Over the last decades, Metamaterials (MTMs) have caught the attention of the scientific community. Metamaterials are basically artificially engineered materials which can provide unusual electromagnetic properties not present in nature. Among other novel and special EM applications, such as the negative refraction index (NRI) application, Metamaterials allow the realisation of perfect magnetic conductors (PMCs), which are of interest in the development of smaller and more compact antenna systems composed of one or more antennas. In this context, this thesis is focused on investigating the feasibility of using metamaterial structures to improve the performance of antennas operating at the microwave frequencies. The metamaterial design process is challenging because metamaterials are primarily composed of resonant particles, and hence, their response is frequency dependent due to the dispersive behaviour of their effective medium properties. However, one can take advantage of this situation by exploiting those strange properties while finding other antenna applications for such metamaterial designs. For the case of the PMC applications, the relative magnetic permeability values are negative, because they are found just above the resonance of the metamaterial. This thesis investigates several antenna applications of artificial magnetic materials (AMMs). The initial work is devoted to the design of a spiral resonator (SR) AMM slab to realise a low profile reflector dipole antenna by taking advantage of its PMC response. The spiral resonator has been used due to its reduced unit cell size when compared to other metamaterial resonators, leading to a more homogeneous metamaterial structure. In addition, a bidirectional PMC spacer has been applied to produce a small and compact antenna system composed of two monopole antennas, although the concept may be applied to other antenna types. A third application as an AMC reflector are the transpolarising surfaces, where the incident electric field plane wave is reflected at a polarisation rotation angle of 90 degrees. Such surfaces may be of interest to produce high cross-polar response reflecting devices, like the modified trihedral corner reflector that has been tested for polarimetric synthetic aperture radar (PolSAR) purposes. Another application of the SR AMM metamaterial is the patch antenna with a magneto-dielectric loading. The relative magnetic permeability of the AMM metamaterial has values over the unity in the frequency band below the resonance. As a consequence, the patch antenna can be miniaturised without reducing its bandwidth of operation, in contrast to a typical high dielectric permittivity substrate. Finally, the SR AMM metamaterial also presents values of relative magnetic permeability between zero and the unity (MNZ). In such a case, the SR AMM metamaterial has been applied as an MNZ cover of a slot antenna, devoted to increasing the broadside radiated power and directivity of the antenna. / En las últimas décadas, los Metamateriales (MTMs) han captado la atención de la comunidad científica internacional. Los metamateriales son básicamente materiales artificiales diseñados que tienen propiedades electromagnéticas inusuales no presentes en la naturaleza. Aparte de otras aplicaciones innovadoras en electromagnetismo, como la posibilidad de un material con un índice de refracción negativo (NRI), los metamateriales permiten realizar los conductores magnéticos perfectos (PMCs), que podrían ser de gran utilidad para implementar sistemas de múltiples antenas más pequeños y compactos. En este contexto, esta tesis se centra en investigar el uso de diferentes diseños de metamateriales para mejorar las prestaciones de sistemas radiantes o antenas que trabajan a frecuencias de microondas. El proceso de diseño de los metamateriales es complicado, porque los metamateriales están compuestos de resonadores magnéticos, y consecuentemente, su respuesta varía con la frecuencia a causa de la naturaleza dispersiva de sus parámetros de medio efectivo. No obstante, se pueden aprovechar estas propiedades extrañas para encontrar otras aplicaciones interesantes en antenas. Para el caso de aplicaciones como PMC, el valor de la permeabilidad magnética relativa toma principalmente valores negativos, ya que se encuentran después de la resonancia del metamaterial. Esta tesis realiza el estudio de diferentes aplicaciones de antenas con materiales magnéticos artificiales (AMMs). Primeramente, se ha diseñado un metamaterial AMM compuesto de resonadores en espiral (SRs), que se aplica para realizar un reflector de perfil bajo con una antena dipolo, aprovechando la respuesta PMC que proporciona el metamaterial. Se han utilizado resonadores en forma de espiral porque tienen una celda unidad más reducida al compararla con la de otros resonadores metamaterials, produciendo así una estructura metamaterial más homogénea. Además, un diseño PMC bidireccional ha permitido diseñar un sistema pequeño y compacto de dos antenas monopolo, aunque este concepto se puede aplicar a otros tipos de antenas. Una tercera aplicación como reflector AMC es el de pantalla transpolarizadora, dónde una onda eléctrica plana incidente es reflejada con un ángulo de rotación de 90 grados. Estas pantallas pueden servir para realizar dispositivos reflectores con una respuesta cruzada alta, como pasa con un triedro modificado que se ha probado con éxito en aplicaciones como calibrador de radar de apertura sintética polarimétrico (PolSAR). El metamaterial SR AMM también se ha utilizado como substrato magneto-dieléctrico de una antena impresa o patch. La permeabilidad magnética relativa de este metamaterial toma valores más grandes que la unidad en el rango de frecuencias por debajo de la resonancia. Por esto, la antena patch se puede miniaturizar sin reducir sus prestaciones de ancho de banda de operación, caso contrario a cuando se utilizan substratos de permitividad dieléctrica alta. Finalmente, el metamaterial SR AMM también toma valores de permeabilidad magnética relativa entre cero y la unidad (MNZ). En este caso, el metamaterial SR AMM se ha aplicado como un superestrato MNZ de una antena de ranura o slot, con la intención de incrementar la potencia radiada y la directividad de la antena.

