Temas Avanzados en Teoría Electromagnética

Colección de monografías sobre temas avanzados en el área de los sistemas de guiado de ondas. El contenido es adecuado para estudiantes que, habiendo seguido un curso básico, sientan especial predilección por el tema, para aquellos que inician su formación de postgrado en el área de electromagnetismo, y para titulados con experiencia que precisen, en un momento dado, una información más completa acerca de ciertos problemas ajenos a su actividad previa.

Contribution to the quality improvement of the antenna measurement using post-processing techniques = Contribución a la mejora de la calidad de medida de antena usando técnicas de post-procesado

One important task in the design of an antenna is to carry out an analysis to find out the characteristics of the antenna that best fulfills the specifications fixed by the application. After that, a prototype is manufactured and the next stage in design process is to check if the radiation pattern differs from the designed one. Besides the radiation pattern, other radiation parameters like directivity, gain, impedance, beamwidth, efficiency, polarization, etc. must be also evaluated. For this purpose, accurate antenna measurement techniques are needed in order to know exactly the actual electromagnetic behavior of the antenna under test. Due to this fact, most of the measurements are performed in anechoic chambers, which are closed areas, normally shielded, covered by electromagnetic absorbing material, that simulate free space propagation conditions, due to the absorption of the radiation absorbing material. Moreover, these facilities can be employed independently of the weather conditions and allow measurements free from interferences. Despite all the advantages of the anechoic chambers, the results obtained both from far-field measurements and near-field measurements are inevitably affected by errors. Thus, the main objective of this Thesis is to propose algorithms to improve the quality of the results obtained in antenna measurements by using post-processing techniques and without requiring additional measurements. First, a deep revision work of the state of the art has been made in order to give a general vision of the possibilities to characterize or to reduce the effects of errors in antenna measurements. Later, new methods to reduce the unwanted effects of four of the most commons errors in antenna measurements are described and theoretical and numerically validated. The basis of all them is the same, to perform a transformation from the measurement surface to another domain where there is enough information to easily remove the contribution of the errors. The four errors analyzed are noise, reflections, truncation errors and leakage and the tools used to suppress them are mainly source reconstruction techniques, spatial and modal filtering and iterative algorithms to extrapolate functions. Therefore, the main idea of all the methods is to modify the classical near-field-to-far-field transformations by including additional steps with which errors can be greatly suppressed. Moreover, the proposed methods are not computationally complex and, because they are applied in post-processing, additional measurements are not required. The noise is the most widely studied error in this Thesis, proposing a total of three alternatives to filter out an important noise contribution before obtaining the far-field pattern. The first one is based on a modal filtering. The second alternative uses a source reconstruction technique to obtain the extreme near-field where it is possible to apply a spatial filtering. The last one is to back-propagate the measured field to a surface with the same geometry than the measurement surface but closer to the AUT and then to apply also a spatial filtering. All the alternatives are analyzed in the three most common near-field systems, including comprehensive noise statistical analyses in order to deduce the signal-to-noise ratio improvement achieved in each case. The method to suppress reflections in antenna measurements is also based on a source reconstruction technique and the main idea is to reconstruct the field over a surface larger than the antenna aperture in order to be able to identify and later suppress the virtual sources related to the reflective waves. The truncation error presents in the results obtained from planar, cylindrical and partial spherical near-field measurements is the third error analyzed in this Thesis. The method to reduce this error is based on an iterative algorithm to extrapolate the reliable region of the far-field pattern from the knowledge of the field distribution on the AUT plane. The proper termination point of this iterative algorithm as well as other critical aspects of the method are also studied. The last part of this work is dedicated to the detection and suppression of the two most common leakage sources in antenna measurements. A first method tries to estimate the leakage bias constant added by the receiver’s quadrature detector to every near-field data and then suppress its effect on the far-field pattern. The second method can be divided into two parts; the first one to find the position of the faulty component that radiates or receives unwanted radiation, making easier