivos en la práctica. Como solución, se propone un método de cálculo en banda estrecha que reduce en, al menos, un orden de magnitud el tiempo de cálculo necesario Finalmente se presentan una serie de ejemplos, con arrays lineales y bidimensionales, para validar la metodología de diseño propuesta comparando experimentalmente las características reales de los diseños construidos con las predicciones del método de optimización. ABSTRACT Currently, the ultrasound imaging system is one of the powerful tools in medical diagnostic and non-destructive testing for industrial applications. Ultrasonic arrays design determines the beam characteristics (main and secondary lobes, beam pattern, etc...) which assist to enhance the image resolution. The maximum distance between the elements of the array should be the half of the wavelength to avoid the formation of grating lobes. At the same time, the image resolution of the target in the region of interest increases with the aperture size. Consequently, the larger number of elements in arrays assures the better image quality but this improvement contains the following drawbacks: Difficulties in the arrays manufacturing due to the large connection density. Low noise to signal ratio. Complexity of the ultrasonic system to handle large number of channels. The easiest way to resolve these issues is to reduce the number of active elements in full arrays, but on the other hand the image quality, dynamic range, contrast, etc, are compromised by this solutions In this thesis, an optimization methodology able to find ultrasound array configurations adapted for specific applications is presented. The evolutionary algorithms are used to obtain the ideal arrays among the existing configurations. This work addressed problems such as: the codification of ultrasound arrays to be interpreted as individuals in the evolutionary algorithm population and the fitness function and constraints, which will assess the behaviour of individuals. Therefore, it is proposed to use the multi-objective algorithm NSGA-II as a primary optimization tool, and then use the mono-objective Simulated Annealing algorithm to select and refine the solutions provided by the NSGA I I . The acoustic field is calculated many times for each individual and in every generation for every fitness functions. An acoustic narrow band field simulator, where the number of operations is reduced, this ensures a quick calculation of the acoustic field to reduce the expensive computing time required by these functions we have employed. Finally a set of examples are presented in order to validate our proposed design methodology, using linear and bidimensional arrays where the actual characteristics of the design are compared with the predictions of the optimization methodology.

Sobre la solución del problema de la radiación electromagnética

En la presente Tesis Doctoral se propone una posible solución al problema de la radiación electromagnética. Este es un problema científico estudiado desde hace mucho tiempo y que hasta el presente no se ha podido resolver de manera exacta. Aquí se redefine nuevamente el problema y se plantea el mismo partiendo un modelo de radiador formado por dos placas planas circulares paralelas, que por sus reducidas dimensiones eléctricas, se considerará para el estudio como un dipolo simétrico corto. Se obtienen las soluciones de las ecuaciones de Maxwell para la radiación electromagnética emitida por dicho sistema y se propone lo que sería el principio de formación de las ondas electromagnéticas. Con ayuda de este se ofrece una posible interpretación de las soluciones obtenidas. Luego a dicho sistema se le realizan correcciones en sus dimensiones a fin de ajustar las soluciones obtenidas al caso real de un dipolo simétrico de media onda. Además se analiza de una manera sencilla la naturaleza material del campo electromagnético y su estructura, lo que hace posible proponer una manera original de comprender las ecuaciones de Maxwell. Finalmente se propone un modelo sencillo mediante el cual se puede demostrar la Ley de Planck para la distribución espectral de la energía electromagnética radiada por los cuerpos calientes, pero desde las soluciones de las ecuaciones de Maxwell para la radiación de las antenas. Con esto podría ser aceptado que la solución del problema de la radiación electromagnética es única tanto para las antenas como para los cuerpos calientes en la naturaleza. ABSTRACT In this PhD thesis a possible solution to the problem of electromagnetic radiation is proposed. This is a scientific problem which has been studied for a long time and to this day has still not exactly been solved. The problem is redefined here again and it is stated using a model formed by two flat parallel circular plates as the radiator system, which due to its reduced electrical dimensions will be considered for the study as a short symmetrical dipole. The solutions of the Maxwell equations for emitted electromagnetic radiation are obtained by said system, and that which could be the principle formation of electromagnetic waves is proposed. Using this principle, a possible interpretation of the solutions obtained is presented. Then the system will perform corrections in size to adjust the solutions obtained to the real case of a symmetrical half-wave dipole. The material nature of the electromagnetic field and its structure is also analyzed in a simple way, making it possible to present an original way to understand the Maxwell equations. Finally, a simple model which can be used to prove Planck's law of spectral distribution of the electromagnetic energy radiated by hot bodies is proposed, but parting from the solutions of the Maxwell equations for the antennas radiation. With this it could be accepted that the solution to the problem of electromagnetic radiation is unique to both antennas and hot bodies on nature.