La Ferroresonancia és un dels fenòmens transitoris més destructius dels sistemes de potència. Associa inductàncies no lineals i capacitancias del sistema, iniciant-se de maneres diferents, el que fa molt difícil la seva caracterització. Per evitar les conseqüències de la ferrorresonancia cal entendre el fenomen, predir-i identificar-lo, per poder evitar-ho o eliminar-lo. No obstant això, el seu comportament complex no permet analitzar usant mètodes lineals. A causa de les no linealitats, la solució d'un circuit ferrorresonante s'obté generalment usant mètodes en el domini del temps; típicament, mètodes d'integració numèrica per ordinador, com ara el EMTP. Algunes eines per a l'enteniment, classificació i predicció de la ferrorresonancia es presenten en aquest estudi: mapes de Poincaré s'utilitzen per identificar el fenomen; Diagrames de Bifurcació s'utilitzen per detallar la ubicació dels canvis abruptes en estudis paramètric; Mapes 3D i 4D s'implementen per generalitzar el comportament complex del sistema. D'altra banda, els transformadors són sens dubte l'equip que requereix un modelatge més detallat. Els paràmetres utilitzats en el model han de ser adequats específicament per al tipus d'estudi a realitzar, d'una altra manera, les simulacions podrien no reproduir els casos correctament. En aquesta tesi, es presenten els detalls per modelar transformadors monofàsics i trifàsics. A més, es presenten noves tendències per representar fenòmens físics com el cicle d'histèresi. / La Ferrorresonancia es uno de los fenómenos transitorios más destructivos de los sistemas de potencia. Asocia inductancias no lineales y capacitancias del sistema, iniciándose de maneras diferentes, lo que hace muy difícil su caracterización. Para evitar las consecuencias de la ferrorresonancia es necesario entender el fenómeno, predecirlo e identificarlo, para poder evitarlo o eliminarlo. Sin embargo, su comportamiento complejo no permite analizarlo usando métodos lineales. Debido a las no linealidades, la solución de un circuito ferrorresonante se obtiene generalmente usando métodos en el dominio del tiempo; típicamente, métodos de integración numérica por ordenador, tales como el EMTP. Algunas herramientas para el entendimiento, clasificación y predicción de la ferrorresonancia se presentan en este estudio: mapas de Poincaré se utilizan para identificar el fenómeno; Diagramas de Bifurcación se utilizan para detallar la ubicación de los cambios abruptos en estudios paramétrico; Mapas 3D y 4D se implementan para generalizar el comportamiento complejo del sistema. Por otro lado, los transformadores son sin duda el equipo que requiere un modelado más detallado. Los parámetros utilizados en el modelo deben ser adecuados específicamente para el tipo de estudio a realizar, de otra manera, las simulaciones podrían no reproducir los casos correctamente. En esta tesis, se presentan los detalles para modelar transformadores monofásicos y trifásicos. Además, se presentan nuevas tendencias para representar fenómenos físicos como el ciclo de histéresis. / Ferroresonance is one of the most destructive transient phenomena in power systems. It involves the association of nonlinear magnetizing inductances and capacitances, and may be initiated in many different ways, making very difficult its characterization. To prevent the consequences of ferroresonance it is necessary to understand the phenomenon, predict and identify it, to finally avoid it or eliminate it. However, it cannot be analyzed or predicted by computation methods based on linear approximation. Because of nonlinearities, the solution of a ferroresonant circuit is usually obtained using time-domain methods; typically, a computer-based numerical integration method such as the EMTP. Tools for discerning, classifying and predicting ferroresonance are collected in this study: Poincaré maps are used to describe the time behavior of a system; Bifurcation Diagrams are utilized to detail the locations of all the abrupt changes in parametric study; 3D and 4D Maps can be implemented to generalize a complex system behavior. On the other hand, transformers are unquestionably the equipment demanding most detailed modeling. The parameters used in the model should be adequate specifically for the type of study to be performed, other way, the simulation may not reproduce the real cases. In this thesis, details are presented to modeling single- and three-phase transformers. In addition, new trends are presented to address important physical phenomenon such as hysteresis cycle.

de la tesis:Hacia el motor superconductor: estudio de las interacciones entre un estator convencional y un rotor superconductorEl desarrollo de superconductores de alta temperatura (HTSC) de gran corriente crítica ha permitido la fabricación de dispositivos en varias áreas de la ingeniería electromecánica. En particular, los HTSC pueden mejorar el rendimiento de los motores eléctricos, ya sea sustituyendo el cobre en el rotor de los mismos o con la realización de nuevos diseños.El particular ciclo de histéresis de los superconductores permite mejorar las características de los motores clásicos de histéresis. Además, el comportamiento diamagnético de los superconductores permite la levitación de los rotores, evitando el contacto entre el rotor y el estator. Esta propiedad permite alcanzar una gran velocidad de rotación en motores con diámetros pequeños.En este trabajo presentamos el estudio del comportamiento de motores de flujo axial y radial con inductores bobinados con hilo de cobre y rotor superconductor. La distribución del campo magnético alrededor del rotor, interacción magnética entre estator y rotor, y medidas del par estático y comportamiento dinámico son los principales puntos investigados.El campo generado por inductores convencionales pueden interactuar con el rotor superconductor mediante la magnetización inducida en el mismo. Esta interacción, que proporciona par y fuerzas de levitación, es estudiada en dos configuraciones:Configuración de flujo radial:Un motor ha sido construido con un cilindro de material en el rotor y un estator convencional bobinado con hilo de cobre. El estator tiene un diámetro externo de 40 mm. El hueco interno