its identification within the measurement environment and its later substitution; and the second part of this method is able to computationally remove the leakage effect without requiring the substitution of the faulty component. Resumen Una tarea importante en el diseño de una antena es llevar a cabo un análisis para averiguar las características de la antena que mejor cumple las especificaciones fijadas por la aplicación. Después de esto, se fabrica un prototipo de la antena y el siguiente paso en el proceso de diseño es comprobar si el patrón de radiación difiere del diseñado. Además del patrón de radiación, otros parámetros de radiación como la directividad, la ganancia, impedancia, ancho de haz, eficiencia, polarización, etc. deben ser también evaluados. Para lograr este propósito, se necesitan técnicas de medida de antenas muy precisas con el fin de saber exactamente el comportamiento electromagnético real de la antena bajo prueba. Debido a esto, la mayoría de las medidas se realizan en cámaras anecoicas, que son áreas cerradas, normalmente revestidas, cubiertas con material absorbente electromagnético. Además, estas instalaciones se pueden emplear independientemente de las condiciones climatológicas y permiten realizar medidas libres de interferencias. A pesar de todas las ventajas de las cámaras anecoicas, los resultados obtenidos tanto en medidas en campo lejano como en medidas en campo próximo están inevitablemente afectados por errores. Así, el principal objetivo de esta Tesis es proponer algoritmos para mejorar la calidad de los resultados obtenidos en medida de antenas mediante el uso de técnicas de post-procesado. Primeramente, se ha realizado un profundo trabajo de revisión del estado del arte con el fin de dar una visión general de las posibilidades para caracterizar o reducir los efectos de errores en medida de antenas. Después, se han descrito y validado tanto teórica como numéricamente nuevos métodos para reducir el efecto indeseado de cuatro de los errores más comunes en medida de antenas. La base de todos ellos es la misma, realizar una transformación de la superficie de medida a otro dominio donde hay suficiente información para eliminar fácilmente la contribución de los errores. Los cuatro errores analizados son ruido, reflexiones, errores de truncamiento y leakage y las herramientas usadas para suprimirlos son principalmente técnicas de reconstrucción de fuentes, filtrado espacial y modal y algoritmos iterativos para extrapolar funciones. Por lo tanto, la principal idea de todos los métodos es modificar las transformaciones clásicas de campo cercano a campo lejano incluyendo pasos adicionales con los que los errores pueden ser enormemente suprimidos. Además, los métodos propuestos no son computacionalmente complejos y dado que se aplican en post-procesado, no se necesitan medidas adicionales. El ruido es el error más ampliamente estudiado en esta Tesis, proponiéndose un total de tres alternativas para filtrar una importante contribución de ruido antes de obtener el patrón de campo lejano. La primera está basada en un filtrado modal. La segunda alternativa usa una técnica de reconstrucción de fuentes para obtener el campo sobre el plano de la antena donde es posible aplicar un filtrado espacial. La última es propagar el campo medido a una superficie con la misma geometría que la superficie de medida pero más próxima a la antena y luego aplicar también un filtrado espacial. Todas las alternativas han sido analizadas en los sistemas de campo próximos más comunes, incluyendo detallados análisis estadísticos del ruido con el fin de deducir la mejora de la relación señal a ruido lograda en cada caso. El método para suprimir reflexiones en medida de antenas está también basado en una técnica de reconstrucción de fuentes y la principal idea es reconstruir el campo sobre una superficie mayor que la apertura de la antena con el fin de ser capaces de identificar y después suprimir fuentes virtuales relacionadas con las ondas reflejadas. El error de truncamiento que aparece en los resultados obtenidos a partir de medidas en un plano, cilindro o en la porción de una esfera es el tercer error analizado en esta Tesis. El método para reducir este error está basado en un algoritmo iterativo para extrapolar la región fiable del patrón de campo lejano a partir de información de la distribución del campo sobre el plano de la antena. Además, se ha estudiado el punto apropiado de terminación de este algoritmo iterativo así como otros aspectos críticos del método. La última parte de este trabajo está dedicado a la detección y supresión de dos de las fuentes de leakage más comunes en medida de antenas. El primer método intenta realizar una estimación de la constante de fuga del leakage añadido por el detector en cuadratura del receptor a todos los datos en campo próximo y después suprimir su efecto en el patrón de campo lejano. El segundo método se puede dividir en dos partes; la primera de ellas para encontrar la posición de elementos defectuosos que radian o reciben radiación indeseada, haciendo más fácil su identificación dentro del entorno de medida y su posterior substitución. La segunda parte del método es capaz de eliminar computacionalmente el efector del leakage sin necesidad de la substitución del elemento defectuoso.

