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Dissertação (mestrado) — Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2022. Este trabalho se concentra na construção de um modelo confiável no domínio temporal para os camposeletromagnéticos irradiados de uma antena. Tal modelo, que pode ser resumido como a função de Greendo aparato da antena, é baseado em duas frentes: a primeira é relativa ao conjunto de amostras do fasorcampo elétrico da antena previamente coletadas em laboratório em um conjunto de frequênciasconhecidas; enquanto a segunda seria uma adaptação do famoso teorema da amostragem de Nyquist,aqui usado para interpolar as amostras em frequência. Conforme é mostrado no trabalho, a reconstruçãoutilizando o método de Nyquist não é capaz de gerar campos elétricos causais. Por essa razão, o teoremageral de amostragem é estudado e um novo teorema é proposto a fim de corrigir a causalidade do camporeconstruído. Além disso, um novo método de identificação, baseado em um algoritmo modal-recursivoinspirado pelo Filtro de Kalman, é proposto e aplicado para estimar as amostras dos coeficientes modaisde uma antena minimizando as suas incertezas de estimação e, consequentemente, os seus vieses,implicando, dessa maneira, em estimadores mais confiáveis. This works is focused on the construction of a reliable model for the time-domain propagatingelectromagnetic field of an antenna. Such model, which can be seen as the Green's function of an antennasetup, is based on two pillars: the first regards a dataset of phasor electric field samples from the antennapreviously collected on laboratory over a collection of frequencies; while the second relies on an adaptationof the famous Nyquist sampling theorem used to perform an interpolation over the frequencies. As it isshown, the Nyquist reconstruction method is not capable of retrieving causal electric fields. For this reason,The general sampling theorem is considered and a new sampling theorem is proposed to correct thecausality of the reconstructed field. Moreover, a new identification method, based on a mode-recursivealgorithm inspired by the Kalman filter, is proposed and applied to estimate the mode coefficients of anantenna minimising their uncertainty and, consequently, their bias, hence leading to more reliableestimators.

Neste trabalho são apresentadas as formulações e as sínteses da antena duplo-refletora Cassegrain circularmente simétrica e de seu campo na abertura, que, segundo os princípios da Óptica Geométrica (GO), irradia um campo eletromagnético com diagrama de radiação ISOFLUX. Tal diagrama de radiação é capaz, em princípio, de compensar a atenuação espacial associada à cobertura oferecida por uma antena embarcada em satélite, propiciando uma cobertura uniforme sobre a superfície terrestre. As sínteses do campo na abertura e, posteriormente, das superfícies refletoras são baseadas nos princípios da GO. Para tal, assume-se que as dimensões (diâmetros) dos refletores são muito maiores do que o comprimento de onda. Este trabalho apresenta como contribuição o acréscimo do bloqueio causado pelo sub-refletor na formulação encontrada na literatura e adotada aqui como base para a etapa de síntese do campo na abertura. Também é apresentada a substituição de uma das equações da formulação usada como base para a síntese dos refletores, por outra que assegura a continuidade da fase sobre a área da abertura. Quatro exemplos de sínteses de antenas Cassegrain com diagrama de radiação ISOFLUX são investigados. Como as sínteses do campo na abertura e dos refletores não levam em consideração efeitos difrativos nas bordas dos refletores e o acoplamento mútuo entre refletores, uma análise mais rigorosa, baseada no Método dos Momentos (MoM), é realizada nas antenas sintetizas, com o intuito de validar os resultados obtidos. This work presents the formulation and synthesis for the circularly symmetric dual-reflector Cassegrain and its aperture field, which, according to the principles of Geometrical Optics (GO), radiates an electromagnetic field with a ISOFLUX pattern. Such ISOFLUX pattern is capable, in principle, of compensating the spatial attenuation associated with the coverage offered by antenna embedded in a satellite, providing uniform coverage over the Earth’s surface The syntheses of the aperture field and, later, of the reflective surfaces are based on the GO principles. For this, it is assumed that the dimensions (diameters) of the reflectors are much larger than the wavelength. This work presents as a contribution the addition of the blockage caused by the sub-reflector in the formulation found in the literature. This work also replaces one of the equations in the formulation used as basis for the dual-reflector synthesis, by another that ensures the continuity of the phase over the aperture area. Four examples of Cassegrain antenna synthesis with ISOFLUX patterns are investigated. As the syntheses of the aperture field and the reflectors do not take into account diffractive effects on the edges of the reflectors and mutual coupling between reflectors, a more rigorous analysis, based on the Method of Moments (MoM), is performed on the synthesized antennas, with the aim of to validate the results obtained.

Orientador: Hugo Enrique Hernandez Figueroa Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Resumo: A complexidade dos sistemas eletrônicos atuais cria a demanda por mais componentes num mesmo sistema, ao mesmo tempo em que exige sistemas mais compactos. Esta dissertação apresenta o desenvolvimento, fabricação e testes de uma antena GSM quadribanda, integrada a um módulo rastreador automotivo produzido no mercado nacional. A antena opera dentro das faixas de freqüências correspondentes _as bandas GSM 850/900/1800/1900, com desempenho adequado para uso no sistema de comunicação GSM, estando em conformidade com testes de TRP, sendo o produto final homologado pela ANATEL e agências reguladoras de outros países. A antena é um monopolo com dobras especiais para ajuste de ressonância. O casamento da antena com o sistema _e realizado via um toco em curto dobrado, não trivial, otimizado para um casamento banda-larga ao longo do espectro GSM ocupado Abstract: The complexity of today's electronic systems creates demand for more quantity and less cost of components in a system, at the same time that the system must be made smaller. This dissertation presents the design and tests of a quadband GSM antenna, embedded into an existing automotive tracking module produced in Brazil. The antenna operates within the GSM 850/900/1800/1900 bands, with performance suitable for its use in the GSM system, being in conformance with TRP tests. The final product is approved by Brazil's regulatory agency ANATEL and by other countries' agencies. The antenna is a monopole with special bandings for resonance adjustment. The antenna matching is achieved with a shorted bent stub, non-trivial, optimized for a broadband matching over the occupied GSM spectrum Mestrado Telecomunicações e Telemática Mestre em Engenharia Elétrica

Orientadores: Attilio Jose Giarola, Rui Fragassi Souza Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Campinas Resumo: Apresentam-se os diagramas de irradiação e introduz-se o formalismo de cálculo no desempenho em polarização cruzada para a antena a guia de onda cilíndrico, aberto, semi-infinito, com paredes de espessura infinitesimal, utilizando a técnica de WienerHopf. Os resultados computacionais são apresentados de forma a caracterizar completamente os campos distantes dessas antenas, operando no modo TE11 e são comparados com resultados experimentais ou teóricos obtidos pelo método dos momentos. Em adição, propõe-se e utiliza-se uma técnica para medida de correntes em superfícies metálicas que não necessita a introdução de sulcos nessa superfície. Obtém-se, dessa forma, a distribuição das correntes superficiais na parede externa do guia, assim como sua variação em função da espessura dessa parede. A partir da comparação com resultados obtidos por outros autores, que utilizam o método dos momentos, mostra-se o efeito causado pela espessura finita da parede do guia cilíndrico no desempenho dessa antena. Abstract: The radiation patterns and the theoretical development for the avaluation of the cross polarization behavior, using the Wienr-Hopf Technique, for semi-infinite and open cylindrical waveguide antennas with infinitesimal wall thickness are presented. The computed results are shown in a way as to completely characterize the far field of these antennas, operating in the TE11 mode. These results are compared with the available experimental data and theoretical results obtained by the moment's method. In addition, a technique for the measurement of currents in metal surfaces without the introduction of slots in these surfaces is described. This technique was used to measure the surface current distribution, as well as the effect of the wall thickness, on the external wall of the cylindrical waveguide. From the comparison of these measurements with the available theoretical results, obtained using the moment method, the effect of the thickness and the behavior of these antennas is analysed. Doutorado Doutor em Ciências

Orientador : Attilio Jose Giarola Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica Resumo: É apresentada neste trabalho a análise teórica de uma antena de microfita sobre um substrato cônico. A análise utiliza o modelo de cavidades com paredes laterais magnéticas na determinação da frequência de ressonância e impedância de a teoria das funções diádicas de Green, juntamente com as expressões assintóticas das funções esféricas de Hankel do segundo tipo, na obtenção dos campos distantes radiados pela antena. São apresentados também exemplos de antenas, operando no modo fundamental TM 01 e obtidos resultados para a frequencia de ressonância , impedância de entrada e diagrama de radiação do campo radiado distante. 0:1e resultados para a freqUência de ressonância, impedância de entrada e diagrama de radiação do campo radiado di stante. entrada da antena, e, juntamente com as esféricas de Hank el dist.antes radiados Abstract: A theoretical analysis of a microstrip antenna on a conical substrate is presented. The cavity model with magnetic side walls is used for the calculation of the antenna resonant frequency and input impedance and the dyadic Green's functions formulation, in conjunction with asymptotic expressions of spher i cal Hank el functions of second type, are used for the calculation of the radiated fields in the far field region of the antenna. Some antennas, operating in the TM 01 mode were chosen as examples and numerical results for the resonant frequency, input impedance and radiation pattern were obtained. Mestrado Mestre em Engenharia Elétrica

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Non-destructive assessment of multilayer media represents an inverse electromagnetic problem that can be solved with methods in the time- or frequency-domain. Solution techniques in the time-domain are more widely used and popular because they allow the use of simple equations to obtain the layers' properties from the Ground Penetrating Radar (GPR) measurements. For this, it is assumed that the dielectrics are low-loss, non-magnetic, and that the layers are linear, isotropic and homogeneous. However, the quality of the results depends directly on the adequate detection of the reflection peaks measured by the GPR. This can turn the technique unfeasible when there is an overlap between some of the signal components received by the GPR. In this context, this thesis proposed a new practical methodology to obtain the antenna design requirements (operating frequency and temporal response) that avoid overlapping reflected pulses. The methodology is based on the analysis of the inquiring signal and the evaluated multi-layer structure. The main contribution is that the proposed methodology enables the production of specific antennas for the analyzed multilayer problem, serving as a practical guide for GPR antenna design. A typical flexible pavement composed of three overlapping layers (asphalt, base, and subgrade) was the multilayer structure selected to show how the methodology can be applied to obtain the antenna requirements. Once the antenna requirements were obtained, the candidate antenna topologies were selected and two optimization approaches were proposed and evaluated: the first one consists of the frequency-domain optimization of a multi-objective problem based on traditional objective functions (impedance matching and gain), and the second optimization approach uses a time-domain electromagnetic solver to assess a new proposal of objective function directly in the time-domain (the received pulse amplitude). As a result of the frequency-domain optimization, an ultra-wideband (UWB) directive microstrip monopole antenna with admissible dispersion was obtained according to the design specifications extracted from the test problem. The antenna simulation was compared and validated with antenna measurements carried out in a non-anechoic environment. In turn, the optimization of the new single-objective function applied to two different antenna topologies (microstrip monopole and Vivaldi) allowed obtaining compact solutions that met the time-domain antenna requirement. Also, simulations of this optimization problem showed that the new objective function represents an alternative to the traditional multi-objective optimization approach. Besides, the definition of one single-objective function facilitates the antenna design process avoiding convergence problems and any posterior decision-making process. A avaliação não destrutiva de meios multicamadas representa um problema eletromagnético inverso que pode ser resolvido com métodos no domínio do tempo ou da frequência, sendo o primeiro mais largamente utilizado. Técnicas de solução no domínio do tempo são populares pois permitem o uso de equações simples e diretas para a obtenção das propriedades das camadas a partir das medições do radar de subsolo (GPR). Para isso são necessárias duas suposições: assume-se que os dielétricos são não magnéticos, de baixa perda e que as camadas são lineares, isotrópicas e homogêneas. Porém, a qualidade dos resultados depende diretamente da correta detecção dos picos de reflexão medidos pelo GPR, o que pode inviabilizar a técnica quando existe sobreposição entre algumas das componentes do sinal recebido pelo GPR. Nesse contexto, esta tese propôs uma nova metodologia prática para obter os requisitos de projeto da antena (frequência de operação e resposta temporal) que evitem a sobreposição de pulsos refletidos. A metodologia é baseada na análise do sinal de alimentação da antena e na estrutura multicamadas avaliada. A principal contribuição é que a metodologia proposta possibilita a produção de antenas específicas para o problema de multicamadas examinado, servindo como um guia prático para o projeto de antenas GPR. Foi escolhido um pavimento flexível típico composto por três camadas sobrepostas (asfalto, base e subleito) para mostrar como a metodologia pode ser utilizada para obter os requisitos da antena. Uma vez obtidos os requisitos da antena, topologias candidatas foram selecionadas e duas abordagens de otimização foram propostas e avaliadas: a primeira consiste na otimização no domínio da frequência de um problema multiobjetivo baseado em funções objetivo tradicionais (casamento de impedância e ganho), e a segunda abordagem de otimização utiliza um solucionador eletromagnético no domínio do tempo para avaliar uma nova proposta de função objetivo diretamente no domínio do tempo (a amplitude do pulso recebido). Como resultado da otimização no domínio da frequência, uma antena monopolo de microfita diretiva e de banda ultralarga (UWB) com dispersão admissível foi obtida de acordo com as especificações de projeto extraídas do problema de teste. A simulação da antena foi comparada e validada com medições da mesma realizadas em um ambiente não anecoico. Por sua vez, a otimização da nova função objetivo, aplicada a duas topologias de antenas diferentes (monopolo de microfita e Vivaldi) permitiu obter soluções compactas que atenderam ao requisito da antena no domínio do tempo. Além disso, simulações desse problema de otimização mostraram que a nova função objetivo representa uma alternativa à abordagem de otimização multiobjetivo tradicional. Além disso, a definição de uma única função objetivo facilita o processo de projeto da antena evitando problemas de convergência e qualquer processo posterior de tomada de decisão.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2021. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES). Este trabalho trata o problema de formatação de feixe usando técnicas de holografia em arranjos de antena sobre meta-superfícies na banda Ku. Um modelo da antena proposta é apresentado. Os elementos irradiantes usados na meta-superfície são antenas dipolo do tipo fenda. Esses elementos são posicionados acima da cavida dielétrica criada usando-se uma guia de onda de placas paralelas. A antena é concebida para ser reconfigurável, aonde sua reconfigurabilidade é feita variando-se o a polarização de diodos PIN incorporados no desenho da célula da meta-superfície. Devido a presença do diodo PIN, um circuito de polarização adicional precisou ser adicionado na antena, o qual inclui alguns vias passantes e outros detalhes que criam uma estrutura complexa. Este detalhe não permite que modelos analíticos genéricos e outras simplificações sejam usadas para calcular o holograma. Por este motivo, este trabalho usa os resultados da simulação eletromagnética de um um modelo CAD da antena proposta. Os campos eletromagnéticos resultados são então extraídos desse modelo e usados para se calcular o holograma. Essa abordagem permite a implementação dessa técnica para diferentes tipos de cavidade abaixo da meta-superfície. Para validar o procedimento, um holograma e seu respectivo diagrama de radiação são apresentados. Além do mais, uma otimização convexa é apresentada para melhorar a performance da antena, reduzindo o nível dos lóbulos secundários. This work describes the problem of beam-forming using the holographic technique in metasurface antenna arrays at Ku-band. A model of this antenna array is presented. The scattering elements in the metasurface are slot dipole antennas. These elements are placed above a dielectric cavity created using a Parallel-Plate Waveguide (PPW). The metasurface antenna array is proposed to be a reconfigurable antenna array, where its reconfigurability is provided varying the bias state of PIN diodes attached in the metasurface cells. Due to the PIN diode, an additional bias circuit must be added, which includes some through-hole vias and other details that create complex structures. This detail does not permit the use of common analytical methods and simplifications to compute the hologram. Due to this, in this work, a CAD model is drawn and simulated in full-wave software. The electromagnetic fields are then retrieved at this model and so used to calculate the hologram. This approach allows the implementation of this technique in any type of cavity underneath any type of metasurface. To verify the procedure, a hologram and its respective array factor are presented. Furthermore, a convex optimization method is presented to enhance the performance of the antenna, reducing the sidelobe level.

