Contribution to the physical interpretation of characteristic mode resonances. Application to dielectric resonator antennas

The Theory of Characteristic Modes is being adopted by many research groups around the world in the last decade. This topic and their use in different metallic antenna design is growing very fast. However, most of the applications has been only concentrated on conducting surfaces without any physical knowledge about its limitations and its physical interpretation. As far as dielectric bodies are concerned, there have not been so many published articles. The reason is that there are different integro-differential formulations and the interpretation of their solutions is not as obvious as in conducting bodies. Here, a theoretical interpretation considering loss-less conducting and dielectric bodies is presented. The conclusions drawn in this thesis will allow us to better understand the solutions of the Theory of Characteristic Modes and their limitations. This is important for antenna engineering. In addition, this analysis will allow to develop a novel method for the design of antennas based on dielectric resonators, DRA. This method is called Substructure based-PMCHWT method, and is based on the implementation of the Schur complements of the method of moments matrix operator. This study permits to optimize the radiation bandwidth in the same analysis process for both, the dielectric and the feed, e.g. slot. Moreover, it allows to understand how the slot behaves in the presence of the dielectric resonator and vice versa. This method can also be used to design DRA using low permittivities. This is important in the design of DRA because the feed perturbs the system and produces a shift in the resonances of the characteristic modes. So, therefore, by considering the feed system in the characteristic modes analysis a more realistic results than a conventional analysis is obtained. On the other hand, the resonances of the characteristic modes at low permittivities are displaced from what are the natural resonances of the dielectric resonator and also the corresponding S11 resonance. Thus, designing with this new method it can draw new conclusions about the design of DRA using the Theory of Characteristic Modes.En la última década, la teoría de los modos característicos está siendo utilizada por muchos grupos de investigación en todo el mundo. Este tema y su uso en diferentes diseños de antenas metálicas está creciendo muy rápido. Sin embargo, la mayoría de las aplicaciones se han concentrado únicamente en antenas metálicas sin ningún conocimiento físico acerca de sus limitaciones y su interpretación física. En lo que se refiere a cuerpos dieléctricos, no han habido tantos artículos publicados como en metales. La razón es que existen diferentes formulaciones integro-diferenciales y la interpretación de sus soluciones no es tan obvia como en cuerpos metálicos. En esta tesis se presenta una interpretación física de las soluciones de la Teoría de Modos Característicos al considerar cuerpos metálicos y dieléctricos sin pérdidas. Las conclusiones de esta tesis nos permitirán comprender mejor las soluciones de la Teoría de Modos Característicos y sus limitaciones. Esto es importante en ingeniería de antenas. Además, este análisis permitirá desarrollar un nuevo método para el diseño de antenas basadas en resonadores dieléctricos, DRA. Este método está basado en la formulación PMCHWT y la función de Green multicapa utilizada en el método de los momentos (MoM). A este nuevo método se le ha denominado "Substructure Characteristic Mode method", y está basado en la implementación de los complementos Schur sobre las submatrices del operador del MoM. Este estudio permite optimizar el ancho de banda de radiación de un DRA en el mismo proceso de análisis tanto para el dieléctrico como para la alimentación, como por ejemplo una ranura. Además, este método permite comprender como se comporta la ranura en presencia del resonador dieléctrico y viceversa. Este método también puede usarse para diseñar DRA usando permitividades bajas. Esto es importante en el diseño de DRA porque la alimentación perturba el sistema y produce un cambio en las resonancias de los modos característicos. Por lo tanto, al considerar la alimentación en el análisis de modos característicos se obtienen resultados más realistas comparándolos con los obtenidos mediante un análisis convencional. Así, diseñando con el "Substructure Characteristic Mode method" se pueden extraer nuevas conclusiones sobre el diseño de DRA mediante la Teoría de Modos Característicos.En l'última dècada, la teoria dels modes característics està sent utilitzada per molts grups d'investigació en tot el món. Este tema i el seu ús en diferents dissenys d'antenes metàl·liques està creixent molt ràpid. No obstant això, la majoria de les aplicacions s'han concentrat únicament en superfícies conductores sense cap coneixement físic sobre les seues limitacions i la seua interpretació física. Pel que fa a cossos dielèctrics, no hi ha hagut tants articles publicats com en metalls. La raó és que hi ha diferents formulacions integro- diferencials i la interpretació de les seues solucions no és tan òbvia com en cossos conductors. En esta tesi es presenta una interpretació teòrica considerant cossos conductors i dielèctrics sense pèrdues. Les conclusions d'esta tesi ens permetran comprendre millor les solucions de la Teoria de Modes Característics i les seues limitacions. Açò és important en enginyeria d'antenes. Açò és important en enginyeria d'antenes. A més, esta anàlisi permetrà desenrotllar un nou mètode per al disseny d'antenes basades en ressonadors dielèctrics, DRA. Este mètode està basat en la formulació PMCHWT i la funció de Green multicapa utilitzada en el mètode dels moments (MoM) . A este nou mètode se li ha denominat "Substructure Characteristic Mode method", i està basat en la implementació dels complements Schur sobre les submatrius de l'operador del MoM. Este estudi permet optimitzar l'amplada de banda de radiació d'un DRA en el mateix procés d'anàlisi tant per al dielèctric com per a l'alimentació, com per exemple una ranura. A més, este mètode permet comprendre com es comporta la ranura en presència del ressonador dielèctric i viceversa. Este mètode també pot usar-se per a dissenyar DRA usant baixes permitivitats. Açò és important en el disseny de DRA perquè l'alimentació pertorba el sistema i produïx un canvi en les ressonàncies dels modes característics. Per tant, al considerar l'alimentació en l'anàlisi de modes característics s'obtenen resultats més realistes comparant-los amb els obtinguts per mitjà d'una anàlisi convencional. Així, dissenyant amb el "Substructure Characteristic Mode method" es poden extraure noves conclusions sobre el disseny de DRA per mitjà de la Teoria de Modes Característics.Bernabeu Jiménez, T. (2017). Contribution to the physical interpretation of characteristic mode resonances. Application to dielectric resonator antennas [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86177TESI