es de 16 mm de diámetro y 16 mm de altura. Ha sido bobinado con una configuración de 4 polos/ 4 fases, lo que permite una simetría adecuada para el autocentrado y levitación del rotor. No se ha usado cojinetes mecánicos.El rotor de 15,8 mm de diámetro y 16 mm de altura ha sido construido superconductor YBCO texturado. Para incrementar la simetría, el superconductor alrededor del cilindro es multidominio. Para incrementar la estabilidad axial, un disco de YBCO se ha situado en la parte superior del rotor superconductor.Cuando se conecta el inductor, el rotor levita y se centra por la presión magnética lateral. Gira siguiendo el campo magnético del estator. El rotor alcanza el estado síncrono. El motor ha sido ensayado a varias frecuencias hasta la velocidad de 40000 rmp. El movimiento del rotor ha sido observado con luz estroboscópica mostrando el comportamiento síncrono.Para caracterizar el motor, hemos realizado medidas del campo magnético en el estator y el rotor. El par ha sido medido en función del campo aplicado y del ángulo de carga.A partir de las medidas del campo magnético y de la magnetización del superconductor, hemos podido estimar el par, calculando la energía asociada al ciclo de histéresis, en función del ángulo de deslizamiento.Configuración de flujo axial:Un segundo prototipo ha sido construido usando dos semiestátores convencionales de tres fases bobinados con hilo de cobre para un motor de ocho polos. El rotor original ha sido sustituido por un disco de epoxi reforzado con fibra de vidrio de 4mm de altura y 175 mm de diámetro. Ocho discos de YBCO de 4mm de altura y 28 mm de diámetro han sido distribuidos alrededor del disco. Para poder medir el par, se ha situado un eje en el centro del rotor.El motor de flujo axial se comporta de forma similar al motor de flujo axial . En este caso la levitación es debida al gradiente de flujo en el entrehierro que existe entre ambos semiestátores. Las fuerzas de centrado se producen por el gradiente de flujo en los bordes del plano de cada inductor y son sensibles al desplazamiento del flujo atrapado.Hemos realizado medidas del par en función del ángulo de deslizamiento en estado estático y en función de la velocidad y el ángulo de carga en la caracterización dinámica. El par máximo obtenido es de 3 N·m. A 200 Hz, la potencia alcanzada es de 1 kW y las pérdidas en el hierro son aceptables. / Thesis summary :Toward to the superconducting motor: study of the interactions between a conventional stator and a superconducting rotorThe developement of high critical current HTSC (high temperature superconductors) has allowed the fabrication of devices in several areas of electromechanical engineering. In particular, HTSC have a large potential for the improvement of the efficiency of electrical motors either to susbstitute the copper windings of the rotors and for the realisation of new designs.In this work we present the study of the behavoir of axial and radial SC motors powered by a classical copper wound armature. Magnetic field distributions arround the rotor, magnetic interaction between inductor and superconducting rotor, static torque and dinamyc mesurements are the main items investigated.The field generated by the conventional armature can interact with SC rotors by means of the magnetization induced in the SC material. This interaction provides the force responsible for centering and levitation thus avoiding the use of conventional bearing and auxiliari fields providing magnetical bearing. We investigated this interaction in two configurations:Radial field configuration:The motor is built by the HTSC cylinder shaped rotor and a conventional copper wound stator. The stator core has an external diameter of 40mm, the internal hollow is of 16mm in diameter and heigh 16mm. The stator has been wound in a four poles/four phases configuration which allows the adequatre field symmetry to self-center and sustaint the rotor. No mechanical bearing has been used.The rotor of 15,8 mm in diameter and 16mm in high has been constructed from pieces of melt textured YBCO. In order to gain homogeneity around the external area of the cylinders we have chosen multidomain pellets. In order to improve the axial stability, a disc of melt textured YBCO has been stuck on the upper face of the HTSC rotor.When the armature is energized, the rotor levitates and it is centered by the lateral magnetic presure. It spins drived by the magnetic field. The rotor reaches a steady state synchronous with the field rotation. The motor has been tested at several frequencies up to a rotation speed of 40000 rpm. The movement of the rotor has been observed by stroboscopic lighting showing its synchronous behavoir.In order to characterize the motor we have performed magnetic mesurements of both armature and rotor. The torque is also been measured as a funtion of the applied current and the load angle.From the measured values of the applied magnetic field and the remanent magnetization we can estimate the torque by calculating the energy loss by hysteresis as a funtion of the slip angle of the SC rotor.Axial field configurationA second prototype has been constructed by using two conventional 3-phases wound inductors for an eight poles motor. The original rotor has been substituted by a glass fiber reinforced epoxi disk of a 4mm in thickness an 175 mm in diameter. Eight melt-textured YBCO discs of 4mm in high and 28 mm in diameter have been distributed around the disk. In order to perform the torque mesurements, a shaft has been stuck in the center of the rotor.The axial flux motor behaves in a similar way than that observed in the radial flux motor. In this case the levitation is provided by the flux gradient in the gap between both inductors. The centering forces are produced by the gradient at the borders of the plane of each inductor and are more sensitive to any displacement of the trapped fluxWe have performed mesurements of the torque as a funtion of the angle of displacement in a static state and a torque as a funtion of the speed and the load angle in a dinamic caracterization. The maximum torque obtained is 3 N·m. At 200 Hz the power arrives up to 1kW and the losses in the iron core can be acceptable.