Orientador: Celso de Almeida Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Resumo: MIMO massivo (M-MIMO) é uma das tecnologias mais promissoras para os sistemas sem fio de quinta geração (5G) e além. M-MIMO usa um grande número de antenas na estação radio base (BS), atendendo a vários aparelhos de usuário (UTs). Além disso, ele apresenta um desempenho excepcional em termos da capacidade ergódica e da taxa de erro de bit (BER) usando detectores lineares, como o combinador de razão máxima (MRC), forçamento de zero (ZF) ou erro quadrático médio mínimo (MMSE) devido à redução da interferência e ao mecanismo de propagação favorável. No entanto, esse desempenho excepcional é alcançado somente na presença de canais invariantes no tempo (TIC) e quando a informação de estado do canal (CSI) é perfeita. As deficiências introduzidas por canais variantes no tempo (TVC) e por uma estimação de canal imperfeita limitam o desempenho do M-MIMO. Alguns trabalhos avaliaram essas deficiências em termos da BER usando apenas simulações. Além disso, a técnica de estiamção de canal com pilotos multiplexados (MPE) em conjunto com o estimador de erro médio quadrático mínimo (MMSE) são amplamente empregadas. No entanto, outras técnicas de estimação de canal, como a de pilotos sobrepostos (SPE) e a híbrida (HPE), que apresentam desempenhos diferentes em TICs e TVCs, podem também ser usadas em M-MIMO. Em geral, este trabalho aborda o desempenho do enlace de subida de sistemas M-MIMO para uma única célula em termos do fator de redução de interferência (IRF) e da BER. Para isso, o IRF de arranjos de antenas lineares (unidimensionais) e planares em canais com linha de visada (LOS) e sem linha de visada (NLOS) é calculada. A seguir, o erro quadrático médio normalizado (NMSE) do estimador e a BER são avaliadas para os detectores lineares MRC, ZF e MMSE usando as técnicas de estimação MPE, SPE e HPE em canais TICs e TVCs. As contribuições desta dissertação são resumidas a seguir. Expressões em forma fechada são derivadas para o IRF em função do espaçamento entre antenas de arranjos lineares e planares. Além disso, as condições de propagação favorável são apresentadas. As técnicas de estimação de canal MPE, SPE e HPE são apresentadas a seguir. Essas técnicas são avaliadas em termor do NMSE para TICs e TVCs. Além disso, expressões em forma fechada da relação sinal ruido mais interferência (SNIR) e da BER são derivadas para os detectores lineares em TICs e TVCs. Também, limitantes inferiores e superiores da BER são derivados. Por último, uma análise comparativa entre os detectores e as técnicas de estimação é apresentada. Em todos os cenários, modulações multinível de amplitude em quadratura (M-QAM) são consideradas. Simulações de Monte Carlo corroboram a precisão das expressões apresentadas Abstract: MIMO massivo (M-MIMO) é uma das tecnologias mais promissoras para os sistemas sem fio de quinta geração (5G) e além. M-MIMO usa um grande número de antenas na estação radio base (BS), atendendo a vários aparelhos de usuário (UTs). Além disso, ele apresenta um desempenho excepcional em termos da capacidade ergódica e da taxa de erro de bit (BER) usando detectores lineares, como o combinador de razão máxima (MRC), forçamento de zero (ZF) ou erro quadrático médio mínimo (MMSE) devido à redução da interferência e ao mecanismo de propagação favorável. No entanto, esse desempenho excepcional é alcançado somente na presença de canais invariantes no tempo (TIC) e quando a informação de estado do canal (CSI) é perfeita. As deficiências introduzidas por canais variantes no tempo (TVC) e por uma estimação de canal imperfeita limitam o desempenho do M-MIMO. Alguns trabalhos avaliaram essas deficiências em termos da BER usando apenas simulações. Além disso, a técnica de estiamção de canal com pilotos multiplexados (MPE) em conjunto com o estimador de erro médio quadrático mínimo (MMSE) são amplamente empregadas. No entanto, outras técnicas de estimação de canal, como a de pilotos sobrepostos (SPE) e a híbrida (HPE), que apresentam desempenhos diferentes em TICs e TVCs, podem também ser usadas em M-MIMO. Em geral, este trabalho aborda o desempenho do enlace de subida de sistemas M-MIMO para uma única célula em termos do fator de redução de interferência (IRF) e da BER. Para isso, o IRF de arranjos de antenas lineares (unidimensionais) e planares em canais com linha de visada (LOS) e sem linha de visada (NLOS) é calculada. A seguir, o erro quadrático médio normalizado (NMSE) do estimador e a BER são avaliadas para os detectores lineares MRC, ZF e MMSE usando as técnicas de estimação MPE, SPE e HPE em canais TICs e TVCs. As contribuições desta dissertação são resumidas a seguir. Expressões em forma fechada são derivadas para o IRF em função do espaçamento entre antenas de arranjos lineares e planares. Além disso, as condições de propagação favorável são apresentadas. As técnicas de estimação de canal MPE, SPE e HPE são apresentadas a seguir. Essas técnicas são avaliadas em termor do NMSE para TICs e TVCs. Além disso, expressões em forma fechada da relação sinal ruido mais interferência (SNIR) e da BER são derivadas para os detectores lineares em TICs e TVCs. Também, limitantes inferiores e superiores da BER são derivados. Por último, uma análise comparativa entre os detectores e as técnicas de estimação é apresentada. Em todos os cenários, modulações multinível de amplitude em quadratura (M-QAM) são consideradas. Simulações de Monte Carlo corroboram a precisão das expressões apresentadas Doutorado Telecomunicações e Telemática Doutor em Engenharia Elétrica CAPES

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2021. A tecnologia com múltiplas antenas (MIMO) vem sido amplamente considerada em canais sem fio, uma vez que a capacidade-soma cresce com o número de antenas. Esta tese foca no canal downlink com multiusuários (MU-MIMO), em que a estação rádio base deseja se comunicar com múltiplos usuários. Técnicas cujo desempenho se aproximam da capacidadesoma têm um custo computacional muito elevado, o que é inviável em cenários práticos. Por outro lado, métodos lineares, como forçagem a zero (ZF) e ZF regularizado (RZF), que são de baixa complexidade, têm um desempenho muito aquém da capacidade-soma. Como uma alternativa, técnicas de forçagem a inteiros (IF), que podem ser vistas como uma generalização dos métodos lineares tradicionais, foram propostas. O objetivo da pré-codificação IF é produzir um canal efetivo que é aproximadamente uma matriz inteira, ao invés da matriz identidade. Encontrar os parâmetros ótimos para a pré-codificação IF é uma tarefa difícil já que requer uma otimização inteira. Silva et al. propuseram dois métodos para a pré-codificação IF chamados DIF e RDIF. Eles também mostraram como encontrar os parâmetros ótimos de forma analítica para o caso especial K = 2 usuários. Nesta tese, é proposto um método sub-ótimo de baixa complexidade para encontrar parâmetros do esquema IF para qualquer número de usuários. O método proposto consiste em solucionar um problema de otimização relaxado e, em seguida, aplicar um algoritmo de redução de base de reticulado. É mostrado que o método proposto tem complexidade de O(K^3). Resultados de simulação mostram que o método proposto tem um desempenho superior aos métodos tradicionais de pré-codificação linear em todos cenários simulados. Uma segunda contribuição desta tese é combinar o esquema de pré-codificação proposto com modulação adaptativa, em que o transmissor seleciona a taxa e a energia para cada usuário baseado na probabilidade de erro de bit. Devido ao canal efetivo com coeficientes inteiros produzido pela abordagem IF, é necessário que o transmissor seja capaz de operar com modulações de diferentes cardinalidades. Os resultados de simulação mostram que, para valores medianos de SNR, o método proposto tem uma taxa-soma maior que os demais métodos comparados. Abstract: Multiple-input-multiple-output (MIMO) technology has been vastly considered in wireless channels since the sum capacity grows with the number of antennas. This thesis focuses on the multi-user MIMO (MU-MIMO) downlink scenario, where the base-station wants to communicate with multiple users. Techniques whose performance approach the sum capacity have a high computational cost, which is infeasible in practical scenarios. On the other hand, linear methods, such as zero-forcing (ZF) and regularized ZF (RZF), which are low-complexity, have a performance far below the sum capacity. As an alternative, integer-forcing (IF) techniques have been proposed, which can be seen as a generalization of traditional linear methods. The goal of IF precoding is to produce an effective channel that is approximately an integer matrix, rather than an identity matrix. Finding optimal parameters in IF precoding is a difficult task since it requires integer optimization. Silva et al. proposed two methods for IF precoding called DIF and RDIF. They also show how to analytically obtain optimal parameters in the special case K = 2 users. In this thesis, a low-complexity suboptimal method is proposed to optimize the parameters of an IF scheme for any number of K users. The proposed method involves solving a relaxation of the problem followed by the application of a lattice reduction algorithm and is shown to have an overall complexity of O(K^3). Simulation results show that the proposed method achieves a higher sum rate than a heuristic choice of parameters and significantly outperforms conventional linear precoding in all simulated scenarios. A second contribution of this thesis is combining the proposed precoding scheme with adaptive modulation, where the transmitter selects power and rate for each user based on the bit-error probability. Due to the integer effective channel in the IF approach, the transmitter must be able to operate with different modulation sizes. Simulation results show that for a medium range of SNR the proposed method allows a higher sum of spectral efficiency than other methods.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2020. Antenas de fio foram amplamente utilizadas no passado em sistemas de comunicação de TV e, mais recentemente, experimentaram um recrudescimento em sua popularidade e interesse em P&D com a digitalização de sinais de televisão. Dipoles, Yagis e Log-Periodics são exemplos comuns de antenas de fio e possuem comprimentos e geometrias ideais de acordo com os canais de TV desejados. Neste trabalho, um novo formato para uma antena Log-Periódica é obtido numericamente através da otimização angular com o auxílio de códigos de computador. A nova geometria produz uma resposta melhor em uma largura de banda de frequência desejada, quando comparada às geometrias clássicas retas ou em forma de V. Wire antennas have been widely used in the past in TV communication systems, and more recently have experienced a recrudescence in their popularity and R&D interest with the digitalization of television signals. Dipoles, Yagis and Log-Periodics are common examples of wire antennas and possess ideal lengths and geometries accordingly to the desired TV channels. In this work, a new shape for a Log- Periodic antenna is numerically obtained through angular optimization with the aid of computer codes. The new geometry yields a better response in a desired frequency bandwidth, when compared to the classical straight or V-shaped geometries.

Submitted by Bruna Dias Pires de Souza (bruna.dias@unesp.br) on 2021-02-24T22:06:11Z No. of bitstreams: 1 Dissertacao_Bruna_Dias_Pires_de_Souza_PPGEE_UNESP.pdf: 3330578 bytes, checksum: baceee7aaf9e7fd047a72dfd1e5b7c9e (MD5) Approved for entry into archive by JOÃO PEDRO ALVES CARDOSO (joao.cardoso@sjbv.unesp.br) on 2021-02-24T22:41:37Z (GMT) No. of bitstreams: 1 souza_bdp_me_sjbv.pdf: 3330578 bytes, checksum: baceee7aaf9e7fd047a72dfd1e5b7c9e (MD5) Made available in DSpace on 2021-02-24T22:41:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 souza_bdp_me_sjbv.pdf: 3330578 bytes, checksum: baceee7aaf9e7fd047a72dfd1e5b7c9e (MD5) Previous issue date: 2020-12-22 Antenas ópticas têm atraído uma atenção cada vez maior nos últimos anos, devido às suas aplicações em áreas tão diversas como espectroscopia, comunicações ópticas e detecção e alcance de luz (LIDAR). Semelhante às homólogas de radiofrequência (RF), antenas de arranjo de fase óptica (OPA) foram propostas para melhorar as propriedades de radiação e, simultaneamente, alcançar o controle dinâmico do padrão de radiação. No entanto, em contraste com os arranjos de fase de RF, a maioria das OPAs estão sujeitas a restrições físicas, as quais limitam a distância mínima entre os elementos, o que levam a arranjos denominados esparsos. Este é o caso, por exemplo, de OPAs compatíveis com semicondutores de óxido metálico complementar (CMOS). Arranjos esparsos uniformemente distribuídos apresentam lóbulos laterais fortes que podem causar interferência severa ou até mesmo falhas de segurança. A fim de reduzir o nível do lóbulo lateral (SLL), a distribuição não uniforme dos elementos tem sido amplamente empregada. No entanto, a relação entre o número de elementos, o espaçamento mínimo entre os elementos e a faixa de direcionamento do feixe não foram analisadas sistematicamente em um arranjo esparso linear sujeito a restrições físicas. Neste trabalho, primeiro foi analisado o efeito do direcionamento do feixe sobre o valor do SLL, mostrando que o SLL aumenta à medida que o feixe é apontado para direções distantes do broadside. Posteriormente, os arranjos foram otimizados com diferentes números de elementos, e distâncias médias e mínimas entre os elementos. Essas otimizações revelam vários pontos: primeiro, para a mesma distância média e separação mínima, a redução do SLL é mais proeminente à medida que o número de elementos aumenta. Em segundo lugar, o SLL é altamente dependente da relação entre a distância mínima e a média entre os elementos. Finalmente, quando as restrições físicas são impostas, há uma distância média entre os elementos ótima que resulta em um SLL menor. Optical antennas has attracted an increasing attention in last years due to its applicationsin areas as diverse as spectroscopy, optical communications, and light detection and ranging(LIDAR). Similar to the radio-frequency (RF) counterparts, optical phase array (OPA)antennas has been proposed to improve radiation properties and simultaneously achievedynamical control of the radiation pattern. However, in contrast to RF phased-arrays, mostOPAs are subject to physical constraints that limit the minimum distance between elementsleading to denominated sparse arrays. This is the case, for instance, of complimentarymetal-oxide-semiconductor (CMOS)-compatible OPAs. Uniformly distributed sparse arrayspresent strong side lobes that may cause severe interference or even security faults. Inorder to reduce the side-lobe level (SLL), the non-uniform distribution of elements hasbeen extensively employed. However, the relationship between the number of elements, theminimum inter-element spacing, and the beam steering range has not been systematicallyanalyzed in a linear sparse array subject to physical constraints. In this work, we firstanalyze the effect of beam steering on the value of SLL, showing that the SLL increases asthe beam is directed toward directions far from the broadside direction. Afterwards, weoptimize arrays with different number of elements, and mean and minimum inter-elementdistances. These optimizations reveal several points: first, for the same mean and minimumseparation, the SLL reduction is more prominent as the number of element increases.Second, the SLL is highly dependent on the relation between the minimum and the meaninter-element distance. Finally, when physical constraints are imposed, there is an optimummean inter-element distance that result in lowest SLL.