On the Contribution to the Field of the Nonphysical Characteristic Modes in Infinite Dielectric Circular Cylinders Under Normal Excitation

(c) 2018 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other users, including reprinting/ republishing this[EN] Here, a detailed analysis of characteristic modes and fields of an infinite dielectric circular cylinder when computed through the Poggio-Miller-Chang-Harrington-Wu-Tsai formulation is carried out. The purpose is to determine their contribution to the total field, inside and outside the dielectric body and under two possible excitations: incident plane wave or electric line source within the cylinder. The study has been done analytically to provide necessary physical insight of the results obtained. New details about the so-called nonphysical modes are provided. It is found that these modes, that can be neglected outside the dielectric body, do have a significant contribution to the inner field when the excitation source is within the dielectric body. It is concluded that the terms physical and nonphysical characteristic modes should be replaced for radiating and nonradiating characteristic modes.Bernabeu Jiménez, T.; Valero-Nogueira, A.; Vico Bondía, F.; Kishk, AA. (2018). On the Contribution to the Field of the Nonphysical Characteristic Modes in Infinite Dielectric Circular Cylinders Under Normal Excitation. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 66(1):505-510. https://doi.org/10.1109/TAP.2017.2768581S50551066

A Comparison between Natural Resonances and Characteristic Mode Resonances of an infinite circular cylinder

[EN] Here, some aspects in the interpretation of the solutions of a PEC infinite circular cylinder with the Theory of Characteristic Modes are presented. First, natural resonances and characteristic mode resonances (CMRs) are introduced and compared. Second, characteristic eigenvalues are used to find those natural resonances considering complex ka values. Furthermore, by linking the standard and the generalized eigenvalue problems, a relation between natural resonances and characteristic mode eigenvalues is shown. Finally, the thesis stating that external CMR does not imply maximum field scattering is also demonstrated.Bernabeu Jiménez, T.; Valero-Nogueira, A.; Vico Bondía, F.; Kishk, AA. (2017). A Comparison between Natural Resonances and Characteristic Mode Resonances of an infinite circular cylinder. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 65(5):2759-2763. doi:10.1109/TAP.2017.2670368S2759276365

Internal Natural Resonances Prediction through the Theory of Characteristic Modes