L’objectiu principal d’aquesta tesi és avançar en la comprensió del processament d’informació en xarxes neuronals en presència d’oscil lacions subumbrals. La majoria de neurones propaguen la seva activitat elèctrica a través de sinapsis químiques que són activades, exclusivament, quan el corrent elèctric que les travessa supera un cert llindar. És per aquest motiu que les descàrregues ràpides i intenses produïdes al soma neuronal, els anomenats potencials d’acció, són considerades la unitat bàsica d’informació neuronal, és a dir, el senyal mínim i necessari per a iniciar la comunicació entre dues neurones. El codi neuronal és entès, doncs, com un llenguatge binari que expressa qualsevol missatge (estímul sensorial, memòries, etc.) en un tren de potencials d’acció. Tanmateix, cap funció cognitiva rau en la dinàmica d’una única neurona. Circuits de milers de neurones connectades entre sí donen lloc a determinats ritmes, palesos en registres d’activitat colectiva com els electroencefalogrames (EEG) o els potencials de camp local (LFP). Si els potencials d’acció de cada cèl lula, desencadenats per fluctuacions estocàstiques de les corrents sinàptiques, no assolissin un cert grau de sincronia, no apareixeria aquesta periodicitat a nivell de xarxa. Per tal de poder entendre si aquests ritmes intervenen en el codi neuronal hem estudiat tres situacions. Primer, en el Capítol 2, hem mostrat com una cadena oberta de neurones amb un potencial de membrana intrínsecament oscil latori filtra un senyal periòdic arribant per un dels extrems. La resposta de cada neurona (pulsar o no pulsar) depèn de la seva fase, de forma que cada una d’elles rep un missatge filtrat per la precedent. A més, cada potencial d’acció presinàptic provoca un canvi de fase en la neurona postsinàptica que depèn de la seva posició en l’espai de fases. Els períodes d’entrada capaços de sincronitzar les oscil lacions subumbrals són aquells que mantenen la fase d’arribada dels potencials d’acció fixa al llarg de la cadena. Per tal de què el missatge arribi intacte a la darrera neurona cal, a més a més, que aquesta fase permeti la descàrrega del voltatge transmembrana. En segon cas, hem estudiat una xarxa neuronal amb connexions tant a veïns propers com de llarg abast, on les oscil lacions subumbrals emergeixen de l’activitat col lectiva reflectida en els corrents sinàptics (o equivalentment en el LFP). Les neurones inhibidores aporten un ritme a l’excitabilitat de la xarxa, és a dir, que els episodis en què la inhibició és baixa, la probabilitat d’una descàrrega global de la població neuronal és alta. En el Capítol 3 mostrem com aquest ritme implica l’aparició d’una bretxa en la freqüència de descàrrega de les neurones: o bé polsen espaiadament en el temps o bé en ràfegues d’elevada intensitat. La fase del LFP determina l’estat de la xarxa neuronal codificant l’activitat de la població: els mínims indiquen la descàrrega simultània de moltes neurones que, ocasionalment, han superat el llindar d’excitabilitat degut a un decreixement global de la inhibició, mentre que els màxims indiquen la coexistència de ràfegues en diferents punts de la xarxa degut a decreixements locals de la inhibició en estats globals d’excitació. Aquesta dinàmica és possible gràcies al domini de la inhibició sobre l’excitació. En el Capítol 4 considerem acoblament entre dues xarxes neuronals per tal d’estudiar la interacció entre ritmes diferents. Les oscil lacions indiquen recurrència en la sincronització de l’activitat col lectiva, de manera que durant aquestes finestres temporals una població optimitza el seu impacte en una xarxa diana. Quan el ritme de la població receptora i el de l’emissora difereixen significativament, l’eficiència en la comunicació decreix, ja que les fases de màxima resposta de cada senyal LFP no mantenen una diferència constant entre elles. Finalment, en el Capítol 5 hem estudiat com les oscil lacions col lectives pròpies de l’estat de son donen lloc al fenomen de coherència estocàstica. Per a una intensitat òptima del soroll, modulat per l’excitabilitat de la xarxa, el LFP assoleix una regularitat màxima donant lloc a un període refractari de la població neuronal. En resum, aquesta Tesi mostra escenaris d’interacció entre els potencials d’acció, característics de la dinàmica de neurones individuals, i les oscil lacions subumbrals, fruit de l’acoblament entre les cèl lules i ubiqües en la dinàmica de poblacions neuronals. Els resultats obtinguts aporten funcionalitat a aquests ritmes emergents, agents sincronitzadors i moduladors de les descàrregues neuronals i reguladors de la comunicació entre xarxes neuronals. / The main objective of this thesis is to better understand information processing in neuronal networks in the presence of subthreshold oscillations. Most neurons propagate their electrical activity via chemical synapses, which are only activated when the electric current that passes through them surpasses a certain threshold. Therefore, fast and intense discharges produced at the neuronal soma (the action potentials or spikes) are considered the basic unit of neuronal information. The neuronal code is understood, then, as a binary language that expresses any message (sensory stimulus, memories, etc.) in a train of action potentials. Circuits of thousands of interconnected neurons give rise to certain rhythms, revealed in collective activity measures such as electroencephalograms (EEG) and local field potentials (LFP). Synchronization of action potentials of each cell, triggered by stochastic fluctuations of the synaptic currents, cause this periodicity at the network level.To understand whether these rhythms are involved in the neuronal code we studied three situations. First, in Chapter 2, we showed how an open chain of neurons with an intrinsically oscillatory membrane potential filters a periodic signal coming from one of its ends. The response of each neuron (to spike or not) depends on its phase, so that each cell receives a message filtered by the preceding one. Each presynaptic action potential causes a phase change in the postsynaptic neuron, which depends on its position in the phase space. Those incoming periods that are able to synchronize the subthreshold oscillations, keep the phase of arrival of action potentials fixed along the chain. The original message reaches intact the last neuron provided that this phase allows the discharge of the transmembrane voltage.I the second case, we studied a neuronal network with connections to both long range and close neighbors, in which the subthreshold oscillations emerge from the collective activity apparent in the synaptic currents. The inhibitory neurons provide a rhythm to the excitability of the network. When inhibition is low, the likelihood of a global discharge of the neuronal population is high. In Chapter 3 we show how this rhythm causes a gap in the discharge frequency of neurons: either they pulse single spikes or they fire bursts of high intensity. The LFP phase determines the state of the neuronal network, coding the activity of the population: its minima indicate the simultaneous discharge of many neurons, while its maxima indicate the coexistence of bursts due to local decreases of inhibition at global states of excitation. In Chapter 4 we consider coupling between two neural networks in order to study the interaction between different rhythms. The oscillations indicate recurrence in the synchronization of collective activity, so that during these time windows a population optimizes its impact on a target network. When the rhythm of the emitter and receiver population differ significantly, the communication efficiency decreases as the phases of maximum response of each LFP signal do not maintain a constant difference between them.Finally, in Chapter 5 we studied how oscillations typical of the collective sleep state give rise to stochastic coherence. For an optimal noise intensity, modulated by the excitability of the network, the LFP reaches a maximal regularity leading to a refractory period of the neuronal population.In summary, this Thesis shows scenarios of interaction between action potentials, characteristics of the dynamics of individual neurons, and the subthreshold oscillations, outcome of the coupling between the cells and ubiquitous in the dynamics of neuronal populations . The results obtained provide functionality to these emerging rhythms, triggers of synchronization and modulator agents of the neuronal discharges and regulators of the communication between neuronal networks.