La escalera de caracol con ojo a finales del S.XV y comienzos del S.XVI: el caso de la ciudad y tierra de Segovia

Este trabajo de investigación se ha centrado en la escalera de caracol con ojo también denominado caracol de mallorca, en sus primeras apariciones a finales del s.XV y comienzos del s.XVI durante el llamado periodo tardogótico. Este elemento aparentemente sencillo presenta, sin embargo, una gran diversidad de esquemas geométricos. Todavía a día de hoy, no hay explicación del por qué de la mayor difusión de unos con respecto a otros. El objetivo de este trabajo ha sido valorar el papel que el confort/seguridad de uso así como la economía en el trabajo –sencillez de ejecución y coste económico– tuvieron en el contexto de la difusión de este elemento arquitectónico. Este estudio ha analizado en base a estos criterios objetivos, la geometría de cada uno de los esquemas tipo que resuelven la formación del hueco central característico este tipo de escaleras, con la intención de determinar las causas objetivas que pudieron motivar la desigual expansión de los mismos. Una vez determinado el marco teórico, se han establecido dos líneas para abordar el problema. Por un lado se ha planteado el análisis de los modelos teóricos recogidos en los distintos textos de cantería escritos por autores españoles desde finales del s.XVI. Si bien en la época en que se escribieron, la arquitectura gótica como sistema había desaparecido, alguno de sus elementos más característicos, como la escalera de caracol, continuaban empleándose. Las trazas del caracol con ojo recogidas en estos textos, describen habitualmente las soluciones geométricas más frecuentes e incluso los ejemplos construidos más conocidos, los cuales fueron levantados en su mayoría en el período en el cual se desarrolla esta investigación. Por otro lado, este estudio se plantea el análisis de modelos construidos existentes en la Ciudad y Tierra de Segovia. La razón que justifica dichos límites geográficos, la encontramos en que la mayor parte del patrimonio gótico existente en este área fue construido entre finales del s.XV y comienzos del s. XVI. Ambos grupos, modelos teóricos y modelos construidos, recogen la herencia gótica heredada en la construcción de este elemento arquitectónico. Cada una de estas dos líneas establecidas han seguido una metodología específica adaptada al objeto de análisis, si bien ambas se basan en un primer análisis individual y posterior análisis comparativo de los modelos seleccionados. Estos análisis han permitido identificar los distintos esquemas empleados para resolver el hueco central, lo que ha posibilitado establecer una clasificación general de los mismos en tres grupos: caracol con ojo de solución radial, el caracol con ojo de solución no radial y el caracol con ojo de solución tangencial. A partir de los datos y resultados obtenidos del análisis comparativo de los parámetros geométricos que afectan al confort/seguridad de uso y economía en el trabajo de dichos esquemas, podemos concluir que a pesar que los tres esquemas identificados resuelven el caracol con ojo de forma muy similar, el predominio de la solución radial y la caída en el olvido de las soluciones tangencial y no radial estuvieron justificados. ABSTRACT This work focused on the helical staircase, also known as mallorca staircase, in the late 15th and the early 16th centuries. This seemingly simple element, presents however a wide variety of geometrical designs. Still to date, there is no explanation of why some of them were limited use, while others had a wide impact. The aim of this study was to assess the influence which comfort, safety and work economy –ease of construction and financial cost– had on their widespread. This study analysed, following these objective criteria, the geometry of the different designs, which solve the characteristic inner aperture of this type of staircase. And thus, find the reasons, which motivated their uneven spread. Once the theoretical framework was developed, two research lines were set up to address the problem. On one hand, this study analysed the theoretical helical staircases described in the early Spanish texts, which were written since the end of the 16th century. Although these texts were written after the Gothic Architecture system had already disappeared, some of its more representative elements like the helical staircase were still in use. The traces of the helical stair, which are included in these texts, describe the most frequently-used designs and even the most famous real examples which were usually constructed in the Late Gothic period. On the other hand, this study analysed some real helical staircases, which were constructed in the Ciudad y Tierra de Segovia. The reason for choosing these geographical limits is that most of the Gothic buildings of this area were constructed between the end of the 15th and the early 16th centuries, during the Late Gothic period. Both groups, theoretical and constructed samples, collect the Gothic construction tradition of the helical stair. Each of these research lines followed a specific methodology, which was adapted to the research object. Nevertheless, both are based on a first individual analysis of each selected example and a later on comparative one. These analysis allowed the identification of the different layouts which solve the inner aperture of the helical staircase, what made possible to set up a broad classification in three groups, according to the geometrical design strategy that solves the central aperture: the helical staircase by radial solution, the helical staircase by non-radial solution and the helical staircase by tangent solution. The research findings of the comparative analysis of their geometrical parameters, which have an impact in the comfort, safety and work economy, have shown that although all of them solve the helical staircase in a really similar way, the fade into oblivion of the non-radial and tangent approaches was objectively motivated.