Amplificador de señal analógico basado en conceptos biomiméticos. Desarrollo de modelos computacionales y validación experimental

La presente tesis doctoral estudia las características de un transductor acústico bioinspirado en la estructura del maxilar inferior de un Zifio de Couvier (Ziphius cavirostris). El mecanismo de funcionamiento del sensor se basa en las características de un sistema acoplado formado por los distintos componentes acústicos identificados en el maxilar. Para analizar las características del sensor se propone un modelo simplificado 2D que consta de una cavidad cerrada con forma de bocina acoplada a una lengüeta. Una parte de la lengüeta se encuentra dentro de la cavidad y otra en el exterior. Dicha lengüeta detecta los cambios de presión acústica y las vibraciones generadas por el sonido y las transmite con ondas de flexión al interior de la cavidad. La excitación prolongada sobre la placa puede provocar la activación de los modos propios del sistema acoplado. Dichos modos se caracterizan porque presentan un máximo de presión en el cono de la bocina la cual a su vez actúa como un amplificador acústico. Mediante el Método de los elementos Finitos se analizan las características acústicas del sensor y se construye un prototipo experimental para validar los resultados evaluados en el modelo numérico. Se propone una metodología numérica que permite desarrollar y validar un elemento tetraédrico para caracterizar el comportamiento isotrópico de los medios porosos. La metodología permite construir elementos de línea y bidimensionales. A partir de esta metodología se desarrolla un elemento plano ortotrópico. Se realiza un modelo de la cavidad en el que una de las paredes de la bocina está constituida por material poroso y se une la parte exterior de la lengüeta a dicho material para que constituya una viga sobre un apoyo elástico. Se calcula la respuesta modal y se discuten los efectos del material poroso en la eficiencia del transductor y las posibles mejoras a introducir en el mismo. SUMMARY This Thesis studies the characteristics of an acoustic transducer bioinspired by the structure of the lower maxilla of an odontoceto. In this case a Cuvier’s beaked whale (Ziphius cavirostris). The transducer working mechanism is based in a coupled system, with components identified in the maxilla. To analyze the transducer a simplified 2D model composed by a horn shaped closed cavity is modeled. The cavity is coupled with a flat belt. The belt has one part inside the cavity and the other part outside of it. The belt traverses the cavity wall and it is in charge to pick the vibrations from outside and introduce it inside the cavity. The transmission is obtained through the belt bending. A sustained external load with the right frequency contents will allow the system to reach a stationary pressure intensity distribution inside the cavity. Frequencies with modal shapes that show an important intensity increase at the horn tip are of special interest because of the signal amplification. A finite element model is constructed to study the transducer coupled modes and a prototype is constructed to validate the numerical results. A numerical methodology to construct and validate a tetrahedral finite element for isotropic porous materials is presented. The methodology allows constructing linear and 2D elements. It is extended to model orthotropic porous materials behavior. At the end, one of the horn walls is made of an orthotropic material and the external belt is glued to it in order to configure a belt over an elastic foundation. Modal response is evaluated and the porous material effects in the transducer efficiency and further improvements are discussed.

Acoustic properties of microperforated panels and their optimizatión by simulated annealing

This thesis investigates the acoustic properties of microperforated panels as an alternative to passive noise control. The first chapters are devoted to the review of analytical models to obtain the acoustic impedance and absorption coefficient of perforated panels. The use of panels perforated with circular holes or with slits is discussed. The theoretical models are presented and some modifications are proposed to improve the modeling of the physical phenomena occurring at the perforations of the panels. The absorption band is widened through the use of multiple layer microperforated panels and/or the combination of a millimetric panel with a porous layer that can be a fibrous material or a nylon mesh. A commercial micrometric mesh downstream a millimetric panel is proposed as a very efficient and low cost solution for controlling noise in reduced spaces. The simulated annealing algorithm is used in order to optimize the panel construction to provide a maximum of absorption in a determined wide band frequency range. Experiments are carried out at normal sound incidence and plane waves. One example is shown for a double layer microperforated panel subjected to grazing flow. A good agreement is achieved between the theory and the experiments. RESUMEN En esta tesis se investigan las propiedades acústicas de paneles micro perforados como una alternativa al control pasivo del ruido. Los primeros capítulos están dedicados a la revisión de los modelos de análisis para obtener la impedancia acústica y el coeficiente de absorción de los paneles perforados. El uso de paneles perforados con agujeros circulares o con ranuras es discutido. Se presentan diferentes modelos y se proponen algunas modificaciones para mejorar la modelización de los fenómenos físicos que ocurren en las perforaciones. La banda de absorción se ensancha a través del uso de capas múltiples de paneles micro perforados y/o la combinación de un panel de perforaciones milimétricas combinado con una capa porosa que puede ser un material fibroso o una malla de nylon. Se propone el uso de una malla micrométrica detrás de un panel milimétrico como una solución económica y eficiente para el control del ruido en espacios reducidos. El algoritmo de recocido simulado se utiliza con el fin de optimizar la construcción de paneles micro perforados para proporcionar un máximo de absorción en una banda determinada frecuencias. Los experimentos se llevan a cabo en la incidencia normal de sonido y ondas planas. Se muestra un ejemplo de panel micro perforado de doble capa sometido a flujo rasante. Se consigue un buen acuerdo entre la teoría y los experimentos.