[EN] Some aspects in the interpretation of the resonances provided by the theory of characteristic modes for dielectric bodies are analyzed. The analysis has been performed analytically based on the Poggio-Miller-Chang-Harrington-Wu-Tsai formulation on a canonical problem, the infinite dielectric circular cylinder. First, natural resonances and characteristic mode resonances are presented and compared. It has been observed that characteristic mode resonances are in general near to internal natural resonances but not to external ones. It is also demonstrated that characteristic resonances become closer to internal natural ones as the relative permittivity of the dielectric cylinder is increasedThis work was supported by the Spanish Ministerio de Economia y Competitividad under the project TEC2013-47360-C3-3P. This paper is a theoretical research article and contains no data.Bernabeu Jiménez, T.; Valero-Nogueira, A.; Vico Bondía, F.; Kishk, AA. (2018). Internal Natural Resonances Prediction through the Theory of Characteristic Modes. Radio Science. 53(4):397-405. https://doi.org/10.1002/2016RS006178S39740553

Evaluation of reliability in functional assessment tools in patients on hemodialysis

Cada vez es más frecuente promocionar programas de ejercicio físico en pacientes en hemodiálisis. Se puede valorar la condición física de estos pacientes y el resultado de dichos programas con diferentes pruebas funcionales

Clonal chromosomal mosaicism and loss of chromosome Y in elderly men increase vulnerability for SARS-CoV-2

The pandemic caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2, COVID-19) had an estimated overall case fatality ratio of 1.38% (pre-vaccination), being 53% higher in males and increasing exponentially with age. Among 9578 individuals diagnosed with COVID-19 in the SCOURGE study, we found 133 cases (1.42%) with detectable clonal mosaicism for chromosome alterations (mCA) and 226 males (5.08%) with acquired loss of chromosome Y (LOY). Individuals with clonal mosaic events (mCA and/or LOY) showed a 54% increase in the risk of COVID-19 lethality. LOY is associated with transcriptomic biomarkers of immune dysfunction, pro-coagulation activity and cardiovascular risk. Interferon-induced genes involved in the initial immune response to SARS-CoV-2 are also down-regulated in LOY. Thus, mCA and LOY underlie at least part of the sex-biased severity and mortality of COVID-19 in aging patients. Given its potential therapeutic and prognostic relevance, evaluation of clonal mosaicism should be implemented as biomarker of COVID-19 severity in elderly people. Among 9578 individuals diagnosed with COVID-19 in the SCOURGE study, individuals with clonal mosaic events (clonal mosaicism for chromosome alterations and/or loss of chromosome Y) showed an increased risk of COVID-19 lethality

Interpretación y Empleo de la Teoría de Modos Característicos sobre Cavidades Metálicas y Dieléctricas para el Diseño de Antenas

Se ha estudiado el procedimiento analítico y numérico para resolver el problema electromagnético de dispersión mediante la teoría de modos característicos TMC. El objetivo es aplica eso al diseño de antenas metálicas y dieléctricas. El método utilizado está basado en el principio de equivalencia superficial teniendo en cuenta ecuación integral de campo eléctrico (EFIE) y la ecuación integral de campo magnético (MFIE). El diseño se ha llevado a cabo con los programas FEKO y MATLAB. Además, se ha desarrollado un método de diseño y trabajo. Finalmente, se estudia y diseñan una antena resonadora dieléctrica con forma de piramide cuadrada truncada y un antena para aplicaciónes de UHF y RFID.An analytical and numerical approach to solve the problem of electromagnetic scattering using the concepts of characteristic modes (CM) is studied. The aim is to apply that to conducting and dielectric antennas design. The method considered is based on the surface integral equation (SIE) formulation involving the use of the magnetic field integral equation (MFIE) and the electric field integral equation (EFIE). The desig is carried out with FEKO and MATLAB software. A brief discussion of the method implemented is showed. Finally, a Truncated Square Piramide Dielectric Resonator Antenna (TSP-DRA) and an Ultra High Frequency Antenna for Radio Frequency IDentification (UHF-RFID) is studied.Bernabeu Jiménez, T. (2013). Interpretación y Empleo de la Teoría de Modos Característicos sobre Cavidades Metálicas y Dieléctricas para el Diseño de Antenas. http://hdl.handle.net/10251/33369.Archivo delegad