Contribución al análisis eficiente y a la mejora de prestaciones de antenas reflectarray

El diseño de una antena reflectarray bajo la aproximación de periodicidad local requiere la determinación de la matriz de scattering de estructuras multicapa con metalizaciones periódicas para un gran número de geometrías diferentes. Por lo tanto, a la hora de diseñar antenas reflectarray en tiempos de CPU razonables, se necesitan herramientas númericas rápidas y precisas para el análisis de las estructuras periódicas multicapa. En esta tesis se aplica la versión Galerkin del Método de los Momentos (MDM) en el dominio espectral al análisis de las estructuras periódicas multicapa necesarias para el diseño de antenas reflectarray basadas en parches apilados o en dipolos paralelos coplanares. Desgraciadamente, la aplicación de este método numérico involucra el cálculo de series dobles infinitas, y mientras que algunas series convergen muy rápidamente, otras lo hacen muy lentamente. Para aliviar este problema, en esta tesis se propone un novedoso MDM espectral-espacial para el análisis de las estructuras periódicas multicapa, en el cual las series rápidamente convergente se calculan en el dominio espectral, y las series lentamente convergentes se calculan en el dominio espacial mediante una versión mejorada de la formulación de ecuaciones integrales de potenciales mixtos (EIPM) del MDM. Esta versión mejorada se basa en la interpolación eficiente de las funciones de Green multicapa periódicas, y en el cálculo eficiente de las integrales singulares que conducen a los elementos de la matriz del MDM. El novedoso método híbrido espectral-espacial y el tradicional MDM en el dominio espectral se han comparado en el caso de los elementos reflectarray basado en parches apilados. Las simulaciones numéricas han demostrado que el tiempo de CPU requerido por el MDM híbrido es alrededor de unas 60 veces más rápido que el requerido por el tradicional MDM en el dominio espectral para una precisión de dos cifras significativas. El uso combinado de elementos reflectarray con parches apilados y técnicas de optimización de banda ancha ha hecho posible diseñar antenas reflectarray de transmisiónrecepción (Tx-Rx) y polarización dual para aplicaciones de espacio con requisitos muy restrictivos. Desgraciadamente, el nivel de aislamiento entre las polarizaciones ortogonales en antenas DBS (típicamente 30 dB) es demasiado exigente para ser conseguido con las antenas basadas en parches apilados. Además, el uso de elementos reflectarray con parches apilados conlleva procesos de fabricación complejos y costosos. En esta tesis se investigan varias configuraciones de elementos reflectarray basadas en conjuntos de dipolos paralelos con el fin de superar los inconvenientes que presenta el elemento basado en parches apilados. Primeramente, se propone un elemento consistente en dos conjuntos apilados ortogonales de tres dipolos paralelos para aplicaciones de polarización dual. Se ha diseñado, fabricado y medido una antena basada en este elemento, y los resultados obtenidos para la antena indican que tiene unas altas prestaciones en términos de ancho de banda, pérdidas, eficiencia y discriminación contrapolar, además de requerir un proceso de fabricación mucho más sencillo que el de las antenas basadas en tres parches apilados. Desgraciadamente, el elemento basado en dos conjuntos ortogonales de tres dipolos paralelos no proporciona suficientes grados de libertad para diseñar antenas reflectarray de transmisión-recepción (Tx-Rx) de polarización dual para aplicaciones de espacio por medio de técnicas de optimización de banda ancha. Por este motivo, en la tesis se propone un nuevo elemento reflectarray que proporciona los grados de libertad suficientes para cada polarización. El nuevo elemento consiste en dos conjuntos ortogonales de cuatro dipolos paralelos. Cada conjunto contiene tres dipolos coplanares y un dipolo apilado. Para poder acomodar los dos conjuntos de dipolos en una sola celda de la antena reflectarray, el conjunto de dipolos de una polarización está desplazado medio período con respecto al conjunto de dipolos de la otra polarización. Este hecho permite usar solamente dos niveles de metalización para cada elemento de la antena, lo cual simplifica el proceso de fabricación como en el caso del elemento basados en dos conjuntos de tres dipolos paralelos coplanares. Una antena de doble polarización y doble banda (Tx-Rx) basada en el nuevo elemento ha sido diseñada, fabricada y medida. La antena muestra muy buenas presentaciones en las dos bandas de frecuencia con muy bajos niveles de polarización cruzada. Simulaciones numéricas presentadas en la tesis muestran que estos bajos