Dissertação (Mestrado) - Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. Bibliografia: f. 71-79 A energia elétrica tradicionalmente é transmitida em meios confinados como fios e cabos metálicos. Contudo, é possível transmiti-la através do ar, uma vez que ela assuma a forma de ondas eletromagnéticas. Estas ondas se propagam pelo espaço em todas as direções, e por isso parte da energia é perdida por dispersão, diminuindo a eficiência da transmissão. Neste trabalho é estudada uma maneira de se fazer convergir o campo magnético de modo a reduzir as perdas inerentes à transmissão sem fio provenientes de fenômenos como a propagação radial e reflexão. Para tanto são utilizados Metamateriais, estruturas normalmente periódicas, compostas por elementos naturais e que quando arranjados adequadamente podem ter comportamentos incomuns na natureza, como por exemplo, apresentar um índice de refração negativo. Os Metamateriais apresentam-se como uma opção para aumentar a eficiência na transmissão de energia sem fio, pois são capazes de fazer alterações nos campos elétrico e magnético de modo a funcionarem como uma lente de convergência. Em sua configuração tradicional podem ser confeccionados na forma de anéis ressonadores partidos ou fios finos, sendo denominados então como Metamateriais convencionais, ou através de uma linha espiral de material supercondutor, os chamados Metamateriais Supercondutores. A modelagem matemática de uma célula de Metamaterial Convencional e supercondutora foi realizada neste trabalho. Um sistema de transmissão de energia sem fio foi modelado em 3D num software para resolver problemas eletromagnéticos, onde três configurações foram simuladas: inicialmente sem Metamateriais, depois com os Metamateriais convencionais e por último com os Metamateriais Supercondutores, sempre pela técnica de acoplamento magnético ressonante forte. Foi feita uma investigação do comportamento de parâmetros como tensão, corrente, potência e eficiência em função da variação da distância entre as bobinas transmissora e receptora, com a alteração do resistor de carga, e também de acordo com o desalinhamento horizontal entre as mesmas bobinas, para todas as configurações de sistema, de modo a serem comparados. Os resultados obtidos mostram que os Metamateriais, independente do tipo utilizado no trabalho, foram responsáveis por fazer convergir o fluxo magnético disperso no ar, aumentando a eficiência na transmissão de energia sem fio. Some-se a isso o fato de que eles também se mostram úteis mesmo quando ocorre um desalinhamento entre as unidades transmissora e receptora, confirmando sua empregabilidade e benefícios em carregamento sem fio. Palavras-chave: Transmissão de energia sem fio. Acoplamento magnético ressonante forte. Metamateriais. The electric energy traditionally is transmitted in confined ways like metallic wires and cables. However, it is possible to transmit it through the air, once it takes over the electromagnetic waveform. These waves propagate through space in all directions, and because of it part of the energy is lost through dispersion, decreasing the efficiency of the transmission. In this work, a way to make the electromagnetic waves converge in order to reduce the losses inherent from phenomena such as radial propagation and reflection to wireless transmission is studied. For this purpose, Metamaterials are used, normally periodic structures, composed by natural elements and when properly arranged, can behave in an way not found in nature, such as having a negative refractive index. Metamaterials are an option to increase the efficiency in the wireless power transfer, because they are capable to make changes in the electric and magnetic fields in order to work like a converging lens. In its traditional configuration they can be made with split ring resonators or thin wires, these are the termed as Conventional Metamaterials, or through a superconductor Metamaterial spiral line and thus called superconducting Metamaterials. The mathematical modeling of a Conventional and Superconducting Metamaterial cell was performed in this work. A wireless power transfer system was implemented in a 3D electromagnetic solver, where three configurations were simulated: initially without Metamaterials, then with the Conventional Metamaterial and finally with superconducting Metamaterials, always by the strongly coupled magnetic resonance technique. There was an investigation of the behavior of parameters such as voltage, current, power and the efficiency according to the increase of distance between the transmitter and receiver coils, with the change of the load resistor, and also according to the horizontal misalignment between them, for all system configurations, in order to be compared. The results obtained show that the Metamaterials, regardless of the type used in this work, were responsible for converging the magnetic flow dispersed in the air, increasing the efficiency of the simulated wireless energy transfer system. In addition to that the fact that they are also useful even when there is a misalignment between the transmitting and receiving units, confirming their employability in wireless charging. Keywords: Wireless power transfer. Strongly coupled magnetic resonance. Metamaterials.

CASTRO, Armando José Neves de. Investigando a Estabilidade Térmica dos Compósitos da Matriz Ba2CoNbO6 (BCNO)1-X – CaTiO3(CTO)X] Operando Em Altas Frequências (Banda C). 2020. 133 f. Tese (Doutorado em Engenharia de Teleinformática) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2020. In this work, composites based on the ceramic matrix Ba2CoNbO6 (BCNO) 1-X- CaTiO3 (CTO) X were manufactured using the solid state reaction method. Cylindrical resonators were manufactured from a mixture of Ba2CoNbO6 and CTO using 0, 5, 12, 20 and 37% by weight of CTO. X-ray diffraction and scanning electron microscopy were used for structural and morphological characterization of the material. Rietveld's refinement was good, showing a single phase. Complex impedance spectroscopy showed high values for real impedance at low frequency, indicating polarization effects, as well as the imaginary impedance portrayed shifts in the peak frequency, showing that the conduction process is term activated, obeying Arrhenius law and the BCNO's calculated binding energy was 0.34 eV and 0.38 eV, showing that the conduction processes are the same. The complex impedance diagrams showed the contribution of the grain and the grain boundary to the conduction processes, being non-Debye processes. The temperature variation as a function of frequency was analyzed by the Silva-Fernandes-Sombra (SFS) technique to analyze the thermal stability of the material, in the microwave range, and for the concentration of 37%, it found a value of 0.98 ppm/ºC Hakki-Coleman, indicating that the insertion of the CTO improved the thermal stability of the material. The Hakki-Coleman technique showed values for permittivity ranging from 15.73 to 18.74. The cylindrical resonators were tested as antennas and distant field parameters such as bandwidth, directivity, gain, loss of return were analyzed, presenting values that enable the composite to work as a dielectric resonator antenna (DRA), operating in the range of 3 GHz to 5 GHz . Neste trabalho, foram fabricados compósitos baseados na matriz cerâmica Ba2CoNbO6 (BCNO)1-X-CaTiO3(CTO)X usando o método de reação no estado sólido. Ressoadores cilíndricos foram fabricados a partir de uma mistura de Ba2CoNbO6 e CTO usando 0, 5, 12, 20 e 37% em massa de CTO. Difração de raios X e microscopia eletrônica de varredura foram utilizadas para caracterização estrutural e morfológica do material. O refinamento de Rietveld apresentou bons resultados, mostrando fase única. A espectroscopia de impedância complexa apresentou altos valores para a impedância real em baixa frequência, indicando efeitos de polarização, bem como a impedância imaginária retratou deslocamentos da frequência de pico, mostrando que o processo de condução é termo ativado, obedecendo a lei de Arrhenius e a energia de ligação calculada do BCNO foi de 0.34 eV e 0.38 eV, através do deslocamento do pico da impedância imaginária e da condutividade em 1Hz, mostrando que os processos de condução são os mesmos. Os diagramas complexos da impedância mostraram a contribuição do grão e do contorno de grão nos processos de condução, sendo processos não Debye. A variação da temperatura em função da frequência de ressonância foi analisada pela técnica Silva-Fernandes-Sombra (SFS) para análise da estabilidade térmica do material, na faixa de micro-ondas, e para a concentração de 37% o valor de ηf foi de 0,98 ppm/ºC, melhorando a estabilidade térmica do material. A técnica de Hakki-Coleman mostrou valores para a permissividade variando de 15,73 até 18,74. Os ressoadores cilíndricos foram testados como antenas e parâmetros de campo distante como largura de banda, directividade, ganho, perda de retorno foram analisados apresentado valores que habilitam o compósito a trabalhar como antena ressoadora dielétrica (DRA), operando na faixa de 3 GHz a 6 GHz.

In this dissertation, the behavior of the addition of bismuth oxide (Bi2O3) on the BiCuTi3FeO12 ceramic matrix (BCTFO) was analyzed for application in dielectric resonant antennas (DRAs) in the microwave range. For this, composites were produced with the addition of Bi2O3 in the BCTFO matrix whose percentages varied from 0%, 20%, 60% and 80%. In order to confirm and study the crystalline structures of the BCTFO and Bi2O3 phases in the samples, X-ray diffractions were made. To characterize the microwave dielectric properties of these composites, first, the temperature coefficient of the resonance frequency (τf) was analyzed in each of the composites using the Silva-Fernandes-Sombra (SFS) method. As a result, such measures indicated thermal stability with increased Bi2O3 addition over the BCTFO ceramic matrix, as the τf varied from 1683 ppmºC-1 to 129 ppmºC-1 . Secondly, impedance measurements were made in the microwave range. Thus, the impedance measures indicated that the composites previously mentioned have resonant frequencies from 2.42 GHz to 3.65 GHz. In addition, the impedance measures also indicated a reduction in the relative permissiveness in relation to the percentage increase of Bi2O3 in the samples, because the relative permittivity varied from 71 to 21. Return losses were also obtained by means of impedance measurements in all samples and these showed less than -10 dB. In addition to the experimental measurements, computer simulations were used using the HFSS program in order to validate the data obtained experimentally and to obtain composite antenna parameters, such as: radiation diagram, directivity, gain and efficiency. Thus, all analyzed composites have good antenna parameters and can be applied as DRAs, since the efficiencies of all manufactured DRAs are above 50%. Nesta dissertação, foi analisado o comportamento da adição do óxido de bismuto (Bi2O3) sobre a matriz cerâmica BiCuTi3FeO12 (BCTFO) para aplicação em antenas ressoadoras dielétricas (DRAs) na faixa de micro-ondas. Para isso, foram produzidos compósitos com as adições de Bi2O3 na matriz BCTFO cujos percentuais variaram de 0%, 20%, 60% e 80%. Afim de confirmar e estudar as estruturas cristalinas das fases de BCTFO e Bi2O3 nas amostras, foram feitas difrações de Raios-X. Para caracterizar as propriedades dielétricas em micro-ondas desses compósitos, primeiramente, foi analisado em cada um dos compósitos o coeficiente de temperatura da frequência de ressonância (τf) por meio do método Silva-Fernandes-Sombra (SFS). Com isso, tais medidas indicaram uma estabilidade térmica com aumento da adição Bi2O3 sobre a matriz cerâmica BCTFO, pois o τf variou de 1683 ppmºC-1 a 129 ppmºC-1 . Segundamente, foram feitas medidas de impedância na faixa de micro-ondas. Dessa forma, as medidas impedância indicaram que os compósitos anteriormente citados possuem frequências ressonantes de 2,42 GHz a 3,65 GHz. Além disso, as medidas de impedância também indicaram uma redução da permissividade relativa em relação ao aumento percentual de Bi2O3 nas amostras, porque a permissividade relativa variou de 71 a 21. As perdas de retorno também foram obtidas por meio das medidas de impedância em todas as amostras e essas apresentaram menores que -10 dB. Além das medidas experimentais, foram usadas simulações computacionais por meio do programa HFSS com objetivo de validar os dados obtidos experimentalmente e de obter parâmetros de antenas dos compósitos, como: diagrama de radiação, diretividade, ganho e eficiência. Assim, todos os compósitos analisados possuem bons parâmetros de antenas e podem ser aplicados como DRAs, pois as eficiências de todas DRAs fabricadas estão acima de 50%.