Las perturbaciones en la tensión de suministro eléctrico pueden provocar mal funcionamiento o avería en los equipos conectados a la red de distribución. Los eventos de tensión son los más perjudiciales debido a su carácter aleatorio. El desarrollo de equipos de medida y técnicas de procesado de señal que permitan detectar y analizar en tiempo real las perturbaciones no estacionarias es actualmente de gran importancia para poder identificar posibles problemas. En esta tesis doctoral se desarrolla un método nuevo para la detección y análisis on-line y en tiempo real de perturbaciones transitorias en la tensión del suministro eléctrico en redes de distribución de baja tensión. El método que se propone permite detectar cambios repentinos en la forma de onda de la tensión iniciando un proceso de almacenamiento de la perturbación detectada para su posterior análisis. El método desarrollado realiza un muestreo continuo de la señal y compara cada muestra del ciclo adquirido con la muestra correspondiente al ciclo anterior previamente almacenado en memoria como señal de referencia. A la señal diferencia así obtenida se le aplica la transformada wavelet discreta para calcular la energía en distintas bandas de frecuencia. Se realiza una predetección de un evento cuando la señal diferencia sobrepasa un umbral predefinido. En ese caso en función de la magnitud de la energía de las bandas de frecuencia en el ciclo en que se produce la perturbación, se clasifica y se almacena el evento. Se describe un equipo de medida desarrollado, en base al algoritmo propuesto, sus características hardware y software y algunos de los resultados que ha generado al monitorizar una red de distribución de energía eléctrica de baja tensión. / Perturbations in electric power supply can provoke incorrect function or failure in equipment connected to the distribution network. Voltage events are the most detrimental due to their random nature. The development of suitable measurement equipment and signal processing techniques that enable the detection and real-time analysis of these non-stationary perturbations is nowadays of great importance in identifying possible problems. In this doctoral thesis, a novel method is described that enables the detection and then the on-line, real-time analysis of transitory perturbations in the electric supply voltage in low-voltage distribution networks. The method proposed enables the detection of sudden changes in the voltage waveform, which start a process whereby the perturbations detected are stored for later analysis. The method developed performs a continuous sampling of the signal and compares each sample of the cycle with the corresponding sample in the previous cycle stored in memory as a reference. The wavelet transform is applied to the difference signal obtained from comparison in order to calculate the energy in the distinct frequency bands. A pre-detection of the event is carried out when the signal surpasses a predefined threshold. In this case, depending on the magnitude of the energy in the frequency bands of the cycle when the perturbation is produced, the event is classified and stored. The measurement equipment developed is described in terms of; the algorithm proposed, its hardware and software characteristics and some of the results that it generated while monitoring a low-voltage electricity distribution network.

Tesi per compendi de publicacions. La consulta íntegra de la tesi, inclosos els articles no comunicats públicament per drets d'autor, es pot realitzar prèvia petició a l'Arxiu de la UPC / The unique electro-mechanical coupling properties of ferroelectrics make them ideal materials for use in micro-devices as sensors, actuators and transducers. Nevertheless, because of the intrinsic brittleness of ferroelectrics, the optimal design of the electro-mechanical devices is strongly dependent on the understanding of the fracture behavior in these materials. Fracture processes in ferroelectrics are notoriously complex, mostly due to the interactions between the crack tip stress and electric fields and the localized switching phenomena in this zone (formation and evolution of domains of different crystallographic variants). Phase-field models are particularly interesting for such a complex problem, since a single partial differential equation governing the phase-field accomplishes at once (1) the tracking of the interfaces in a smeared way (cracks, domain walls) and (2) the modeling of the interfacial phenomena such as domain-wall energies or crack face boundary conditions. Such a model has no difficulty for instance in describing the nucleation of domains and cracks or the branching and merging of cracks. Furthermore, the variational nature of these models makes the coupling of multiple physics (electrical and mechanical fields in this case) very natural. The main contribution of this thesis is to propose a phase-field model for the coupled simulation of the microstructure formation and evolution, and the nucleation and propagation of cracks in single crystal ferroelectric materials. The model naturally couples two existing energetic phase-field approaches for brittle fracture and ferroelectric domain formation and evolution. The finite element implementation of the theory is described. Simulations show the interactions between the microstructure and the crack under mechanical and electro-mechanical loadings. Another objective of this thesis is to encode different crack face boundary conditions into the phase-field framework since these conditions strongly affect the fracture behavior of ferroelectrics. The smeared imposition of these conditions are discussed and the results are compared with that of sharp crack models to validate the proposed approaches. Simulations show the effects of different conditions, electro-mechanical loadings and media filling the crack gap on the crack propagation and the microstructure of the material. In a third step, the coupled model is modified by introducing a crack non-interpenetration condition in the variational approach to fracture accounting for the asymmetric behavior in tension and compression. The modified model makes it possible to explain anisotropic crack growth in ferroelectrics under Vickers indentation loading. This model is also employed for the fracture analysis of multilayer ferroelectric actuators, which shows the potential of the model for future application. The coupled phase-field model is also extended to polycrystals by introducing realistic polycrystalline microstructures in the model. Inter- and trans-granular crack propagation modes are observed in the simulations. Finally and for completeness, the phase-field theory is extended for the simulation of conducting cracks and some preliminary simulations are also performed in three dimensions. Salient features of the crack propagation phenomenon predicted by the simulations of this thesis are directly compared with experimental observations. / Los materiales ferroeléctricos poseen únicas propiedades electro-mecánicas y por eso se utilizan para los