de niveles de polarización cruzada se pueden reducir todavía más si se llevan a cabo pequeñas rotaciones de los dos conjuntos de dipolos asociados a cada polarización. ABSTRACT The design of a reflectarray antenna under the local periodicity assumption requires the determination of the scattering matrix of a multilayered structure with periodic metallizations for quite a large number of different geometries. Therefore, in order to design reflectarray antennas within reasonable CPU times, fast and accurate numerical tools for the analysis of the periodic multilayered structures are required. In this thesis the Galerkin’s version of the Method of Moments (MoM) in the spectral domain is applied to the analysis of the periodic multilayered structures involved in the design of reflectarray antennas made of either stacked patches or coplanar parallel dipoles. Unfortunately, this numerical approach involves the computation of double infinite summations, and whereas some of these summations converge very fast, some others converge very slowly. In order to alleviate this problem, in the thesis a novel hybrid MoM spectral-spatial domain approach is proposed for the analysis of the periodic multilayered structures. In the novel approach, whereas the fast convergent summations are computed in the spectral domain, the slowly convergent summations are computed by means of an enhanced Mixed Potential Integral Equation (MPIE) formulation of the MoM in the spatial domain. This enhanced formulation is based on the efficient interpolation of the multilayered periodic Green’s functions, and on the efficient computation of the singular integrals leading to the MoM matrix entries. The novel hybrid spectral-spatial MoM code and the standard spectral domain MoM code have both been compared in the case of reflectarray elements based on multilayered stacked patches. Numerical simulations have shown that the CPU time required by the hybrid MoM is around 60 times smaller than that required by the standard spectral MoM for an accuracy of two significant figures. The combined use of reflectarray elements based on stacked patches and wideband optimization techniques has made it possible to design dual polarization transmit-receive (Tx-Rx) reflectarrays for space applications with stringent requirements. Unfortunately, the required level of isolation between orthogonal polarizations in DBS antennas (typically 30 dB) is hard to achieve with the configuration of stacked patches. Moreover, the use of reflectarrays based on stacked patches leads to a complex and expensive manufacturing process. In this thesis, we investigate several configurations of reflectarray elements based on sets of parallel dipoles that try to overcome the drawbacks introduced by the element based on stacked patches. First, an element based on two stacked orthogonal sets of three coplanar parallel dipoles is proposed for dual polarization applications. An antenna made of this element has been designed, manufactured and measured, and the results obtained show that the antenna presents a high performance in terms of bandwidth, losses, efficiency and cross-polarization discrimination, while the manufacturing process is cheaper and simpler than that of the antennas made of stacked patches. Unfortunately, the element based on two sets of three coplanar parallel dipoles does not provide enough degrees of freedom to design dual-polarization transmit-receive (Tx-Rx) reflectarray antennas for space applications by means of wideband optimization techniques. For this reason, in the thesis a new reflectarray element is proposed which does provide enough degrees of freedom for each polarization. This new element consists of two orthogonal sets of four parallel dipoles, each set containing three coplanar dipoles and one stacked dipole. In order to accommodate the two sets of dipoles in each reflectarray cell, the set of dipoles for one polarization is shifted half a period from the set of dipoles for the other polarization. This also makes it possible to use only two levels of metallization for the reflectarray element, which simplifies the manufacturing process as in the case of the reflectarray element based on two sets of three parallel dipoles. A dual polarization dual-band (Tx-Rx) reflectarray antenna based on the new element has been designed, manufactured and measured. The antenna shows a very good performance in both Tx and Rx frequency bands with very low levels of cross-polarization. Numerical simulations carried out in the thesis have shown that the low levels of cross-polarization can be even made smaller by means of small rotations of the two sets of dipoles associated to each polarization.