Collimation method using a double grating system

We present a collimation technique based on a double grating system to locate with high accuracy an emitter in the focal plane of a lens. Talbot self-images are projected onto the second grating producing moiré interferences. By means of two photodetectors positioned just behind the second grating, it is possible to determine the optimal position of the light source for collimation by measuring the phase shift between the signals over the two photodetectors. We obtain mathematical expressions of the signal in terms of defocus. This allows us to perform an automated technique for collimation. In addition, a simple and accurate visual criterion for collimating a light source using a lens is proposed. Experimental results that corroborate the proposed technique are also presented

Evaluación de la fiabilidad en instrumentos de valoración funcional en pacientes en hemodiálisis

Introducción: Cada vez es más frecuente promocionar programas de ejercicio físico en pacientes en hemodiálisis. Se puede valorar la condición física de estos pacientes y el resultado de dichos programas con diferentes pruebas funcionales. Objetivo: Valorar la fiabilidad en términos de concordancia interobservador de las mediciones de capacidad funcional y fuerza muscular en pacientes en hemodiálisis. Material y Método: 30 pacientes en hemodiálisis realizaron una batería de pruebas funcionales en dos fases: Short Physical Performance Battery, equilibrio estático monopodal, Timed Up and Go, Test Sit-to-stand-To-Sit-5, Sit-to-stand-To-Sit-10, Sit-to-stand-To-Sit-60, fuerza de tríceps sural, 6 minutos marcha y dinamometría de la mano. Resultados: El índice de correlación intraclase para la fiabilidad interobservador fue para el test Sit-to-stand-To-Sit-5: 0,779; velocidad en 4 metros: 0,820; puntuación total Short Physical Performance Battery: 0,807; Sit-to-stand-To-Sit-10: 0,908; Sit-to-stand-To-Sit-60: 0,865; 6 minutos marcha: 0,897; Equilibrio monopodal: 0,925; Timed Up and Go: 0,918; Fuerza de tríceps sural derecho: 0,702; Fuerza de tríceps sural izquierdo: 0,995; dinamometría mano derecha con apoyo: 0,952; dinamometría mano izquierda con apoyo: 0,897; dinamometría mano derecha sin apoyo: 0,973; dinamometría mano izquierda con apoyo: 0,964. Conclusiones: La fiabilidad interobservador en la mayoría de las pruebas es alta, por lo que se puede aceptar que la valoración del estado funcional del paciente y de los resultados de los programas destinados a promocionar el ejercicio lo lleven a cabo diferentes observadores experimentados, lo que facilitaría el seguimiento de los pacientes

Evaluación de la fiabilidad en instrumentos de valoración funcional en pacientes en hemodiálisis

Resumen Introducción: Cada vez es más frecuente promocionar programas de ejercicio físico en pacientes en hemodiálisis. Se puede valorar la condición física de estos pacientes y el resultado de dichos programas con diferentes pruebas funcionales. Objetivo: Valorar la fiabilidad en términos de concordancia interobservador de las mediciones de capacidad funcional y fuerza muscular en pacientes en hemodiálisis. Material y Método: 30 pacientes en hemodiálisis realizaron una batería de pruebas funcionales en dos fases: Short Physical Performance Battery, equilibrio estático monopodal, Timed Up and Go, Test Sit-to-stand-To-Sit-5, Sit-to-stand-To-Sit-10, Sit-to-stand-To-Sit-60, fuerza de tríceps sural, 6 minutos marcha y dinamometría de la mano. Resultados: El índice de correlación intraclase para la fiabilidad interobservador fue para el test Sit-to-stand-To-Sit-5: 0,779; velocidad en 4 metros: 0,820; puntuación total Short Physical Performance Battery: 0,807; Sit-to-stand-To-Sit-10: 0,908; Sit-to-stand-To-Sit-60: 0,865; 6 minutos marcha: 0,897; Equilibrio monopodal: 0,925; Timed Up and Go: 0,918; Fuerza de tríceps sural derecho: 0,702; Fuerza de tríceps sural izquierdo: 0,995; dinamometría mano derecha con apoyo: 0,952; dinamometría mano izquierda con apoyo: 0,897; dinamometría mano derecha sin apoyo: 0,973; dinamometría mano izquierda con apoyo: 0,964. Conclusiones: La fiabilidad interobservador en la mayoría de las pruebas es alta, por lo que se puede aceptar que la valoración del estado funcional del paciente y de los resultados de los programas destinados a promocionar el ejercicio lo lleven a cabo diferentes observadores experimentados, lo que facilitaría el seguimiento de los pacientes