Análisis experimental y computacional de modelos termofluidomecánicos para el diseño de ingeniería con metales líquidos

Es importante disponer de una herramienta con la cual diseñar dispositivos de uso industrial y comercial que trabajen con metales líquidos (fuentes de neutrones de alta intensidad, núcleos de sistemas de transmutación nuclear, reactores de fisión de nueva generación, instalaciones de irradiación de materiales o reactores de fusión nuclear). Los códigos CFD (Computational Fluid Dynamics) son una de esas herramientas, y la manera de llevar a cabo su validación es la simulación de experimentos existentes. La turbulencia y la presencia de dos o más fases, son los dos principales problemas a los que tiene que hacer frente un código CFD. La mayoría de los modelos de turbulencia presentes en los códigos CFD se basan en considerar la proporcionalidad directa entre el transporte de cantidad de movimiento turbulento y el transporte turbulento de calor. Precisamente, el coeficiente de difusión del calor turbulento, se asume que sea proporcional a la viscosidad turbulenta a través de una constante empírica, llamada número de Prandtl turbulento. El valor de este número, en los códigos comerciales está entre 0,9 y 0,85 dependiendo del modelo de turbulencia, lo cual significa que en los códigos se asume que el transporte turbulento tanto de cantidad de movimiento como de calor, son prácticamente equivalentes. Esta asunción no es cierta en los flujos de metales líquidos, donde se demuestra que la transmisión de calor por turbulencia es pequeña frente a la transmisión de calor molecular. La solución pasa por aumentar el número de Prandtl turbulento, o abandonar la analogía de Reynolds, en el tratamiento de la turbulencia. Por otro lado, en los metales líquidos la capa límite térmica es más ancha que la de velocidad, y las funciones de pared incluidas en los códigos no satisfacen adecuadamente los flujos turbulentos de los fluidos con bajo número de Prantdl (los metales líquidos). Sí serían adecuados, si el mallado es tal, que la celda más cercana a la pared, está dentro de la subcapa laminar, en la cual la propiedad dominante es la conductividad molecular. En la simulación de flujo multifase los códigos se encuentran con una serie de dificultades, que en el caso de que las densidades de los fluidos que intervienen sean muy diferentes entre sí (como ocurre con los metales líquidos y los gases), serán aún mayores. La modelización de la interfase gas metal líquido, así como el encontrar una correlación válida para los coeficientes de resistencia y sustentación para el movimiento de las burbujas en el seno del metal líquido, son dos de los principales retos en la simulación de este tipo de flujos. Las dificultades no se limitan sólo a la simulación mediante CFD, las medidas experimentales de velocidad de las burbujas y del metal líquido también son complicadas. Hay parámetros que no se pueden definir bien: la trayectoria y la forma de las burbujas entre ellos. En el campo de aplicación industrial de los metales líquidos, los altos valores de los coeficientes de expansión volumétrica y de conductividad térmica hacen que estos fluidos sean muy atractivos en la refrigeración por convección libre en dispositivos de alta densidad de potencia. Tomando como base uno de los diseños de ADS (Accelerator Driven System), y teniendo en cuenta la dificultad que conlleva el uso de múltiples modelos físicos, los cálculos realizados muestran cómo, en caso de fallo eléctrico, la operación de la instalación puede continuar de forma segura. Para la validación de los códigos CFD en su uso como herramienta de diseño, uno de los fenómenos donde cuantitativamente más dificultades encuentran los códigos es en los que aparecen en la modelización de las superficies libres. Un buen ajuste de los modelos multifase y de turbulencia es imprescindible en este tipo de simulaciones. Efectivamente, en la instalación de irradiación de materiales IFMIF, la formación de ondas en la superficie libre del flujo de Litio, es un fenómeno que hay que tratar de evitar, y además se requiere predecir las temperaturas, para ver si hay peligro de ebullición del metal líquido. La simulación llevada a cabo se enfoca al análisis termohidráulico. Variando la velocidad de inyección de Litio desde 10 hasta 20 m/s, se comprueba que las temperaturas máximas quedan alejadas del punto de ebullición del Litio, debido al aumento de presión producido por la fuerza centrífuga. Una de las cuestiones más críticas que se presentan en las fuentes de neutrones sería la refrigeración de la ventana metálica sobre la que incide el haz de protones. La simulación de experimentos como MEGAPIE y TS-1, permite la “visualización” de recirculación en el flujo, de los puntos de estancamiento, de los puntos calientes, etc, y da una fotografía de las zonas críticas del diseño.