New methods for the synthesis of radiation patterns of coupled antenna arrays = Nuevos métodos de síntesis de diagramas de radiación de agrupaciones de antenas acopladas

El principal objetivo de esta tesis es el desarrollo de métodos de síntesis de diagramas de radiación de agrupaciones de antenas, en donde se realiza una caracterización electromagnética rigurosa de los elementos radiantes y de los acoplos mutuos existentes. Esta caracterización no se realiza habitualmente en la gran mayoría de métodos de síntesis encontrados en la literatura, debido fundamentalmente a dos razones. Por un lado, se considera que el diagrama de radiación de un array de antenas se puede aproximar con el factor de array que únicamente tiene en cuenta la posición de los elementos y las excitaciones aplicadas a los mismos. Sin embargo, como se mostrará en esta tesis, en múltiples ocasiones un riguroso análisis de los elementos radiantes y del acoplo mutuo entre ellos es importante ya que los resultados obtenidos pueden ser notablemente diferentes. Por otro lado, no es sencillo combinar un método de análisis electromagnético con un proceso de síntesis de diagramas de radiación. Los métodos de análisis de agrupaciones de antenas suelen ser costosos computacionalmente, ya que son estructuras grandes en términos de longitudes de onda. Generalmente, un diseño de un problema electromagnético suele comprender varios análisis de la estructura, dependiendo de las variaciones de las características, lo que hace este proceso muy costoso. Dos métodos se utilizan en esta tesis para el análisis de los arrays acoplados. Ambos están basados en el método de los elementos finitos, la descomposición de dominio y el análisis modal para analizar la estructura radiante y han sido desarrollados en el grupo de investigación donde se engloba esta tesis. El primero de ellos es una técnica de análisis de arrays finitos basado en la aproximación de array infinito. Su uso es indicado para arrays planos de grandes dimensiones con elementos equiespaciados. El segundo caracteriza el array y el acoplo mutuo entre elementos a partir de una expansión en modos esféricos del campo radiado por cada uno de los elementos. Este método calcula los acoplos entre los diferentes elementos del array usando las propiedades de traslación y rotación de los modos esféricos. Es capaz de analizar agrupaciones de elementos distribuidos de forma arbitraria. Ambas técnicas utilizan una formulación matricial que caracteriza de forma rigurosa el campo radiado por el array. Esto las hace muy apropiadas para su posterior uso en una herramienta de diseño, como los métodos de síntesis desarrollados en esta tesis. Los resultados obtenidos por estas técnicas de síntesis, que incluyen métodos rigurosos de análisis, son consecuentemente más precisos. La síntesis de arrays consiste en modificar uno o varios parámetros de las agrupaciones de antenas buscando unas determinadas especificaciones de las características de radiación. Los parámetros utilizados como variables de optimización pueden ser varios. Los más utilizados son las excitaciones aplicadas a los elementos, pero también es posible modificar otros parámetros de diseño como son las posiciones de los elementos o las rotaciones de estos. Los objetivos de las síntesis pueden ser dirigir el haz o haces en una determinada dirección o conformar el haz con formas arbitrarias. Además, es posible minimizar el nivel de los lóbulos secundarios o del rizado en las regiones deseadas, imponer nulos que evitan posibles interferencias o reducir el nivel de la componente contrapolar. El método para el análisis de arrays finitos basado en la aproximación de array infinito considera un array finito como un array infinito con un número finito de elementos excitados. Los elementos no excitados están físicamente presentes y pueden presentar tres diferentes terminaciones, corto-circuito, circuito abierto y adaptados. Cada una de estas terminaciones simulará mejor el entorno real en el que el array se encuentre. Este método de análisis se integra en la tesis con dos métodos diferentes de síntesis de diagramas de radiación. En el primero de ellos se presenta un método basado en programación lineal en donde es posible dirigir el haz o haces, en la dirección deseada, además de ejercer un control sobre los lóbulos secundarios o imponer nulos. Este método es muy eficiente y obtiene soluciones óptimas. El mismo método de análisis es también aplicado a un método de conformación de haz, en donde un problema originalmente no convexo (y de difícil solución) es transformado en un problema convexo imponiendo restricciones de simetría, resolviendo de este modo eficientemente un problema complejo. Con este método es posible diseñar diagramas de radiación con haces de forma arbitraria, ejerciendo un control en el rizado del lóbulo principal, así como en el nivel de los lóbulos secundarios. El método de análisis de arrays basado en la expansión en modos esféricos se integra en la tesis con tres técnicas de síntesis de diagramas de radiación. Se propone inicialmente una síntesis de conformación del haz basado en el método de la recuperación de fase resuelta de forma iterativa mediante métodos convexos, en donde relajando las restricciones del problema original se consiguen unas soluciones cercanas a las óptimas de manera eficiente. Dos métodos de síntesis se han propuesto, donde las variables de optimización son las posiciones y las rotaciones de los elementos respectivamente. Se define una función de coste basada en la intensidad de radiación, la cual es minimizada de forma iterativa con el método del gradiente. Ambos métodos reducen el nivel de los lóbulos secundarios minimizando una función de coste. El gradiente de la función de coste es obtenido en términos de la variable de optimización en cada método. Esta función de coste está formada por la expresión rigurosa de la intensidad de radiación y por una función de peso definida por el usuario para imponer prioridades sobre las diferentes regiones de radiación, si así se desea. Por último, se presenta un método en el cual, mediante técnicas de programación entera, se buscan las fases discretas que generan un diagrama de radiación lo más cercano posible al deseado. Con este método se obtienen