FAPEMIG - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais O reaproveitamento da energia eletromagnética disponível no ambiente, para alimentar dispositivos de pequenas cargas, tem impulsionado diversas pesquisas. Dentro desse contexto, essa tese apresenta um estudo teórico e experimental de uma rectena, que é uma antena acoplada a um circuito retificador, usada na captação e conversão da energia disponível no ambiente na faixa de micro-ondas, em energia elétrica de corrente contínua. A utilização de rectenas para reaproveitamento de energia eletromagnética é uma aplicação recente, que deve levar em consideração as características do sinal recebido, tais como alta frequência e baixos níveis de potência. Essas características adicionadas a não linearidade do circuito retificador implicam em limitações no casamento de impedância entre a antena e o circuito retificador, conduzindo a necessidade de um projeto específico para cada aplicação. Geralmente a análise computacional completa do sistema rectena é complexa, uma vez que é importante considerar as duas partes: a antena e circuito retificador. Embora a análise do problema eletromagnético acoplado ao circuito não linear seja possível, a simulação comumente possui um custo computacional elevado dependendo do método numérico empregado. Logo, uma ferramenta de análise para rectena constituída de um modelo SPICE de extração de circuitos para a antena que permite a incorporação do circuito não linear é apresentada como alternativa para as soluções de onda completa baseadas em métodos numéricos. A metodologia proposta possibilita analisar o problema tridimensional da antena e o circuito retificador separadamente. Alternativamente, duas metodologias de projeto baseadas na otimização da impedância da antena são propostas a fim de aumentar a eficiência do sistema rectena. Primeiramente, uma técnica de projeto baseada na otimização da impedância da antena é proposta a fim reduzir a complexidade do circuito de casamento de impedância. Assim, o circuito retificador é projetado com um $stub$ simples a fim de manter a impedância do retificador próxima de 50$\Omega$. A impedância da antena é otimizada para casar com o retificador medido. Então, o sistema rectena projetado com a antena de impedância corrigida é comparado com um sistema constituído de uma antena de 50$\Omega$, para diferentes distâncias. Por fim, os resultados são validados com base em experimentos e dados disponíveis na literatura. Objetivando a eliminação completa do circuito casador, uma segunda abordagem foi desenvolvida onde uma topologia de antena foi otimizada para permitir o casamento direto com o circuito retificador. A análise do circuito retificador dobrador de tensão empregado aponta uma impedância relativamente baixa conduzindo à escolha de uma nova topologia de antena. A sintonização da antena é apresentada e seus resultados são comparados com a técnica inicial e trabalhos contemporâneos apresentados na literatura. The reuse of energy available in the environment to feed low power devices has led to many different research. Within this context, this paper presents a theoretical and experimental study of a rectenna, which is an antenna coupled to a rectifier circuit. It is used in the capture and conversion of energy, available in the environment, in the range of microwave frequencies into electrical DC power. The use of rectennas to reuse electromagnetic energy is a recent application, which should take into account the characteristics of the received signal, such as high frequency and low power levels. These characteristics added to the non-linearity of the rectifier circuit imply limitations in the impedance matching between the antenna and the rectifier circuit, leading to the need for a specific design for each application. Generally the complete computational analysis of the rectenna system is complex as it is important to consider both parts: the antenna and rectifier circuit. Although the analysis of the electromagnetic problem coupled to the nonlinear circuit is possible, the simulation commonly has a high computational cost depending on the numerical method employed. Therefore, a retinal analysis tool consisting of a SPICE antenna circuit extraction model that allows the incorporation of the nonlinear circuit is presented as an alternative to full wave solutions based on numerical methods. The proposed methodology makes it possible to analyze the three-dimensional problem of the antenna and the rectifier circuit separately. Alternatively, two design methodologies based on antenna impedance optimization are proposed in order to increase the efficiency of the rectenna system. Firstly, a design technique based on antenna impedance optimization is proposed in order to reduce the complexity of the impedance matching circuit. Thus, the rectifier circuit is designed with a simple stub to keep the rectifier impedance close to 50Ω. The antenna impedance is optimized to match the measured rectifier. Then, the rectenna system designed with the impedance corrected antenna is compared to a system consisting of a 50Ω antenna for different distances. Finally, the results are validated based on experiments and data available in the literature. In order to completely eliminate the matching circuit, a second approach was developed where an antenna topology was optimized to allow direct matching with the rectifier circuit. The analysis of the voltage doubling rectifier circuit employed points to a relatively low impedance leading to the choice of a new antenna topology. The antenna tuning is presented and its results are compared with the initial technique and contemporary works presented in the literature.

Conselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Fundação Araucária de Apoio ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico do Paraná Neste trabalho, nos concentramos na eficiência energética em redes de comunicação sem fio, especialmente comparando as vantagens da técnica de seleção de antenas (AS, Antenna selection) com outras técnicas de múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO, Multipleinput multiple-output). Portanto, discutimos dois cenários modernos de rede: primeiro consideramos a implantação estações rádio base de pequeno porte (SBS, Small base stations) e, em seguida, uma implantação de rede de dispositivo-a-dispositivo (D2D, Device-to-device). No cenário de SBS, analisamos a eficiência energética por área (AEE, Area energy efficiency) para as técnicas de seleção de antenas (AS), máxima razão na transmissão (MRT, Maximal ratio transmission) e multiplexação espacial (SM, Spatial multiplexing). Também empregamos diferentes níveis de atenuação de interferência e um modelo realista de consumo de energia. A partir desse cenário apresentamos a representação matemática e nossos resultados mostram que o AS tem maior AEE que as outras técnicas quando a demanda por capacidade do sistema é baixa, enquanto o SM se torna mais eficiente energeticamente quando a capacidade demandada é maior. No entanto, observamos que o AS tem mais eficiência energética por área para distâncias curtas, isso se deve à menor energia consumida pela cadeia de RF (RF, Radio Frequency) em todos os nós. Ainda, podemos concluir que o desempenho do sistema com pequenas SBS, em termos de AEE, é fortemente dependente da quantidade de interferência, que ao mesmo tempo depende do modelo de consumo de energia. Ademais, no cenário de comunicação D2D examinamos a técnica AS em comparação com a técnica MRT. Além disso, também assumimos que os nós D2D estão distribuídos de acordo com um processo de Poisson homogêneo (PPP, Poisson point process), os quais interferem uns com os outros. Em outras palavras, eles compartilham o mesmo espectro e empregam um número limitado de bits de feedback. Assim, os resultados numéricos mostram que a técnica de MRT possui maior eficiência espectral que o AS para um mesmo número de nós interferentes em uma determinada área. Por outro lado, a distância do par D2D tem um impacto maior no aumento da eficiência energética da área para a rede. Além disso, para curtas distâncias o esquema AS tem melhor desempenho em comparação ao MRT, mesmo quando esse último emprega um número maior de bits de feedback. É notavel o melhor desempenho do AS em comparação ao MRT para distâncias curtas quando o número de antenas de transmissão aumenta, ou seja, apesar de proporcionar maior taxa de dados, o aumento do número de antenas no MRT não compromete consideravelmente sua eficiência energética. In this work we focus on the energy efficiency in wireless communication networks, especially comparing the advantages of the antenna selection (AS) technique among other multiple-input multiple-output (MIMO) techniques. Therefore, we discuss two different network scenarios: first considering a small base stations (SBS) deployment, and then a device-to-device (D2D) network deployment. In the small SBS scenario we analyze the area energy efficiency (AEE) for antenna selection (AS), maximal ratio transmission (MRT) and spatial multiplexing (SM) techniques. We also employ different interference cancellation levels and a realistic power consumption model. We derive the mathematical representation and our results show that AS has a larger AEE among the other techniques when the demand for system capacity is low, while SM becomes more energy efficient when the demanded capacity is larger. However we observe that AS has more AEE for short distances, which is due to the lower energy consumed by the Radio Frequency (RF) chains in every node. Yet, we can conclude that the system performance with small SBS, in terms of AEE, is strongly dependent on the amount of interference, which at the same time depends on the power consumption model. In addition, our second scenario is the D2D communication network, where we examine the AS technique in comparison with MRT. Furthermore, we also assume that the D2D nodes are distributed according to a homogeneous Poisson process (PPP), which interfere with each other, i.e., share the same spectrum, and they employ a limited number of feedback bits. Therefore, in the numerical result we also observe MRT technique is more spectral efficient than AS regardless of the number of interfering nodes in the area. On the other hand, the distance of the D2D pair has a larger impact in increasing the AEE of the network, with AS outperforming MRT even when the latter employs a larger number of feedback bits. It is also noteworthy the performance of AS in comparison to MRT for short distances when the number of transmit antennas increases, i.e., despite providing higher data rate, measured in terms of the spectral efficiency, the increased number of antennas for MRT does not considerably compromises its energy efficiency.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2019. Esse trabalho analisa a sensitividade estatística como uma ferramenta de projeto para a antena Yagi Uda usando o software HFSS (High Frequency Structure Simulator) e a Transformada da Incerteza, Unscented Transform (UT). O estudo se baseia na análise da correlação, covariância e análise de regressão linear simples entre os parâmetros das variáveis de entrada e saída envolvidas no processo. Para tal foi montado um cenário usando uma antena Yagi com quatro elementos, a partir do qual os testes foram desenvolvidos. O alimentador da antena Yagi foi cortado para meio comprimento de onda. Os dados foram obtidos por meio de simulação usando o software HFSS. Após aplicar a UT nos dados do problema, fez-se um estudo da correlação entre as variáveis envolvidas no processo, sendo elas as distâncias entre os elementos, e o impacto disso nos parâmetros de saída, VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) e Ganho Total. A busca era por combinações com melhor desempenho e que tornasse a antena mais robusta, menos suscetível a pequenas variações da entrada. O objetivo era desenvolver um método matemático/estatístico para a otimização da antena. A posição inicial dos elementos da antena foi determinada por uma distribuição uniforme de probabilidade normalizada e adaptada aos intervalos considerados. Foram realizados testes de ganho e VSWR em diversas situações diferentes. As novidades nesse trabalho estão na aplicação da Transformada da Incerteza para determinar a posição inicial dos elementos da antena e para a obtenção das métricas, e também na aplicação do método de regressão linear simples para otimização do projeto. Com o estudo da correlação entre as variáveis é possível identificar as combinações que dão os melhores resultados, permitindo fixar algumas variáveis e calcular a posição exata da outra, produzindo os resultados esperados. This work analyses the statistic sensibility as a project tool for Yagi Uda antenna using the HFSS (High Frequency Structure Simulator) software and the Unscented Transform (UT). The study is based on the correlation, covariance and simple linear regression analysis among the input and output variables parameters involved in the process. For so it was mounted a scenario using one Yagi antenna with four elements, from which the tests were developed. The Yagi antenna feeder was calculated to half wavelength. The data were obtained by means of simulation using the HFSS software. After apply the UT in the problem data, it was made a correlation study among the variables involved in the process, been they the distances among the elements, and the impact of this in the output parameters, VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) and Total Gain. The idea was to seek the combinations with better performance and that have been turned it more robust, less susceptible to small input variations. The objective was to develop a mathematical/statistical method to the antenna optimization. The initial position of the antenna elements was determined by a uniform normalised probability distribution and adapted to the considered intervals. Gain and VSWR tests were realised in diverse different situations. The novels in this work are in the application of the Unscented Transform to determine the initial position of the antenna elements and to the metrics acquisition, and also in the simple linear regression method application to the project optimization. With the correlation study among variables it’s possible to identify the combinations that give the better results, permitting to fix some variables and to calculate the exact position of the other, yielding the expected results.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2019. Aplicações para técnicas de Direção de Chegada (DoA) têm crescido drasticamente em várias áreas, desde os tradicionais sistemas de comunicação sem fio e operações de resgate até os sistemas GNSS e rastreamento de drones. Particularmente, as forças policiais e as empresas de segurança têm voltado sua atenção para os dispositivos de rastreamento de drones, devido ao número de acidentes e incidentes envolvendo estes Veículos Aéreos não Tripulados (VANTs). Agora, novos sistemas e dispositivos que fornecem segurança a cidadãos e clientes cresceram e ganharam espaço no mercado. Para detectar a presença de drones e rastreá-los existe uma variedade de soluções altamente caras no mercado. Porém, a estimativa da localização de um alvo pode ser obtida usando hardware barato, comprado facimente no mercado, e com técnicas de Direção de Chegada. Data esta estimativa, algumas ações podem ser tomadas pelo responsável pela segurança no local. Trabalhos anteriores na estimativa de direção de chegada usando arranjo de antenas foram propostos, mas sem uma abordagem prática. Nesta dissertação, propõe-se um dispositivo de rastreamento de drones baseado em arranjo de antenas de baixo custo para ambientes externos. A solução proposta é dividida em partes de hardware e software. A parte de hardware do dispositivo proposto é baseada em componentes fáceis de serem encontrados no mercado, como um arranjo de antena omnidirecional, uma plataforma SDR (Rádio Definido por Software) de 4 canais com frequência de portadora variando de 70 MHz a 6 GHz, uma placa-mãe FPGA e um laptop. A parte do software inclui algoritmos para calibração, seleção de ordem de modelo (MOS) e estimativa de DoA, incluindo etapas específicas de pré-processamento para aumentar a precisão dos cálculos para os métodos de DoA. Avaliamos o desempenho de nossa solução de baixo custo, proposta para ambientes externos, e de acordo com as medições de campo, mostra-se que, quando o transmissor está na posição frontal, ou seja, com um DoA variando de -60° a 60°, o máximo e a média dos erros de DoA são 6° e 1,6°, respectivamente. Applications of Direction of Arrival (DoA) techniques have dramatically increased in various areas ranging from the traditional wireless communication systems and rescue operations to GNSS systems and drone tracking. Particularly, police forces and security companies have drawn their attention to drone tracking devices, due to the number of accidents and incidents involving Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). Now, new systems and devices that provide the safeness of citizens and clients, have grown and gained space on the market. In order to detect the presence of drones and to track them, there is a variety of highly expensive solutions in the market. In this way the estimation of a target’s location can be obtained using off-the-shelf hardware with Direction of Arrival techniques. Consequently some actions can be taken by the responsible for the security in that place. Previous works in DoA estimation using antenna arrays have been proposed but with no practical approach. In this dissertation, it is proposed a low cost antenna array based drone tracking device for outdoor environments. The proposed solution is divided into hardware and software parts. The hardware part of the proposed device is based on off-the-shelf components such as an omni-directional antenna array, a 4 channel Software Defined Radio (SDR) platform with carrier frequency ranging from 70 MHz to 6 GHz, a FPGA motherboard and a laptop. The software part includes algorithms for calibration, model order selection (MOS) and DoA estimation, including specific pre-processing steps to increase the DoA accuracy. The performance of our proposed low cost solution is evaluated in outdoor scenarios. According to our measurement campaigns, it is shown that, when the array is in the front fire position, i.e. with a DoA ranging from -60° to 60°, the maximum and the average DoA errors are 6° and 1,6°, respectively.