micro-dispositivos como sensores, actuadores y transductores. No obstante, debido a la fragilidad intrínseca de los ferroeléctricos, el diseño óptimo de los dispositivos electro-mecánicos es altamente dependiente de la comprensión del comportamiento de fractura en estos materiales. Los procesos de fractura en ferroeléctricos son notoriamente complejos, sobre todo debido a las interacciones entre campos de tensión y eléctricos y los fenómenos localizados en zona de fractura (formación y evolución de los dominios de las diferentes variantes cristalográficas). Los modelos de campo de fase son particularmente útiles para un problema tan complejo, ya que una sola ecuación diferencial parcial que gobierna el campo de fase lleva a cabo a la vez (1) el seguimiento de las interfaces de una manera suave (grietas, paredes de dominio) y (2) la modelización de los fenómenos interfaciales como las energías de la pared de dominio o las condiciones de las caras de grieta. Tal modelo no tiene ninguna dificultad, por ejemplo en la descripción de la nucleación de los dominios y las grietas o la ramificación y la fusión de las grietas. Además, la naturaleza variacional de estos modelos facilita el acoplamiento de múltiples físicas (campos eléctricos y mecánicos en este caso). La principal aportación de esta tesis es la propuesta de un modelo campo de fase para la simulación de la formación y evolución de la microestructura y la nucleación y propagación de grietas en materiales ferroeléctricos. El modelo aúna dos modelos de campo de fase para la fractura frágil y para la formación de dominios ferroeléctricos. La aplicación de elementos finitos a la teoría es descrita. Las simulaciones muestran las interacciones entre la microestructura y la fractura del bajo cargas mecánicas y electro-mecánicas. Otro de los objetivos de esta tesis es la codificación de diferentes condiciones de contorno de grieta porque estas condiciones afectan en gran medida el comportamiento de la fractura de ferroeléctricos. La imposición de estas condiciones se discuten y se comparan con los resultados de modelos clasicos para validar los modelos propuestos. Las simulaciones muestran los efectos de diferentes condiciones, cargas electro-mecánicas y medios que llena el hueco de la grieta en la propagación de las fisuras y la microestructura del material. En un tercer paso, el modelo se modifica mediante la introducción de una condición que representa el comportamiento asimétrico en tensión y compresión. El modelo modificado hace posible explicar el crecimiento de la grieta anisotrópica en ferroeléctricos. Este modelo también se utiliza para el análisis de la fractura de los actuadores ferroeléctricos, lo que demuestra el potencial del modelo para su futura aplicación. El modelo se extiende también a policristales mediante la introducción de microestructuras policristalinas realistas en el modelo. Modos de fractura inter y trans-granulares de propagación se observan en las simulaciones. Por último y para completar, la teoría del campo de fase se extiende para la simulación de las grietas conductivas y algunas simulaciones preliminares también se realizan en tres dimensiones. Principales características del fenómeno de la propagación de la grieta predicho por las simulaciones de esta tesis se comparan directamente con las observaciones experimentales.

Transparent electrodes (TEs) are the essential elements of many optoelectronic devices such as solar cells, touch screens, organic LEDs, and LCDs. Consequently demand for TEs is growing very steeply and the market value presently stands at 8 billion USDs. The state-of-art indium tin oxide (ITO) has an excellent trade-off between optical transparency and electrical sheet resistance but suffers from several drawbacks, mainly the increasing cost due to indium shortage, and inadequate flexibility due to poor mechanical ductility. This thesis presents the development of a new class of TEs based on ultrathin metal films (UTMFs). The work started from understanding the fundamental aspects of UTMF growth and properties, and then focused on different UTMF based geometries, composition, and combination for potential applications in different optoelectronic applications. Single component ultrathin Ni and Cr films were shown to possess significantly high transparency in the ultraviolet (175–400 nm) and mid-infrared (2.5–25 μm) regions making them viable TE for devices such as UV photodiodes, and IR pyroelectric detectors. The natural oxidation process, which is a major concern for metal films, has been exploited to achieve stable metallic films by inducing a protective oxide layer. In another proposed novel design, incorporating an ad hoc conductive grid, the sheet resistance of UTMFs can be reduced by more than two orders of magnitude with negligible loss in transparency, which in turn eliminates the inverse trade-off relationship between optical transparency and electrical conductivity of continuous metal based TEs. A TE structure based on the ultrathin conductive Cu films with an application specific functionalized capping layer of Ti or Ni layer has been demonstrated. The properties of the TE can be tuned accordingly and show excellent stability against temperature, and oxidation. The suitability of Ag-Cu alloy films as TE as an alternative to ITO has been also investigated. The optical spectrum of such alloy films follows the average optical behavior of single component Cu and Ag layers, thus resulting in a much flatter optical response in the visible region. UTMFs combined with Al doped ZnO (AZO), which is possible ITO replacement, has also been demonstrated to show the possibility of hybridizing the two technologies. A bilayer Ag/AZO has been developed which can overcome the high reflection of metals and retain their good electrical behavior, while maintaining a minimum total film thickness. In another structure, UTMF capping layer were used to improve the stability of AZO. It was found that an ultrathin oxidized Ni capping layer with a thickness at percolation threshold greatly enhances the stability of AZO layer in harsh environment without affecting the electro-optical properties / Los electrodos transparentes (TEs) son elementos básicos de muchos dispositivos optoelectrónicos, tales como células solares, pantallas táctiles, LEDs orgánicos i LCDs. En consecuencia, la demanda de éstos TEs está creciendo paulatinamente y con un valor de mercado actual de 8 billones de dólares (USD). El estado del arte del óxido de estaño dopado con Indio (ITO) ofrece un excelente compromiso entre transparencia óptica y resistencia eléctrica de hoja pero también tiene inconvenientes, principalmente de precio debido a la escasez del Indio, así como de una inadecuada flexibilidad debida a una baja ductilidad mecánica. En esta tesis se presenta el desarrollo de una nueva clase de TEs basados en capas ultradelgadas de metales (UTMFs). El trabajo empieza des de la comprensión de los aspectos fundamentales relacionados con el crecimiento de los UTMF y sus propiedades, para luego focalizarse en diferentes