Estructuras de hormigón armado bajo carga dinámica severa. Parte II: comportamiento de los materiales

En la revista Cimbra n° 394 se publicaba la primera parte de este artículo en donde se analizaba con detalle el impacto de los explosivos, las ondas que se generan y los efectos de éstas sobre los edificios. Ahora, los autores de este artículo, se detendrán en el comportamiento de los materiales que actúa de manera diferente si es sometido a una carga estática que a una dinámica.

Estudio de redes de difracción en fibra para su aplicación en comunicaciones ópticas

La Tesis Doctoral que a continuación se presenta se ha desarrollado en el marco de trabajo de los componentes fotónicos pasivos conocidos como redes de difracción de Bragg en fibra. En primer lugar, se ha hecho una breve revisión histórica de la evolución de los sistemas de comunicaciones ópticas por fibra, para situar el nacimiento de estas redes de difracción y poder explicar porqué se han convertido en un componente clave para la evolución de las futuras redes ópticas. En la primera parte de la Tesis, que se compone de los Capítulos 3, 4 y 5, se desarrolla el modelo general que se utilizará para la caracterización y estudio de las redes de difracción, y se aplica al proceso de crecimiento de estas redes en el núcleo de la fibra y a la caracterización completa de los diferentes tipos de redes de difracción. El modelo desarrollado constituye la base de los resultados que han sido obtenidos, y está basado en la discretización del componente por debajo del periodo de red, en teoría de matrices de transferencia y en propagación de ondas electromagnéticas a través de medios dieléctricos. Este modelo ha permitido explicar los distintos fenómenos que se observan experimentalmente en el proceso de fotoimprimir la red de difracción en el núcleo de la fibra, así como caracterizar completamente al dispositivo mediante el cálculo de los campos internos, en el dominio de la frecuencia y en el dominio del tiempo, que viajan a su través en los sentidos codireccional y contradireccional. La segunda parte de la Tesis está orientada a la aplicación de herramientas de teoría de señal al análisis y síntesis de redes de difracción. Primeramente, en el Capítulo 6 se desarrolla un algoritmo, basado en las transformadas de Hilbert y Wienner-Lee, para recuperar la característica de fase del coeficiente de reflexión en campo a partir de su característica en amplitud. Los resultados demuestran que esta reconstrucción es posible cuando el coeficiente de reflexión en campo es una función de fase mínima. El Capítulo 7 se orienta más a la síntesis de redes de difracción desde una nueva perspectiva, haciendo uso de la ya conocida aproximación de Fourier e introduciendo el análisis Tiempo - Frecuencia para la identificación de estructuras de red de difracción y reconstrucción del periodo de red. La tercera y última parte de la Tesis (Capítulo 8) se centra en la propuesta de nuevos dispositivos fotónicos basados en redes de difracción, para su aplicación en sistemas de comunicaciones ópticas. En particular, se ha trabajado en el campo de los sistemas de comunicaciones con multiplexación por longitud de onda, para los cuales se han propuesto un selector de canal sintonizable que trabaja en transmisión, y un nuevo diseño de red de difracción en fibra cuya característica de filtrado espectral se aproxima al filtro ideal. Para finalizar, en el Capítulo 9 se resumen las conclusiones que se han obtenido y se describen las líneas futuras de trabajo que quedan abiertas.