In this study the structural and dielectric properties of the ceramic matrix monoclinic phase BiVO4 (BVO) were investigated with mass addition of titanium oxide (TiO2) in the proportions of 8, 16, 24, 28 and 32wt.%, and calcium titanate (CaTiO3) of 15, 30, 45, 55 and 60wt.%. The solid-state reaction method was used for the production of powders BVO. After calcination at 500ºC, X-ray diffraction analysis was performed to characterize the structure and composition of the samples, proven through refinement Rieteveld. The samples were pressed in the form of cylinders at 800ºC. The study of the morphology was performed through Scanning Electron Microscopy (MEV) and the samples were compared using the density measurements obtained through the pycnometry. The dielectric characterization was performed in the radiofrequency regions (RF) and microwave (MW). A study of properties with temperature variation was made through possible application in RF and MW. The main objective was to obtain ceramic dielectric components with high dielectric constant, low dielectric losses, thermal stability, good bandwidth, gain and efficiency. At ambient temperature at 1Hz in RF, a giant dielectric constant value was identified (ε’ = 2,6x104 ), higher than the values found in the literature, of the order of 102 at a frequency of 10 Hz, and tangent of dielectric losses (tg ) of the order of 10-1 . From the analysis of the behavior in MW, obtained using the Hakki-Coleman, it was possible to verify a dielectric constant of 67 in the pure sample and 15,75 in the addition of 32% of CaTiO3 (CTO) tangent of dielectric losses in the order of 10-3 . The measurement of the temperature coefficient of the resonant frequency (f) showed the possibility of achieving thermal stability (f = 0). There was obtained f = - 244,02 ppm/°C to BVO and -69 ppm/°C and -2,75 ppm/°C for the addition of 22,8% of TiO2 and 16% of CTO, respectively. From 16% of CTO, the values of f oscillate between -79.06 and -43.99 ppm/°C, while the addition of TiO2 kept growing. Numerical simulations were performed showing reasonable agreement with the experimental data. Ceramics are useful for application in antenna devices, in satellite communications systems, radar, radio reception. Neste trabalho foram investigadas as propriedades estruturais e dielétricas da fase monoclínica da matriz cerâmica BiVO4 (BVO), com adição em massa de óxido de titânio (TiO2), nas proporções de 8, 16, 24, 28 e 32%, e titanato de cálcio (CaTiO3), de 15, 30, 45, 55 e 60%. O método de reação em estado sólido foi usado para a produção dos pós BVO. Após a calcinação, a 500ºC, foi feita a análise de difração de raios-X para a caracterização da estrutura e da composição das amostras, comprovadas através do refinamento Rieteveld. As amostras foram prensadas na forma de cilindros e sinterizadas a 800ºC. O estudo da morfologia foi realizado através de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e comparadas usando as medidas de densidade obtidas através da picnometria. A caracterização dielétrica foi realizada nas regiões de radiofrequências (RF) e micro-ondas (MW). Foi feito um estudo das propriedades com variação da temperatura para possível aplicação em dispositivos de RF e MW. O principal foco foi obter componentes dielétricos cerâmicos com constante dielétrica alta, baixas perdas dielétricas, estabilidade térmica, com boa largura de banda, ganho e eficiência. Em temperatura ambiente, na frequência de 1Hz em RF, foi identificado um valor gigante da constante dielétrica (ε’ = 2,6x104 ), bem acima dos valores encontrados na literatura, da ordem de 102 numa frequência de 10 Hz, e tangente de perdas dielétricas (tg ) da ordem de 10-1 . Da análise do comportamento em MW, obtida utilizando-se o método HakkiColeman, foi possível verificar uma constante dielétrica de 67 para a amostra pura e 15,75 para a adição de 32% de CaTiO3 (CTO) e tangente de perdas dielétricas na ordem de 10-3 . A medida do coeficiente de temperatura da frequência de ressonância (f) mostrou a possibilidade de atingir a estabilidade térmica (f = 0). Obteve-se um f = -244,02 ppm/°C para o BVO e -69 ppm/°C e -2,75 ppm/°C para a adição de 22,8% de TiO2 e 16% de CTO, respectivamente. A partir de 16% de CTO, os valores de f oscilam entre -79.06 e -43.99 ppm/°C, enquanto a adição de TiO2 manteve-se crescente. Simulações numéricas foram realizadas, mostrando razoável concordância com os dados experimentais. As cerâmicas são úteis para a aplicação em dispositivos de antenas, em sistemas de comunicações via satélite, radar, recepção de rádio

The data traffic demand in wireless communication systems has been growing at a fast pace with the widespread use of cellular systems and the emergence of the Internet of Things. To meet the large traffic requirements, the fifth-generation (5G) of cellular technology envisions transceiver systems operating at the millimeter wave spectrum with large-scale antenna arrays. However, this 5G system design faces many engineering challenges. Signal processing methods and architectures employed in classic multi-antenna systems are inadequate in the large-scale scenario. Standard signal processing techniques become computationally expensive and classical radio-frequency front-end architectures exhibit low energy efficiency. This thesis presents lowcomplexity and energy-efficient solutions to the design of large-scale multi-antenna systems. First, we propose multilinear filters to tackle the complexity issue in large-scale receive processing. We show that the proposed multilinear filtering methods drastically reduces the computational complexity with a slight performance deterioration compared to the classical linear approach. Concerning the energy efficiency of transceiver architectures, we investigate hybrid analog/digital (A/D) massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems with low-resolution data converters. We present efficient precoding schemes for hybrid A/D systems with fully- and partially-connected phase-shifting networks. We also introduce low-complexity double-sided massive MIMO transceiver schemes, where both the base station and the user equipment employ large-scale antenna arrays. In particular, we leverage the multi-layer filtering strategy to reduce the computational complexity and channel state information requirements of the transceiver design. Finally, we consider the problem of channel estimation under synchronization impairments. More specifically, we develop tensor-based algorithms for channel estimation in the presence of carrier frequency offset (CFO) and phase noise (PN). We start with the frequency-flat case by assuming CFO-corrupted measurements. Then, we turn our attention to the frequency-selective case by including both CFO and PN. A demanda de trafego em sistemas de comunicações sem-fio tem crescido a largos passos devido ao uso generalizado de sistemas celulares e a emergência da Internet of Things. Para lidar com as demandas de alto trafego, a quinta geração (5G) da tecnologia celular prevê sistemas transceptores operando no espectro de ondas milimetricas com arranjos de antenas de larga escala. Porém, esse projeto de sistema 5G enfrenta diversos desafios de engenharia. Os métodos e as arquiteturas de processamento de sinais utilizados em sistemas multi-antenas clássicos são inadequados nesse cenário de larga escala. Técnicas tradicionais de processamento de sinais tornam-se computacionalmente custosas, e as arquiteturas clássicas de front-end de rádio-frequência oferecem uma baixa eficiência energética. Esta tese apresenta soluções de baixa complexidade e energeticamente eficientes para o projeto de sistemas multi-antenna de larga escala. Primeiramente, propõe-se filtros multilineares para reduzir a complexidade no processamento de recepção de larga escala. Mostra-se que os métodos de filtragem multilinear reduzem significantemente a complexidade computacional com uma pequena perda de desempenho em relação a abordagem clássica linear. Quanto a eficiência energética das arquiteturas de transceptores, investiga-se sistemas multipleinput multiple-output (MIMO) massivos híbridos analógicos/digitais (A/D) com conversores de dados de baixa resolução. Propõe-se esquemas eficientes de pré-codificação para sistemas hıbridos A/D com redes de deslocamento de fase completamente e parcialmente conectadas. Apresenta-se também esquemas de baixo custo para transceptores MIMO duplamente massivos, em que a estação base bem como os dispositivos-usuários possuem arranjos de antenas de larga escala. Propõe-se a estratégia de filtragem em múltiplas camadas para reduzir a complexidade computacional e os requerimentos de channel state information do projeto de transceptor. Finalmente, considera-se o problema de estimação de canal sob problemas de sincronismo. Mais especificamente, desenvolve-se algoritmos baseados em tensores para a estimação de canal na presença de deslocamento de frequência da portadora (CFO) e ruído de fase (PN). Trata-se inicialmente do cenário com desvanecimento plano em frequência assumindo medidas corrompidas pelo CFO. Em seguida, foca-se no cenário com desvanecimento seletivo em frequência considerando ambos CFO e PN.

Non-orthogonal multiple access (NOMA) and massive multiple-input multiple-output (MIMO) have arisen as essential enabling technologies for meeting the demanding requisites of the fifth-generation (5G) of wireless communication networks. Specifically, massive MIMO explores the space domain through a massive number of antennas to serve multiple users in parallel, while NOMA can also serve multiple users simultaneously, but differently from MIMO, the parallel transmission is performed by multiplexing the users in the power domain, in which successive interference cancellation (SIC) is employed for reception. The combination of massive MIMO and NOMA can provide even further performance improvements. However, due to various impairments, such as closely spaced antennas, high spatial correlation, or deep fading in wireless channels, the system performance can still be degraded and the communication reliability impacted, which is not desired in the demanding 5G networks. Fortunately, it has been demonstrated that the installation of co-located orthogonal polarized antennas can alleviate the inter-antenna space limitations and correlation issues. The use of diversity strategies is also an effective way of mitigating the harmful effects of fading channels. In this context, this dissertation aims to enhance the performance of multi-cluster multi-user massive MIMO-NOMA networks through the application of both multi-polarization and diversity techniques. First, we design and evaluate the performance of dual-polarized massive MIMO-NOMA systems, in which a single base station communicates in downlink mode with multiple users, with all terminals being equipped with multiple co-located dual-polarized antennas. In particular, two precoder designs are proposed: (i) the first one aims to maximize the number of user groups that are simultaneously served within a cluster; and (ii) the second approach aims to provide further improvements compared to the first one by exploring polarization diversity. In the second part of this dissertation, we propose a novel successive sub-array activation (SSAA) diversity scheme for a single-polarized massive MIMO-NOMA system, in which we also consider the downlink mode. In this scenario, the base station sends redundant symbols through multiple transmit sub-arrays to multi-antenna receivers, based on which a low-complexity two-stage precoder, that is constructed based only on the long-term channel statistical information, is proposed. For both dual-polarized and SSAA systems, we carry out in-depth analytical studies, in which closed-form expressions for the outage probabilities are derived. High signal-to-noise ratio (SNR) outage approximations are obtained, and the systems diversity orders are determined. The ergodic sum-rates are also derived. Numerical and simulation results are provided to validate the analytical analysis and to demonstrate the performance superiority of the proposed designs. NOMA (non-orthogonal multiple access) e MIMO (multiple-input multiple-output) massivo são duas tecnologias essenciais para atender os exigentes requisitos da quinta geração (5G) das redes de comunicação sem fio. Especificamente, através de um número massivo de antenas, o MIMO massivo explora o domínio espacial para atender múltiplos usuários em paralelo. A técnica NOMA também serve múltiplos usuários simultaneamente, mas diferentemente do MIMO, a transmissão paralela e realizada através do domínio da potência, em que os usuários utilizam SIC (successive interference cancellation) para efetuar a recepção. A junção de MIMO massivo e NOMA consegue fornecer ganhos de desempenho ainda maiores. No entanto, devido a vários problemas, como pequeno espaçamento entre antenas, alta correlação espacial e desvanecimento profundo em canais sem fio, o desempenho do sistema ainda pode ser degradado e a confiabilidade da comunicação afetada, o que não é desejado nas exigentes redes 5G. Felizmente, foi demonstrado que a instalação de antenas com polaridades ortogonais pode aliviar as limitações de espaço entre as antenas e os problemas de correlação. O uso de estratégias de diversidade também é uma maneira eficaz de mitigar os efeitos prejudiciais dos canais de desvanecimento. Neste contexto, esta dissertação visa melhorar o desempenho de redes MIMO-NOMA massivas através da aplicação de multi-polarização e de técnicas de diversidade. Na primeira parte, projeta-se e avalia-se o desempenho de sistemas multi-cluster MIMO-NOMA massivo equipados com antenas de dupla polarização. Considera-se que uma única estação base (BS, do inglês base station) se comunica com múltiplos usuários em modo downlink e que todos os terminais também são equipados com múltiplas antenas de dupla polarização. Em particular, dois pré-codificadores são propostos: (i) o primeiro deles maximiza o número de grupos de usuários que são atendidos simultaneamente dentro de um cluster; e (ii) o segundo fornece maiores ganhos de desempenho em relação ao primeiro através da exploração de diversidade de polarização. Na segunda parte desta dissertação, propõe-se um novo esquema de diversidade para os sistemas MIMO-NOMA massivo, chamado de ativação sucessiva de sub-arrays (SSAA, do inglês successive sub-array activation). Para o sistema operando com SSAA, considerando um cenário com múltiplos clusters, em que a BS envia símbolos redundantes através de múltiplos sub-arrays para usuários com múltiplas antenas, propõe-se um pré-codificador de baixa complexidade construído apenas com as informações estatísticas do canal. Para todos os sistemas propostos (MIMO-NOMA com dupla polarização e SSAA), realizam-se estudos analíticos aprofundados, nos quais derivam-se expressões em forma fechada para as probabilidades de outage, e obtém-se as respectivas aproximações para altos valores de razão sinal-ruído (SNR, do inglês signal-to-noise ratio). Baseado nas análises assintóticas, as ordens de diversidade dos sistemas são determinadas. Expressões para as somas de taxas ergódicas também são derivadas. Resultados numéricos e de simulação são fornecidos para validar a análise analítica e demonstrar a superioridade de desempenho dos sistemas propostos.

This article presents a simple and economical technique for constructing a microstrip antenna for use in teaching the theory and practice of microstrip antenna design. The hardware components used to manufacture this microstrip antenna include an FR-4-printed circuit board, conductive copper tape, pencil, ruler, and scissors. Electromagnetic simulation software is an optional but helpful contribution to the process of teaching microstrip antenna theory.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2018. Diversas aplicações utilizam arranjos de sensores, por exemplo: radares; sonares; comunicações wireless; e aplicações de conformação de feixe - também conhecido beamforming, em inglês. Isso porque, com eles, é possível se obter diversas vantagens: ganhos de arranjo; rejeições de interferências; eficiência de potência ao maximizar a do sinal-de-interesse e minimizar as dos sinais interferentes; etc. Quando se trata de beamforming especificamente, o arranjo a ser utilizado pode conter um número elevado de elementos, o que acaba aumentando a quantidade de dados a serem processados e, consequentemente, o custo computacional. O objetivo principal desse trabalho é desenvolver formas de se reduzir essa complexidade computacional afetando, no mínimo possível, o desempenho do algoritmo. Já os objetivos específicos incluem: propor valores ótimos para determinados parâmetros do algoritmo utilizado no beamformer em questão; analisar o erro nos bits recebidos de acordo com adaptações intermitentes; e analisar o comportamento de algoritmos que estimam e re-estimam a direção-de-chegada dos sinais a partir de métodos consagrados. O algoritmo SMI - sample matrix inversion1 - utiliza das amostras colhidas na fase de treinamento para estimar a matriz de autocorrelação do sinal de interesse; já o LSMI - loaded sample matrix inversion2 - utiliza um fator de carga para carregar a diagonal, porém o valor ótimo para esse parâmetro não está bem definido na literatura. Por isso, um estudo sobre o fator de carga do algoritmo LSMI é feito. Na literatura, apresentam-se dois valores para esse parâmetro que proveem bom desempenho para o algoritmo. No entanto, verifica-se que, a depender do cenário, ele pode sofrer variações e não corresponder a esse dois valores sugeridos. Dessarte, faz-se um estudo acerca dos melhores valores do fator de carga conforme diferentes parâmetros são variados: número de antenas; número de sinais interferentes; potência do ruído ambiente; e incerteza na direção-de-chegada do sinal. O fator responsável pela maior parcela do custo computacional inerente aos algoritmos que se utilizam de matrizes de auto-correlação amostrais é justamente calcular essa matriz. Muitas das vezes, a diferença entre essas matrizes para adaptações sucessivas é pequena de forma que manter a matriz calculada anteriormente não degrada tão significativamente o desempenho do algoritmo. Por isso, algoritmos que a recalculam essas matrizes apenas quando ela já não estiver provendo desempenho satisfatório são desenvolvidos neste trabalho. Duas soluções em beamforming são interessantes: DS - delay-and-sum3 - pela simplicidade; LSMI pela robustez. Então, desenvolve-se um beamformer capaz de chavear entre os métodos de forma a reduzir o custo computacional quando o cenário estiver mais favorável e manter o desempenho quando o cenário estiver mais desfavorável. Duas situações são tratadas: quando a direção-de-chegada do sinal é fixa - não há ruído nela - e quando há incerteza na direção-dechegada e ela é variada aleatoriamente dentro de uma faixa designada - há ruído nela. Analisam-se também os casos em que a direção-de-chegada do sinal varia conforme o tempo e o beamformer tenta re-estimá-la quando o erro atinge determinado patamar. As adaptações são feitas em todas as iterações ou de acordo com o erro de recepção. O método WL é conhecido por prover ganhos em desempenho de sistemas de beamforming e, por isso, ele é testado em algoritmos já consagrados: DS; SMI; e LSMI. Dois cenários em relação à direção-de-chegada são tratados aqui: sem incertezas; e com incertezas. Curvas e dados estatísticos são levantados das simulações para se analisar as consequências nos comportamentos dos algoritmos. Various applications use sensor arrays: radars; sonars; wireless communications; beamforming; etc. With them, it is possible to obtain numerous advantages: signal gain; interference rejection; power efficiency; etc. In the case of beamforming specifically, depending on the size of the used array, it may be formed by a great number of elements, which means the data to be processed increases and, therefore, the computational cost. The main objective is to develop ways to reduce this computational complexity while affecting the performance of the algorithm as less as possible. Now, the specific objectives include: suggest optimal values for determined parameters of the algorithm; analyze the error in the received bits accordind to the intermittent adaptations; analyze the way the algorithms that recalculate the direction-of-arrival of the signals using established methods behave. A study about the loading factor of the LSMI algorithm is done. In literature, two values which provide good performance to the algorithm are presented for this parameter. However, it is verified that, depending on the scenario, the parameter can vary and not correspond to these two suggested values. Therefore, a study is done concerning the best values for the loading factor as different parameters are varied: number of antennas; number of interfering signals; ambient noise power; and direction-of-arrival uncertainty of the signal. It is noted that various optimal values can be established. The factor responsible for the biggest share of computational cost inherent to the algorithms that use autocorrelation sample matrices is the calculation of this matrix. Frequently, the difference between two subsequent matrices is so small that keeping the last calculated matriz do not degrade the algorithm performance so significantly. For this reason, algorithms that recalculate the matrix only when it is not providing satisfactory performance are developed in this dissertation. Two criteria for the error - treated as reception error - are set: real; complex. There are two particular solutions in beamforming: DS for its simplicity; LSMI for its robustness. Then, a beamformer capable of switching between the two methods is developed in order to reduce the computational cost when the scenario is propitious and keep the performance when the scenario is adverse. Two situations are studied: when the direction-of-arrival of the signal is fixed - there is no noise in it -; and when it changes randomly within a designated interval - there is noise in it. It is analyzed two cases in which the direction-of-arrival of the signal is varied according to time and the beamformer tries to re-estimate it when the error reached a certain level. The adaptations are done in all iterations or according to the reception error. The WL method is known to provide gains in the performance of beamforming systems and, therefore, it is tested in well-known algorithms: DS; SMI; and LSMI. Two scenarios treating the direction-of-arrival are analyzed here: with no uncertainties; with uncertainties. Graphics and statistical data are drawn from the simulations in order to analyze the consequences in the behaviors of the algorithms.