geometrías, composición y combinaciones para diferentes aplicaciones potenciales en el campo de la optoelectrónica. Las capas ultradelgadas monocomponentes de Ni y de Cr han mostrado tener significativamente alta transparencia en el rango ultravioleta (175-380nm) y en el Infrarrojo mediano (2.5-25um), haciéndolos, por tanto, TE viables para dispositivos tales como fotodiodos de UV y detectores piroeléctricos del IR. El proceso natural de oxidación, el cual es un problema central para las capas metálicas, ha sido aprovechado para conseguir capas metálicas estables gracias a una capa protectora de óxido. En otro novedoso diseño, gracias a la incorporación ad hoc de una malla conductora, la resistencia eléctrica de hoja de los UTMFs puede ser disminuida hasta dos órdenes de magnitud y con una pérdida de transmisión despreciable, y por lo tanto, elimina el compromiso limitante entre transparencia óptica y conductividad eléctrica de los TE basados en capas metálicas continuas. Una estructura de los TEs, basada en una capa conductora ultradelgada de Cu, la cual puede ser funcionalizada para aplicaciones específicas con capas protectoras de Ti o Ni, ha sido demostrada. Las propiedades del TE pueden ser modificadas bajo control y muestran una excelente estabilidad a la temperatura y la oxidación. La idoneidad de la aleación Ag-Cu como capa alternativa al ITO para los TE ha sido también investigada. El espectro óptico de esta aleación sigue el comportamiento óptico medio de las capas monocomponentes de Ag y Cu, y por lo tanto se obtiene una respuesta óptica mucho mas plana en la región del espectro visible. Los UTMFs en combinación con ZnO dopado con Al (AZO), el cual es una opción factible como sustituto del ITO, ha demostrado la posibilidad de hibridar ambas tecnologías. Una bicapa de Ag/AZO ha sido desarrollada, la cual evita el problema de la alta reflexión de los metales y mantiene a su vez sus buenas propiedades eléctricas con un espesor total de capa mínimo. En otra estructura, la capa protectora de los UTMF ha sido utilizada para mejorar la estabilidad del AZO. Se ha visto que una capa protectora ultra-delgada y oxidada de Ni con un espesor igual a su límite de percolación, mejora notablemente la estabilidad de las capas de AZO, manteniendo sus propiedades electro-ópticas, incluso en condiciones severas

La societat modera presenta una creixent demanda d'energia, una quantitat significativa de la qual s'utilitza en il·luminació. El nitrur de Ga (GaN és un semiconductor de gap ample, base dels LEDs de llum blanca, que constitueixen una alternativa atractiva a les fonts de llum convencionals. Els LEDs presenten molts avantatges, tals com una llarga vida de funcionament, una mida compacta, resistència a la vibració, operació a baix voltatge, mínim cost de manteniment i un mínim impacte ambiental. L'estalvi gràcies a la substitució de les fonts de llum convencionals per LEDs seria de fins a un 20% en electricitat. Tot i que els LEDs d'alta eficiència ja estan disponibles comercialment, la seva eficiència encara requereix millores. El GaN, en la seva forma porosa, pot millorar l'extracció de la llum i l'eficiència quàntica interna d'aquests LEDs. El principal objectiu d'aquesta tesi es centra en la fabricació d'unions p-n de GaN totalment poroses per futures aplicacions en LEDs. Partícules i capes nanoporoses de GaN han estat sintetitzades per deposició química en fase vapor (CVD) a través de la reacció directa entre Ga i NH3, utitlizant diferents elements dopants tals com Mg i Si per generar els semiconductors requerits de tipus p i tipus n. L'avantatge de la nostra tècnica és que no es necessari fer cap tractament secundari després del creixement per generar la porositat. D'aquesta manera, s'han obtingut unions p-n poroses de GaN que mostres propietats prometedores per posibles aplicacions en LEDs basats en GaN d'alta brillantor i en sensors amb sensitivitat millorada. / La sociedad moderna presenta una creciente demanda de energía, una cantidad significativa de la cual se utiliza para iluminación. El nitruro de galio (GaN) es un semiconductor de gap ancho, base de los LEDs de luz blanca, que constituyen una alternativa atractiva a las fuentes convencionales de luz. Los LEDs presentan muchas ventajas tales como una larga vida de funcionamiento, un tamaño compacto, resistencia a la vibración, operación a bajo voltaje, mínimo coste de mantenimiento y un mínimo impacto ambiental. El ahorro gracias a la sustitución de las fuentes de luz convencionales por LEDs sería de hasta un 20% en electricidad. Los LEDs de alta eficiencia ya están disponibles comercialmente. Sin embargo, todavía requiere mejoras. El GaN, en su forma porosa, puede mejorar la extracción de la luz y la eficiencia cuántica interna de estos LEDs. El objetivo principal de esta tesis se centra en la fabricación de uniones p-n de GaN totalmente porosas para futuras aplicaciones en LEDs. Partículas y capas nanoporosas de GaN han sido sintetizadas por deposición química en fase vapor (CVD) a través de la reacción directa entre Ga y NH3, usando diferentes elementos dopantes tales como Mg y Si para generar los semiconductores requeridos de tipo p y tipo n. La ventaja de nuestra técnica es que no es necesario hacer ningún tratamiento secundario después del crecimiento para generar la porosidad. De esta manera, se obtuvieron uniones p-n porosas de GaN que muestran propiedades prometedoras para las posibles aplicaciones en LEDs basados en GaN de alto brillo y en sensores con sensitividad mejorada. / Modern society is experiencing a constantly increasing demand for energy. A significative amount of the energy consumed is used for lighting purposes. Gallium nitride (GaN) is a wide band gap semiconductor with important applications in white-light LEDs, which are an attractive alternative to conventional light sources with many benefits that include long operating life, compact size, vibration resistance, low-voltage operation, minimal maintenance cost and minimal environmental impact. The savings of replacing conventional light sources by LEDs would represent a reduction of around 20% in the total electricity consumed. High-efficiency and high power LEDs are now commercially available. However, the overall efficiency requires further improvement. GaN, in its porous form, is expected to enhance the light extraction and internal quantum efficiencies of these LEDs. The main objective of this thesis is focused on fabrication of fully porous p-n junctions for future LED applications. Nanoporous GaN particles and epitaxial layers were synthesized by chemical vapor deposition (CVD) through the direct reaction between Ga and NH3, using different doping elements such as Mg and Si to generate the p- and n-type required semiconductors. The advantage of our technique is that it does not require any secondary treatment after growth to generate the pores. In this way, porous GaN p-n junctions were obtained showing promising properties for potential application in high brightness GaN-based light emitting diodes and sensor devices with improved sensitivity.