diseños que minimizan el coste de fabricación. En cada uno de las diferentes técnicas propuestas en la tesis, se presentan resultados con elementos reales que muestran las capacidades y posibilidades que los métodos ofrecen. Se comparan los resultados con otros métodos disponibles en la literatura. Se muestra la importancia de tener en cuenta los diagramas de los elementos reales y los acoplos mutuos en el proceso de síntesis y se comparan los resultados obtenidos con herramientas de software comerciales. ABSTRACT The main objective of this thesis is the development of optimization methods for the radiation pattern synthesis of array antennas in which a rigorous electromagnetic characterization of the radiators and the mutual coupling between them is performed. The electromagnetic characterization is usually overlooked in most of the available synthesis methods in the literature, this is mainly due to two reasons. On the one hand, it is argued that the radiation pattern of an array is mainly influenced by the array factor and that the mutual coupling plays a minor role. As it is shown in this thesis, the mutual coupling and the rigorous characterization of the array antenna influences significantly in the array performance and its computation leads to differences in the results obtained. On the other hand, it is difficult to introduce an analysis procedure into a synthesis technique. The analysis of array antennas is generally expensive computationally as the structure to analyze is large in terms of wavelengths. A synthesis method requires to carry out a large number of analysis, this makes the synthesis problem very expensive computationally or intractable in some cases. Two methods have been used in this thesis for the analysis of coupled antenna arrays, both of them have been developed in the research group in which this thesis is involved. They are based on the finite element method (FEM), the domain decomposition and the modal analysis. The first one obtains a finite array characterization with the results obtained from the infinite array approach. It is specially indicated for the analysis of large arrays with equispaced elements. The second one characterizes the array elements and the mutual coupling between them with a spherical wave expansion of the radiated field by each element. The mutual coupling is computed using the properties of translation and rotation of spherical waves. This method is able to analyze arrays with elements placed on an arbitrary distribution. Both techniques provide a matrix formulation that makes them very suitable for being integrated in synthesis techniques, the results obtained from these synthesis methods will be very accurate. The array synthesis stands for the modification of one or several array parameters looking for some desired specifications of the radiation pattern. The array parameters used as optimization variables are usually the excitation weights applied to the array elements, but some other array characteristics can be used as well, such as the array elements positions or rotations. The desired specifications may be to steer the beam towards any specific direction or to generate shaped beams with arbitrary geometry. Further characteristics can be handled as well, such as minimize the side lobe level in some other radiating regions, to minimize the ripple of the shaped beam, to take control over the cross-polar component or to impose nulls on the radiation pattern to avoid possible interferences from specific directions. The analysis method based on the infinite array approach considers an infinite array with a finite number of excited elements. The infinite non-excited elements are physically present and may have three different terminations, short-circuit, open circuit and match terminated. Each of this terminations is a better simulation for the real environment of the array. This method is used in this thesis for the development of two synthesis methods. In the first one, a multi-objective radiation pattern synthesis is presented, in which it is possible to steer the beam or beams in desired directions, minimizing the side lobe level and with the possibility of imposing nulls in the radiation pattern. This method is very efficient and obtains optimal solutions as it is based on convex programming. The same analysis method is used in a shaped beam technique in which an originally non-convex problem is transformed into a convex one applying symmetry restrictions, thus solving a complex problem in an efficient way. This method allows the synthesis of shaped beam radiation patterns controlling the ripple in the mainlobe and the side lobe level. The analysis method based on the spherical wave expansion is applied for different synthesis techniques of the radiation pattern of coupled arrays. A shaped beam synthesis is presented, in which a convex formulation is proposed based on the phase retrieval method. In this technique, an originally non-convex problem is solved using a relaxation and solving a convex problems iteratively. Two methods are proposed based on the gradient method. A cost function is defined involving the radiation intensity of the coupled array and a weighting function that provides more degrees of freedom to the designer. The gradient of the cost function is computed with respect to the positions in one of them and the rotations of the elements in the second one. The elements are moved or rotated iteratively following the results of the gradient. A highly non-convex problem is solved very efficiently, obtaining very good results that are dependent on the starting point. Finally, an optimization method is presented where discrete digital phases are synthesized providing a radiation pattern as close as possible to the desired one. The problem is solved using linear integer programming procedures obtaining array designs that greatly reduce the fabrication costs. Results are provided for every method showing the capabilities that the above mentioned methods offer. The results obtained are compared with available methods in the literature. The importance of introducing a rigorous analysis into the synthesis method is emphasized and the results obtained are compared with a commercial software, showing good agreement.