Em função da necessidade de projetos de televisão cada vez mais elaborados e precisos, este trabalho consiste em um estudo sobre a aplicação de modelos de propagação para projetos de radiodifusão baseados nos dados obtidos dos ensaios realizados em campo do sinal digital de televisão na cidade de Maringá, estado do Paraná. Foram medidos quarenta e oito pontos fixos e aproximadamente dois mil e setecentos pontos em movimento, com uma antena de transmissão apenas com polarização horizontal e outra antena com polarização elíptica. A adequação dos modelos em relação às medidas e métricas escolhidas neste estudo apontaram para modelos diferentes, dependendo de cada região. Due to the need for more and more elaborate and precise television projects, this work consists of a study on the application of propagation models for broadcasting projects based on the data obtained from the field tests of the digital television signal in the city of Maringá, state of Parana. Forty-eight fixed points and approximately two thousand and seven hundred moving points were measured, with a transmitting antenna only with horizontal polarization and another antenna with elliptical polarization. The adequacy of the models in relation to the measurements and metrics chosen in this study pointed to different models, depending on each region.

Esta pesquisa propõe uma etiqueta passiva exível que opera na faixa de 902-928 MHz de Ultra Alta Frequência (UHF) para aplicações de Radio Frequency Identication (RFID). A antena pequena tem uma dimensão de 13 mm x 28 mm x 0.4 mm e está composta de um substrato comercial exível com facilidade de obtenção, para ser colada sobre superfícies cilíndricas metálicas com diferentes tamanhos. A geometria da antena foi otimizada, usando o algoritmo genético, para maximizar sua distância de leitura. O desempenho da antena foi avaliado sobre superfícies planas e curvas, através de simulações da impedância de entrada, ganho, coeciente de reexão e distância de leitura. Além disso, medições do coeciente de reexão da etiqueta foram desenvolvidos. Os resultados da etiqueta RFID provam que a antena proposta pode ser utilizada sobre superfícies metálicas cilíndricas com uma distância de leitura superior a um metro para aplicações relacionadas com gestão de ativos industriais, controle de acesso, equipamentos médicos e da construção, identicação de peças metálicas pequenas como ferramentas, instrumentos de cozinha, recipientes metálicos e sprays. Adicionalmente, neste trabalho foi estudado o comportamento eletromagnético da antena sobre cilindros fabricados com materiais de polyethylene terephthalate (PET) para garrafas plásticas. Baseado no processo de otimização, que tem como objetivo maximizar o raio de cobertura da etiqueta, uma distância de leitura de um metro foi conseguida. Os resultados mostram que a antena tem um comportamento conável e útil sobre cilindros com pequeno raio. Além disso, a adição de líquidos dentro do material PET, dependendo de sua permissividade, pode incrementar a distância de leitura da etiqueta RFID. This research proposes an Ultra High Frequency (UHF) exible passive tag antenna for Radio Frequency Identication (RFID) which operates at 902-928 MHz band frequency. The small antenna has a dimension of 13 mm x 28 mm x 0.4 mm and contains a exible commercial substrate with ease of obtaining, for being attached over at and cylindrical metallic surfaces with dierent sizes. The geometry of the tag antenna was optimized, using a genetic algorithm, maximizing its read range at 915 MHz. The antenna performance was evaluated on at and curved surfaces, by simulations of input impedance, gain, reection coecient and read range. Also, measurements of reection coecient of the tag antenna were developed. The results of the RFID tag prove that the designed antenna can be wrapped on cylindrical metallic surfaces with read ranges above one meter, useful for applications of industrial asset management, access control, construction and medical equipment, and identication of small metallic items such as hardware tools, kitchenware, tin cans, and spray bottles. Additionally, in this work, a study about the electromagnetic behavior of the tag antenna mounted on cylinders fabricated with polyethylene terephthalate (PET) materials was developed. Based on optimization process, whose goal is maximizing the coverage ratio of the tag antenna, a read range of about one meter is obtained. Results show that the antenna has a reliable and useful behavior over cylinders with small radius. Furthermore, the addition of a liquid component inside the PET volume, depending on its permittivity, can increase the read range of the tag antenna.

Neste trabalho, é proposta a utilização de uma versão aprimorada da taxa efetiva de transmissão segura (EST, do inglês Effective Secrecy Throughput) recentemente proposta na literatura como métrica de desempenho, a qual, além de levar em consideração a taxa de transmissão e a probabilidade de sigilo no receptor (Bob), também limita a probabilidade de que informações vazem para o espião (Eve). Desta forma, o modelo proposto limita, dentre todas as informações enviadas pelo transmissor (Alice), a quantidade máxima que poderá ser obtida por Eve. A nova métrica é chamada de taxa efetiva de transmissão segura com restrições de sigilo. Além de propor esta nova métrica de desempenho, é avaliado qual o impacto no desempenho do sistema quando consideradas transmissões em radiofrequência (RF, do inglês Radio Frequency) e transmissões ópticas em espaço livre (FSO, do inglês Free-Space Optical), em um cenário MIMOME (do inglês Multipleinput Multiple-output Multi-antenna Eavesdropper) que leva em consideração múltiplas antenas (ou aberturas) em Alice e Bob. Para o cenário FSO, é demonstrado como o uso de relays pode aumentar a EST do sistema. Resultados numéricos são então obtidos para verificar as expressões analíticas, demonstrando a influência no desempenho do sistema ao se limitar a quantidade máxima de informações que podem ser obtidas por Eve. In this work, an improvement in the recently proposed performance metric effective secrecy throughput (EST) is presented, which, more than taking into account the secrecy rate and the secrecy outage probability, also limits the outage probability of the eavesdropper (Eve). Thus, the proposed scheme limits the maximum amount of information that Eve might be able to obtain of all the information sent by Alice. Under this new metric, referred to as EST with eavesdropper outage constraints, the impact on the system performance when considering a multiple-input multiple-output multiple-antenna eavesdropper (MIMOME) radio frequency and free-space optical (FSO) scenarios are evaluated. For the FSO scenario, it is also shown how the use of relays can increase the EST. Numerical results are performed to validate the analytical expressions, demonstrating the influence of limiting the maximum amount of information that might be obtained by Eve.

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2018. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES). Técnicas de processamentos de sinais para comunicações sem fio tem sido um tópico de interesse para pesquisas há mais de três décadas. De acordo com o padrão Release 9 desenvolvido pelo consorcio 3rd Generation Partnership Project (3GPP) sistemas utilizando múltiplas antenas foram adotados na quarta geração (4G) dos sistemas de comunicação sem fio, também conhecida em inglês como Long Term Evolution (LTE). Para a quinta geração (5G) dos sistemas de comunicação sem fio centenas de antenas devem ser incorporadas aos equipamentos, na arquitetura conhecida em inglês como massive multi-user Multiple Input Multiple Output (MIMO). A presença de múltiplas antenas provê benefícios como o ganho do arranjo, ganho de diversidade, ganho espacial e redução de interferência. Além disso, arranjos de antenas possibilitam a filtragem espacial e a estimação de parâmetros, ambos podem ser usados para se resolver problemas que antes não eram vistos pelo prisma de processamento de sinais. O objetivo dessa tese é superar a lacuna entre a teoria de processamento de sinais e as aplicações da mesma em problemas reais. Tradicionalmente, técnicas de processamento de sinais assumem a existência de um arranjo de antenas ideal. Portanto, para que tais técnicas sejam exploradas em aplicações reais, um conjunto robusto de métodos para interpolação do arranjo é fundamental. Estes métodos são desenvolvidos nesta tese. Além disso problemas no campo de redes de sensores e redes veiculares são tratados nesta tese utilizando-se uma perspectiva de processamento de sinais. Nessa tesa métodos inovadores de interpolação de arranjos são apresentados e sua performance é testada utilizando-se cenários reais. Conceitos de processamento de sinais são implementados no contexto de redes de sensores. Esses conceitos possibilitam um nível de sincronização suficiente para a aplicação de sistemas de múltiplas antenas distribuídos, o que resulta em uma rede com maior vida útil e melhor performance. Métodos de processamento de sinais em arranjos são propostos para resolver o problema de localização baseada em sinais de rádio em redes veiculares, com aplicações em segurança de estradas e proteção de pedestres. Esta tese foi escrita em língua inglesa, um sumário em língua portuguesa é apresentado ao final da mesma. Array signal processing in wireless communication has been a topic of interest in research for over three decades. In the fourth generation (4G) of the wireless communication systems, also known as Long Term Evolution (LTE), multi antenna systems have been adopted according to the Release 9 of the 3rd Generation Partnership Project (3GPP). For the fifth generation (5G) of the wireless communication systems, hundreds of antennas should be incorporated to the devices in a massive multi-user Multiple Input Multiple Output (MIMO) architecture. The presence of multiple antennas provides array gain, diversity gain, spatial gain, and interference reduction. Furthermore, arrays enable spatial filtering and parameter estimation, which can be used to help solve problems that could not previously be addressed from a signal processing perspective. The aim of this thesis is to bridge some gaps between signal processing theory and real world applications. Array processing techniques traditionally assume an ideal array. Therefore, in order to exploit such techniques, a robust set of methods for array interpolation are fundamental and are developed in this work. Problems in the field of wireless sensor networks and vehicular networks are also addressed from an array signal processing perspective. In this dissertation, novel methods for array interpolation are presented and their performance in real world scenarios is evaluated. Signal processing concepts are implemented in the context of a wireless sensor network. These concepts provide a level of synchronization sufficient for distributed multi antenna communication to be applied, resulting in improved lifetime and improved overall network behaviour. Array signal processing methods are proposed to solve the problem of radio based localization in vehicular network scenarios with applications in road safety and pedestrian protection.

Dissertação (Mestrado) - Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. As antenas são dispositivos capazes de enviar sinais eletromagnéticos pelo espaço e são fundamentais nos sistemas de comunicação sem fio. Apesar do avanço desses dispositivos, alguns modelos de antenas podem apresentar um desempenho insatisfatório considerando as exigências de mercado. Isso acontece com as antenas patch, que apresentam um ganho reduzido em determinadas aplicações. Este trabalho apresenta a otimização do ganho de uma antena patch com metamateriais, sendo o ganho da antena uma relação de sua eficiência total e diretividade. O objetivo é encontrar os melhores valores das dimensões construtivas da antena patch e de seus metamateriais. O processo de otimização se baseia em diversas simulações computacionais, visto que o levantamento analítico das expressões matemáticas da radiação de antenas patch com metamaterial é complexo, necessitando de mais investigação quanto ao seu comportamento físico. As simulações são realizadas no software comercial CST e aplicadas em conjunto com os métodos de algoritmo genético, algoritmo de enxame de partículas e descida coordenada, implementados em rotinas computacionais no software comercial Matlab. O projeto ótimo da antena, resultante das diversas simulações com os métodos de otimização, permitiu a construção de um protótipo para validação dos resultados das simulações computacionais onde, por meio de medições, foi comprovado seu alto desempenho. Palavras chave: Antenas patch. Metamaterial. Otimização. Antennas are devices capable of sending electromagnetic signals through space and are fundamental in wireless communication systems. Despite the advancement of these devices, some antenna models may perform poorly considering market requirements. This happens with patch antennas, which have a reduced gain in certain applications. This work presents the optimization of the gain of a patch antenna with metamaterials, the gain of the antenna being a relation of its total efficiency and directivity. The objective is to find the best values of the geometric dimensions of the patch antenna and its metamaterials. The optimization process is based on several computational simulations, since the analytical analysis of the mathematical expressions of the patch antenna radiation with metamaterial is complex, requiring more investigation about its physical behavior. The simulations are performed in commercial software CST and applied in conjunction with genetic algorithm methods, particle swarm algorithm and coordinate descent, implemented in computational routines in Matlab. The optimum antenna design, resulting from the various simulations with the optimization methods, allowed the construction of a prototype to validate the computational simulation results, where through measurements its high performance was proven. Keywords: Patch antennas. Metamaterial. Optimization.