The discrete dipole approximation (DDA) has been successfully applied to many light scattering problems. Simply stated, the DDA is an approximation of the continuum target by a finite array of polarizable points. The points acquire dipole moments in response to thelocal fields. The dipoles of course interact with one another via their electric and magnetic fields, so the DDA is also sometimes referred to as the coupled dipole approximation. As of today, the method has established itself as one of the best solutions to calculate the scattering of radiation by particles of arbitrary shape. Hitherto, however, the main existing implementations include materials with relative magnetic permeability equal to 1 only, which is correct for all materials in the optical frequency range. Nonetheless, materials with unusual optical properties have arisen recently. This includes the possibility of having both electric and magnetic anisotropic properties (bianisotropic materials) in the most general case. The situation where both the real part of the electric permittivity and the magnetic permeability are negative corresponds to what is known as "left-handed materials", or negative index materials (NIM), with unconventional properties such as negative refraction. The treatment of these materials with a method as contrasted as the DDA provides several advantages, apart from possibly being the only method available in many cases. This PhD Thesis has explored nanostructured systems with arbitrary anisotropic optical properties (both electric and magnetic) by means of an Extension of the Discrete Dipole Approximation (E-DDA). During the development of this dissertation, a computational code (E-DDA code) has been implemented, able to produce comparative results with existing DDA codes, obtaining an excellent agreement. After validation, the method was then applied to a wide range of materials and situations, making a special reference to its application to magneto-optical materials (with an antisymmetric electric permittivity tensor) and composite materials. As a summary, the status of the E-DDA code is mature enough to be applied to very different configurations, making it a very useful, flexible and stable computational tool for calculating scattering and absorption of light by irregular particles, including anisotropic materials both electrically and magnetically at the same time in the most general case. / La aproximación de dipolo discreto (o DDA por sus iniciales en inglés) ha sido empleada con éxito en multitud de aplicaciones dentro del ámbito de la difusión de luz. Básicamente consiste en discretizar el blanco difusor en elementos polarizables. Los elementos adquieren momentos dipolares en respuesta a los campos locales. Los dipolos por supuesto interaccionan entre ellos por medio de sus campos eléctricos y magnéticos, por eso a la DDA también se la conoce como aproximación de dipolo acoplado. A día de hoy, el método se afianza como una de las mejores soluciones para calcular la radiación difundida por partículas de forma arbitraria. Hasta ahora, sin embargo, las principales implementaciones existentes sólo incluyen materiales en los que la permeabilidad magnética relativa puede aproximarse por la unidad, lo cual es acertado para todos los materiales en el dominio de las frecuencias del rango óptico. No obstante, últimamente están apareciendo materiales con propiedades ópticas inusuales, como por ejemplo el caso de que algunas de sus constantes ópticas efectivas sean negativas (sus partes reales), o bien que presenten anisotropía tanto para el campo eléctrico como para el magnético (materiales bianisótropos). El caso doble negativo correspondería a lo que se ha venido en llamar “materiales zurdos”, o materiales con índice negativo, con propiedades sorprendentes como la refracción negativa. El tratamiento de estos materiales con un método tan bien contrastado como es el DDA presenta bastantes ventajas, aparte de que en muchos casos puede ser el único método disponible. Esta Tesis Doctoral ha explorado sistemas nanoestructurados con propiedades eléctricas y magnéticas anisótropas por medio de una Extensión de la Aproximación de Dipolo Discreto (E-DDA). Durante el desarrollo de esta tesis, se ha implementado un código computacional (código E-DDA), capaz de producir resultados comparativos con otros códigos DDA existentes, obteniendo un acuerdo excelente. Después de validarse, el método se ha aplicado a un amplio rango de materiales y situaciones, haciendo mención especial a su aplicación a materiales magneto-ópticos (con un tensor de permisividad eléctrica antisimétrico) y materiales compuestos. En resumen, el estado del código desarrollado es suficientemente maduro como para poder aplicarse a muchas configuraciones diferentes, haciendo de él una herramienta computacional útil, flexible y estable para calcular la difusión y absorción de luz por partículas irregulares, incluyendo materiales anisótropos tanto eléctricos como magnéticos en el caso más general.

Ανασκόπηση τηε θεωρίας Dirac σχετικά με τα μαγνητικά μονόπολα και αποτελέσματα της. Ανασκόπηση εννοιών από την τοπολογία και την διαφορική γεωμετρία, με την βοήθεια των οποίων, περιγράφουμε την θεωρία των t'Hooft-Polyakov, και συγκεκριμένα την λύση που βρήκαν που αντιστοιχεί σε μαγνητικό μονόπολο στην μη αβελιανή θεωρία με ομάδα βαθμίδας την SU(2). Τέλος, εξετάζονται τα γενικά χαρακτηριστικά των μονοπολικών λύσεων με τοπολογικά επιχειρήματα και γενικεύονται τα αποτελέσματα προηγούμενων ενοτήτων. / Dirac theory of magnetic monopoles. Aspects of topology and differential geometry. The t'Hooft - Polyakov solution in non abelian gauge theory with gauge group SU(2). General properties of monopole solutions from a topological point of view.