Design and demonstration of an electronically scanned reflectarray antenna at 100 GHz using multiresonant cells based on liquid crystals

The design, fabrication and measured results are presented for a reconfigurable reflectarray antenna based on liquid crystals (LC) which operates above 100 GHz. The antenna has been designed to provide beam scanning capabilities over a wide angular range, a large bandwidth and reduced Side-Lobe Level. Measured radiation patterns are in good agreement with simulations, and show that the antenna generates an electronically steerable beam in one plane over an angular range of 55º in the frequency band from 96 to 104 GHz. The Side Lobes Level is lower than -13 dB for all the scan angles and -18 dB is obtained over 16% of the scan range. The measured performance is significantly better than previously published results for this class of electronically tunable antenna, and moreover verifies the accuracy of the proposed procedure for LC modeling and antenna design.

A Transportable Reflectarray Antenna for Satellite Ku-band Emergency Communications

The design of a Ku-band reconfigurable reflectarray antenna for emergency satellite communications is presented. Bidirectional high data rate satellite links are needed in emergency conditions where other telecommunication infrastructures are not available. In order to operate in this type of scenario, an antenna should be deployable, transportable, and easily repointable. The need of an automatic and fast satellite location and pointing system leads to a completely electronic reconfigurable antenna. The operative bandwidth is from 10.7 to 12.5 GHz for reception and from 14 up to 14.5 GHz for transmission (30% of relative bandwidth). The selected antenna architecture is based on a dual reflectarray system comprising a passive subreflectarray and an active main reflectarray made of reconfigurable 1-bit elementary cells based on PIN diodes.

Design of broadband transmitarray unit cells with comparative study of different numbers of layers

A generalized methodology to design low-profile transmitarray (TA) antennas made of several stacked layers with nonresonant printed phasing elements is presented. A study of the unit cell bandwidth, phase-shift range and tolerances has been conducted considering different numbers of layers. A structure with three metalized layers with capacitive and inductive elements enabling a phase range of nearly 360° and low insertion loss is introduced. A study of the four-layer structure shows improvement in the performance of the unit cells in terms of bandwidth from 2% to more than 20% and a complete phase coverage. Implementations on a flexible substrate of TAs with progressive phase shift operating at 19 GHz are used for validation.

A source reconstruction technique for planar arrays of wide slots

A method to reconstruct the excitation coefficients of wide-slot arrays from near-field data is presented. The plane wave spectrum (PWS) is used for reconstruction, and the shape of the field distribution on a wide slot is considered in the calculation of the PWS. The proposed algorithm is validated through the reconstruction of the excitation coefficients of a wide-slot array with element failures from the simulated nearfield data. The element failures are clearly located by the proposed algorithm

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)

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.