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia. Departamento de Engenharia Elétrica, 2015. A proliferação de estações de radiocomunicação, em especial de estações radiobase, levantou uma preocupação mundial quanto aos possíveis efeitos à saúde associados aos campos eletromagnéticos radiados pelas antenas. Uma estação de radiocomunicação opera em conformidade às normas quando os valores de campos elétrico e magnético observados no ponto de máxima exposição atenderem aos limites estabelecidos. No caso de estação radiobase instalada em área ampla e aberta, esse ponto ocorre na direção de máxima radiação da antena e se localiza, usualmente, entre algumas dezenas a poucas centenas de metros de distância. Em ambientes urbanos que possuem relevante densidade predial, para a determinação do ponto de máxima exposição, é necessário utilizar o modelo que melhor reflita os mecanismos de propagação da onda eletromagnética. Nesse contexto, o objetivo geral deste trabalho é caracterizar o ambiente, do ponto de vista eletromagnético, de tal forma a auxiliar na avaliação da exposição humana a sinais de radiofrequência. A proposta leva em conta as características da antena do sistema radiante, como ângulo de meia-potência e lóbulos laterais; os mecanismos de propagação da onda eletromagnética, como visada direta, multipercurso e difração; e a representação da pessoa exposta. O objetivo específico é apresentar uma metodologia consistente, que identifique o local de máxima exposição, a fim de auxiliar na avaliação da conformidade de uma estação de radiocomunicação em relação aos limites de exposição humana a campos eletromagnéticos. O propósito é definir criteriosamente os pontos de medições em qualquer ambiente, urbano ou não, para que seja realizada a adequada avaliação da conformidade. A precisão da técnica é demonstrada por meio da aplicação da proposta em cenários simulados e reais. Embora o foco do trabalho seja as estações radiobase, a metodologia é geral e pode ser utilizada, por exemplo, na avaliação de sistemas de radiodifusão. O estudo sobre possíveis efeitos adversos à saúde está fora do escopo deste trabalho.

CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico Este trabalho apresenta um estudo teórico sobre novos tipos de antenas de dimensões reduzidas e de banda larga. O desenvolvimento de tais antenas foi baseado em alguns resultados da teoria geral sobre os limites fundamentais de antenas e em modificações e otimizações de antenas existentes na literatura. As antenas apresentadas neste trabalho são: o Monopolo de Koch Modificado, o Monopolo Espiral Retangular, o Monopolo Espiral Dobrado, combinações de dipolos elétricos (dipolo cilíndrico) e magnéticos (espira circular e quadrada) no espaço livre e sobre um plano condutor perfeito, e uma antena de microfita composta por um patch retangular e duas espiras. O método numérico utilizado para análise foi o Método dos Momentos (MoM), e as linguagens de programação utilizadas para a implementação computacional foram a do programa MatLab 6.0 e o Fortran. Por meio deste método numérico foram calculados os diversos parâmetros característicos para cada antena citada acima, tais como, distribuição de corrente sobre o condutor, impedância de entrada, freqüência de ressonância, coeficiente de reflexão, diagrama de radiação e diretividade em função da freqüência. Alguns resultados teóricos obtidos foram comparados com dados teóricos e experimentais disponíveis na literatura e com resultados calculados pelos programas comerciais HFSS e IE3D.

Agradecimentos: The authors would like to thank Adriane Marie Salm Coelho, Fernando Rangel de Sousa, Rodrigo Vinícius Mendonça Pereira and Daniel Basso Ferreira, who provided insight and expertise that greatly assisted the development of this work Abstract: Polarization diversity antenna arrays are applied to electronic support measures (ESM) systems since the 1980s. However, even today modern systems are conceived with the employment of the traditional and inconvenient spiral antennas and there are no studies that evidences most of the benefits of this technique applied to them. This paper aims at showing not only the advantages on polarization matching issues, but also the benefits in gain, in simpler truncation effect problems and in costs and time spent on design and production. After a brief approach strictly applied to ESM of the main features of spiral antennas and bow-tie antennas compounding a polarization diversity array, equations of the power available from the last were developed from the concept of effective length. The results demonstrate that the array could provide a power 8.7 dB higher than a modern spiral would to an ESM system when it receives vertical or horizontal linearly polarized waves, which multiplies by 2.7 the range of the system, besides also presenting a better performance in case of circularly polarized incident waves. This work has contributed to propose a replacement to the very common use of spiral antennas on the upcoming ESM system projects. This study is recommended for the areas of Electronic Warfare, Electromagnetic Devices and Applications and Ultra-Wideband Antennas Aberto

Agradecimentos: The authors thank Cid B. de Araujo for lending us the SLM Abstract: Phased arrays are expected to play a critical role in visible and infrared wireless systems. Their improved performance compared to single element antennas finds uses in communications, imaging, and sensing. However, fabrication of photonic antennas and their feeding network require long element separation, leading to the appearance of secondary radiation lobes and, consequently, crosstalk and interference. In this work, we experimentally show that by arranging the elements according to the Fermat's spiral, the side lobe level (SLL) can be reduced. This reduction is proved in a CMOS-compatible 8-element array, revealing a SLL decrement of 0.9 dB. Arrays with larger numbers of elements and inter-element spacing are demonstrated through a spatial light modulator (SLM) and an SLL drop of 6.9 dB is measured for a 64-element array. The reduced SLL, consequently, makes the proposed approach a promising candidate for applications in which antenna gain, power loss, or information security are key requirements COORDENAÇÃO DE APERFEIÇOAMENTO DE PESSOAL DE NÍVEL SUPERIOR - CAPES FUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE SÃO PAULO - FAPESP CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO - CNPQ Aberto

Agradecimentos: The successful installation, commissioning, and operation of the Pierre Auger Observatory would not have been possible without the strong commitment and effort from the technical and administrative staff in Malargue. We are very grateful to the following agencies and organizations for financial support: Argentina - Comision Nacional de Energia Atomica; Agencia Nacional de Promocion Cientifica y Tecnologica (ANPCyT); Consejo Nacional de Investigaciones Cientificas y Tecnicas (CONICET); Gobierno de la Provincia de Mendoza; Municipalidad de Malargue; NDM Holdings and Valle Las Lenas; in gratitude for their continuing cooperation over land access; Australia - the Australian Research Council; Brazil - Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientifico e Tecnologico (CNPq); Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP); Fundacao de Amparo a Pesquisa do Estado de Rio de Janeiro (FAPERJ); Sao Paulo Research Foundation (FAPESP) Grants No. 2010/07359-6 and No. 1999/05404-3; Ministerio de Ciencia e Tecnologia (MCT); Czech Republic - Grant No. MSMT CR LG15014, LO1305 and LM2015038 and the Czech Science Foundation Grant No. 14-17501S; France - Centre de Calcul IN2P3/CNRS; Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS); Conseil Regional Ile-de-France; Departement Physique Nucleaire et Corpusculaire (PNC-IN2P3/CNRS); Departement Sciences de l'Univers (SDU-INSU/CNRS); Institut Lagrange de Paris (ILP) Grant No. LABEX ANR-10-LABX-63 within the Investissements d'Avenir Programme Grant No. ANR-11-IDEX-0004-02; Germany - Bundesministerium fur Bildung und Forschung (BMBF); Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG); Finanzministerium Baden-Wurttemberg; Helmholtz Alliance for Astroparticle Physics (HAP); Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren (HGF); Ministerium fur Innovation, Wissenschaft und Forschung des Landes Nordrhein-Westfalen; Ministerium fur Wissenschaft, Forschung und Kunst des Landes Baden-Wurttemberg; Italy - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN); Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF); Ministero dell'Istruzione, dell'Universita e della Ricerca (MIUR); CETEMPS Center of Excellence; Ministero degli Affari Esteri (MAE); Mexico - Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologia (CONACYT) No. 167733; Universidad Nacional Autonoma de Mexico (UNAM); PAPIIT DGAPA-UNAM; The Netherlands - Ministerie van Onderwijs, Cultuur en Wetenschap; Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO); Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM); Poland - National Centre for Research and Development, Grants No. ERA-NET-ASPERA/01/11 and No. ERA-NET-ASPERA/02/11; National Science Centre, Grants No. 2013/08/M/ST9/00322, No. 2013/08/M/ST9/00728 and No. HARMONIA 5 - 2013/10/M/ST9/00062; Portugal - Portuguese national funds and FEDER funds within Programa Operacional Factores de Competitividade through Fundacao para a Ciencia e a Tecnologia (COMPETE); Romania - Romanian Authority for Scientific Research ANCS; CNDI-UEFISCDI partnership projects Grants No. 20/2012 and No. 194/2012 and PN 16 42 01 02; Slovenia - Slovenian Research Agency; Spain - Comunidad de Madrid; Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER) funds; Ministerio de Economia y Competitividad; Xunta de Galicia; European Community 7th Framework Program Grant No. FP7-PEOPLE-2012-IEF-328826; U.S.A. - Department of Energy, Contracts No. DE-AC02-07CH11359, No. DE-FR02-04ER41300, No. DE-FG02-99ER41107 and No. DE-SC0011689; National Science Foundation, Grant No. 0450696; The Grainger Foundation; Marie Curie-IRSES/EPLANET; European Particle Physics Latin American Network; European Union 7th Framework Program, Grant No. PIRSES-2009-GA-246806; European Union's Horizon 2020 research and innovation programme (Grant No. 646623); and UNESCO Abstract: An in-situ calibration of a logarithmic periodic dipole antenna with a frequency coverage of 30 MHz to 80 MHz is performed. Such antennas are part of a radio station system used for detection of cosmic ray induced air showers at the Engineering Radio Array of the Pierre Auger Observatory, the so-called Auger Engineering Radio Array (AERA). The directional and frequency characteristics of the broadband antenna are investigated using a remotely piloted aircraft carrying a small transmitting antenna. The antenna sensitivity is described by the vector effective length relating the measured voltage with the electric-field components perpendicular to the incoming signal direction. The horizontal and meridional components are determined with an overall uncertainty of 7.4(-0.3)(+0.9)%and 10.3(-1.7)(+2.8)% respectively. The measurement is used to correct a simulated response of the frequency and directional response of the antenna. In addition, the influence of the ground conductivity and permittivity on the antenna response is simulated. Both have a negligible influence given the ground conditions measured at the detector site. The overall uncertainties of the vector effective length components result in an uncertainty of 8.8(-1.3)(+2.1)% in the square root of the energy fluence for incoming signal directions with zenith angles smaller than 60 degrees CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO - CNPQ FINANCIADORA DE ESTUDOS E PROJETOS - FINEP FUNDAÇÃO CARLOS CHAGAS FILHO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO - FAPERJ FUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE SÃO PAULO - FAPESP Fechado

This thesis investigates the secrecy outage performance of multiple-input multiple-output (MIMO) wiretap channels, where a generalized selection combin- ing (GSC) scheme is assumed at the legitimate receiver, while the transmitter em- ploys a transmit antenna selection (TAS) technique and the eavesdropper adopts a maximal-ratio combining (MRC) scheme. Assuming that the eavesdropper is subject to noise and jamming, closed-form expressions for the secrecy outage probability and for the non-zero secrecy rate are derived. Based on the secrecy outage probability the diversity and array gains are determined after perform- ing an asymptotic analysis. The derived secrecy outage probability expression allows for arbitrary power distributed jamming signals, and are simplified to two special cases, i.e., distinct and equal power distributed jamming signals. Some representative numerical results are depicted to show the effects of the key sys- tem parameters on the secrecy performance. Finally, the proposed analysis is corroborated through Monte Carlo simulations. Esta dissertação investiga o desempenho de sigilo em canais espionados ( wiretap channel, em inglês) e com múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO, do inglês, multiple-input multiple-output), onde o esquema de combinação por seleção generalizada (GSC, do inglês, generalized selection combining) é ado- tado no receptor legítimo, enquanto o transmissor emprega a técnica de seleção de antena transmissora (TAS, do inglês, transmit antenna selection) e o espião (eavesdropper, em inglês) adota o esquema de combinação por razão máxima (MRC, do inglês, maximal-ratio combining). Se assume que o nó espião esteja sujeito a ruído e interferência (jamming, em inglês), e então expressões de forma fechada para a probabilidade de interrupção de sigilo (secrecy outage probability, em inglês) e para a taxa de sigilo não nula (non-zero secrecy rate, em inglês) são derivadas. Com base na probabilidade de interrupção de sigilo os ganhos de array e de diversidade são determinados após a realização de uma análise assintótica. A expressão de probabilidade de interrupção de sigilo obtida admite sinais interfer- entes de potências arbitrariamente distribuídas, e é simplificada para dois casos especiais, i.e. , sinais interferentes de potências distintas e de potências iguais. Alguns resultados numéricos representativos são apresentados para demonstrar o efeito de parâmetros sistêmicos fundamentais no desempenho de sigilo. Final- mente, a análise proposta é corroborada através de simulações de Monte Carlo.

In this dissertation, the physical layer security of wiretap channels with multiple antennas and outdated channel state information (CSI) at the transmitter is investigated in terms of the secrecy outage probability. The joint effect of multiple jamming signals and noise at the eavesdropper is studied. In parallel, it is analyzed the special case where only the transmitter is equipped with multiple antennas. On such models, the transmitter employs a transmit antenna selection (TAS) technique; the legitimate receiver uses either a selection combining (SC) or a maximal-ratio combining (MRC) scheme; and the eavesdropper adopts the MRC technique. Exact closed-form expressions for the non-zero secrecy rate and secrecy outage probability for arbitrary number of power distributed jamming signals are derived, by assuming both perfect and imperfect CSI. The attained expressions are simplified for two special cases: distinct and equal power distributed jamming signals. An asymptotic secrecy outage analysis is conducted, which shows that the expected diversity gain cannot be realized for imperfect CSI, and full diversity order can only be achieved under perfect CSI condition. In addition, those results reveal that the number of jamming signals as well as the number of antennas at the eavesdropper do not affect the system diversity order. Representative numerical examples are presented to illustrate the effects of the key system parameters on the secrecy outage performance. Finally, the proposed analysis is validated through Monte Carlo simulation results. Nesta disserta¸c˜ao, a segurança da camada física de canais wiretap com múltiplas antenas e com informa¸c˜ao de estado do canal (CSI, do ingles, channel state information) desatualizada, ´e investigada em termos da probabilidade de outage de sigilo. O efeito conjunto de múltiplos sinais de interferência e ruído no n´o malicioso ´e estudado. Paralelamente, ´e analisado o caso especial para um canal em que apenas o transmissor ´e equipado com múltiplas antenas. Nestes modelos, o transmissor utiliza a técnica de sele¸c˜ao de antena (TAS, do ingles, transmit antenna selection); o receptor legitimo usa os esquemas de combina ¸c˜ao por sele¸c˜ao (SC, do inglˆes, selection combining) e combina¸c˜ao por raz˜ao m´axima (MRC, do inglˆes, maximal-ratio combining); e o n´o malicioso adota somente a t´ecnica MRC. Express˜oes anal´ıticas exatas e em forma fechada para a probabilidade de outage de sigilo e a taxa de sigilo n˜ao-nula s˜ao derivadas, tanto assumindo CSI perfeita como CSI imperfeita, sendo aplic´aveis para sinais de interferˆencia com distribui¸c˜ao de potˆencias arbitr´arias. As express˜oes obtidas s˜ao simplificadas para dois casos especiais: sinais de interferˆencia com distribui¸c˜ao de potˆencias distintas e iguais. Uma an´alise assint´otica da probabilidade de outage de sigilo ´e realizada, mostrando que o ganho de diversidade esperado n˜ao pode ser realizado para uma CSI imperfeita e a ordem de diversidade completa apenas pode ser alcan¸cada em condi¸c˜oes de CSI perfeita. Al´em disso, estes resultados mostram que o número de sinais de interferência, bem como o n´umero de antenas no n´o intruso, n˜ao afetam a ordem de diversidade do sistema. Exemplos num´ericos representativos s˜ao apresentados para ilustrar os efeitos dos principais parâmetros do sistema no desempenho de outage de sigilo. Finalmente, a an´alise proposta ´e validada através´es de simula¸c˜oes de Monte Carlo.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2015. A migração do sistema de televisão analógico terrestre no Brasil tem como base o sistema japonês ISDB, versão terrestre, acrescido de modificações brasileiras. Este trabalho mostra como a Empresa Brasil de Comunicação (EBC) fez sua migração para o sistema digital. Descrevemos o sistema de transmissores, que tem como peça central o combinador de seis transmissores de alta potência em uma única antena. Simulações computacionais são feitas para determinar os níveis de sinal, e medidas são feitas para verificar a eficiência de cobertura do sistema. Um trabalho adicional é apresentado, comparando os resultados práticos da transmissão digital em VHF com os resultados obtidos em UHF. The migration from the analogue terrestrial television system in Brazil has the ISDB Japanese system, terrestrial version, as a basis, with Brazilian modifications added to it. This work shows how the EBC made its migration to the digital system. We describe the transmitter system, which has the six high power transmitters combiner, in a single antenna, as its centerpiece. Computer simulations are made to determine the signal strength, and, measuraments are taken with the purpose of verifying the system's coverage efficience. Also, there is an additional work which compares the practical results obtained by the VHF digital transmission with the ones obtained by UHF.

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. 2015. Este trabalho tem por objetivo desenvolver um procedimento para o controle de campos elétricos em vários pontos no espaço com um conjunto de antenas tridimensionais. Inicialmente foram usadas antenas dipolos ideais, e posteriormente, antenas cornetas piramidais para demostrar que antenas reais podem ser implementadas para este objetivo. É demostrado que a nova metodologia de controle de campos pode ser usada para a transmissão de informação em sinais digitais, bem como a multiplexação por divisão espacial, minimizando a interferência por posição espacial dos pontos de observações ou recepções. As interferências podem ter uma maior redução se forem usadas também polarizações 3D ortogonais entre usuários próximos. Dessa forma, pode-se aumentar a quantidade de usuários numa dada região com os mesmos recursos de tempo e frequência. É demonstrado que regiões são formadas onde a interferência entre os usuários é pequena. Visto que na literatura são encontradas aplicações para campos nós toroidais, é mostrado que o controle de campos gerados pelo conjunto de antenas tridimensionais podem ter outras aplicações: a geração de polarizações e linhas de campos nós toroidais. São discutidas duas formas de geração de polarizações nós torodais: a metodologia de controle de campos e a outra mais direta pela geração de campos com múltiplas freqüências de uma fundamental, sendo esta adotada para obter os resultados. Por fim, para a geração de linhas de campos nós toroidais, é apresentada a forma de geração pelo uso da metodologia de controle campos. A originalidade e importância deste trabalho consistem no desenvolvimento e introdução de métodos de síntese de antenas para o controle de campos e polarizações, incluindo as propostas tridimensionais e sua possível ortogonalização. Em especial, a importância desta tese é elucidada na aplicação dos novos resultados em Telecomunicações sem fio, em um cenário de transmissão de informação com modulação ASK e multiplexação SDMA, bem como na geração de linhas de campos nós toroidais, os quais podem ser encontrados na natureza ao redor de planetas, estrelas, em confinamento de plasma e em dispositivos de ressonância magnética nuclear. ______________________________________________________________________________________________ ABSTRACT This work aims to develop a procedure for electric fields control in infinite points in space with an array of three-dimensional antennas. Initialy, ideal dipole antennas were used, and thereafter pyramidal horn antennas were used to demonstrate that real antennas can be implemented for this purpose. It is shown that the new method of fields control can be used for the transmission of information into digital signals as well as spatial division multiplexing, minimizing interference by spatial position of the observations or receptions points. Interference may have a greater reduction if 3D orthogonal polarizations are also used between nearby users. Thus, the number of users in a given region can be increased with the same frequency and time resources. It is demonstrated that regions are formed where the interference between users is small. Since in the literature are found applications for torus-knotted fields, it is shown that the fields control generated by the array of three-dimensional antennas may have other applications: the generation of torus-knotted polarization and field line. Two ways of generating torus-knotted polarization are discussed: the method of field control and other more direct by the generation of multiple frequency fields in respect of a fundamental, being this adopted to obtain the results. Finally, the method of field control is used to show a way to generate torus-knotted field lines. The originality and importance of this work are the development and introduction of methods for synthesis of antennas for the field controls and polarizations, including three-dimensional proposals and their orthogonalization possibility. In particular, the importance of this thesis is elucidated in applications of wireless telecommunications, in a scenario of transmission of information with ASK modulation and SDMA multiplexing, as well as the generation of toroidal field lines, which can be found in nature around planets, stars, in plasmas confinement and nuclear magnetic resonance devices.

Orientadora : Profª. Drª. Cláudia Pereira Krueger Co-orientadora : Profª. Drª. Rosana Sueli da Motta Jafelice Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências da Terra, Programa de Pós-Graduação em Ciências Geodésicas. Defesa: Curitiba, 28/08/2015 Inclui referências : f. 112-121 Resumo: Em trabalhos que exigem a determinação e o posicionamento de pontos com alta acurácia utilizando-se o Global Navigation Satellite System (GNSS), é necessário conhecer os deslocamentos do centro de fase das antenas, denominado Phase Center Offset (PCO). Estes valores são obtidos por meio da calibração de antenas numa base de calibração apropriada. As coordenadas das estações conhecidas e as das estações a serem determinadas devem ser corrigidas destes valores. Estudos na Base de Calibração de Antenas GNSS da Universidade Federal do Paraná (BCAL/UFPR) mostraram que há correlação entre variáveis meteorológicas como temperatura, umidade relativa do ar e precipitação na determinação das componentes: norte (N), leste (E) e vertical (H) do PCO. Outras pesquisas estão sendo desenvolvidas nesta base e a pesquisa apresentada nesta tese contribui com uma técnica que permite calcular o parâmetro PCO por meio de SBRF, bem como fazer a previsão deste valor fornecendo uma alternativa para geração de parâmetros do PCO. Desta forma, utilizou-se a função Adaptive Neuro-Fuzzy Inference Systems (ANFIS) para gerar Sistemas Baseados em Regras Fuzzy (SBRF) tendo, como variáveis de saída, as componentes do PCO. Como variáveis de entrada do sistema utilizaram-se as variáveis ambientais temperatura, umidade relativa do ar e precipitação; e também variáveis obtidas do processamento da calibração de antenas sendo Positional Dilution of Precision (PDOP) e efeito do multicaminho. Foram construídos SBRF para cada uma das componentes N, E e H das ondas portadoras L1 e L2 utilizando-se um conjunto de dados de treinamento por meio da ANFIS. Os critérios para escolha dos SBRF construídos foram o cálculo do erro relativo (ER) e a raiz quadrada do erro médio quadrático (RMSE). Então, com os SBRF definidos, aplicou-se o conjunto de dados de verificação e compararam-se as componentes do PCO obtidos pelo SBRF com as obtidas pela calibração relativa de antenas. Para as componentes planimétricas N e E as diferenças foram menor ou igual a 0,90 mm para todos os conjuntos de dados utilizados. Porém para as componentes verticais H houve diferenças menor ou igual a 38,21 mm. Palavras-chave: Calibração de Antenas GPS. Variáveis Ambientais. Conjuntos Fuzzy. ANFIS. Abstract: In works that require determination and positioning points whith high acuracy through Global Navigation Satellite System (GNSS), It is necessary to know the PCO (Phase Center Offset) of the antennas. These values are obtained by antenna calibration in a appropriate base of calibration and the coordinates of stations known and stations that want to determine must be corrected these values. Studies in the antenna calibration basis (BCAL: baseline calibration station for GNSS antennas) at the Federal University of Paraná (UFPR; Curitiba, Paraná, Brazil), showed there is correlation between meteorological variables such as temperature, relative humidity and precipitation in determining the components: north (N), east (E) and vertical (H) of the PCO. In BCAL/UFPR researches have been developed, this research contributes to a technique that allows to calculate the PCO parameter by a Fuzzy rule-based system and allows too, predict these parameters, providing an alternative to generation of PCO parameters. Thus, was used the Adaptive Neuro-Fuzzy Inference Systems (ANFIS) to generate Fuzzy Rule-Based System (FRBS) having, as output variables, the components of PCO. As input variables of system, we used environmental variables temperature, relative humidity and precipitation; and also variables obtained from antenna calibration processing being Positional Dilution of Precision (PDOP) and multipath effect. Were constructed systems for each components N, E and H of L1 and L2 carrier signal using a set of training data through of ANFIS. The criteria for choosing the FRBS built were calculating the relative error (RE) and root mean square error (RMSE). Then, with the defined FRBS was applied a set data of verification and were compared the results obtained by SBRF with those obtained on the antennas calibration. For the palnimetric components N and E the differences were smaller than or equal to 0.90 mm for all data set. But for vertical components H there was less difference than or equal to 38.21 mm. Key-words: GPS antenna calibration. Environment variables. Fuzzy sets. ANFIS.

O presente trabalho apresenta um projeto e análise de uma antena monopolo planar multibanda operante nas frequências de 2000 MHz, 2500 MHz e 3500 MHz para aplicação em dispositivos móveis 3G e 4G. Dentre essas faixas estão contidos os espectros 3G (1895- 2165 MHz), 4G (2500-2690 MHz) e 4G (3400-3600 MHz) utilizadas pelo LTE e WIMAX 3,5. Para o desenvolvimento desse estudo foi tomado como referência uma antena dual-band de Hua- Ming Chen projetada para operar em sistemas ISM 1800 MHz, redes Wireless e Bluetooth 2400 MHz. O projeto proposto neste trabalho é uma modificação na estrutura da antena dual-band adaptada para tripla ressonância simultânea em frequências utilizadas em redes móveis 4G. Para alcançar o objetivo proposto utilizou-se para simulação o software CST® MICROWAVE STUDIO baseado no método Integração Finita no Domínio, as simulações foram feitas no domínio do tempo. Após obtenção satisfatória dos resultados simulados, um protótipo da antena foi confeccionado para medição e teste, os resultados apresentados são coerentes aos obtidos na simulação, o que valida o método proposto. This paper presents a design and analysis of a planar monopole antenna operating in multiband frequencies of 2000 MHz, 2500 MHz and 3500 MHz for use in 3G and 4G mobile devices. Among these bands are contained 3G (1895-2165 MHz), 4G (2500-2690 MHz) and 4G (3400-3600 MHz) spectra used by LTE and WIMAX 3.5. For the development of this study was taken as reference Hua-Ming Chen’s dual-band antenna designed to operate at ISM systems (1800 MHz), wireless networks and Bluetooth (2400 MHz). The project proposed in this work is a modification in the structure of the dual-band antenna adapted for simultaneous triple resonance frequencies used in 4G mobile networks. To achieve the proposed objective was used to simulate the CST® MICROWAVE STUDIO software based on the Finite Integration method in Domain; the simulations were done in the time domain. After obtaining satisfactory simulated results, a prototype antenna was built to test and measurement; the presented results are consistent with those obtained in the simulation, which validates the proposed method.

In this dissertation, we propose methods based on tensor signal processing for the parameter estimation in electric vector (Tripole) antenna arrays, considering different structures of arrays (ULA, L-shape and UPA). Initially, using a L-shape array, we develop a third order (3-D) tensor model for the received data. Based on this model, a trilinear alternating least squares (T-ALS) algorithm is used for the blind estimation of the source’s parameters. Then, under supervised transmission an alternative method is proposed by resorting to the SVD decomposition, which is compared to the T-ALS algorithm. A second approach is proposed, which is based on a uniform planar array antenna (UPA). In this case a fourth-order (4-D) tensor model is obtained, and the Q-ALS (Quadrilinear Alternating Least Squares) algorithm is used for parameter estimation. An alternative method is also proposed, which exploits the factorization of the Khatri-Rao product. Considering the supervised case, a new algorithm called Nested-SVD is proposed and a comparative study with Q-ALS, T-ALS and SVD algorithms is carried out. The performance of the proposed methods is evaluated through Monte Carlo simulations in different scenarios and array settings. Finally, computational modeling of electric tripole using the high frequency simulation software (HFSS) was performed, enabling the extraction of the L-shape and UPA spatial array gain. Then, the performance of the proposed tensor methods is evaluated in a more realistic scenario, and compared to idealized omnidirectional and unitary gain antenna array models Nesta dissertação são propostos métodos baseados em processamento tensorial de sinais para a estimação de parâmetros em arranjos de antenas vetoriais elétricas (Tripolo), considerando diferentes estruturas de arranjos (ULA, L-shape e UPA). Inicialmente, é utilizado um arranjo em L-shape,resultando em um modelo tensorial de terceira ordem (3-D) que, junto ao algoritmo de estimação T-ALS (do inglês, Trilinear Alternating Least Squares), possibilita a identificação cega de pelo menos o dobro de fontes estimadas pelos modelos tradicionais. Em seguida, sob transmissão supervisionada, é proposto um método alternativo, utilizando a decomposição SVD, o qual é comparado ao método tensorial com uso do algoritmo T-ALS. Uma segunda abordagem é proposta utilizando-se uma estrutura de arranjo planar de antenas (UPA), a qual faz uso de um modelo tensorial de quarta ordem (4-D) junto ao algoritmo de estimação Q-ALS (do inglês, Quadrilinear Alternating Least Squares). Neste caso, um método alternativo é proposto usando a fatoração do produto de Khatri-Rao e uma análise comparativa destes métodos é realizada. Considerando-se o caso supervisionado, é feito ainda um estudo comparativo dos algoritmos Q-ALS, T-ALS e SVD, e um novo algoritmo, chamado Nested-SVD é proposto. Por fim, foi realizada a modelagem computacional do tripolo elétrico com uso de software de simulação de alta frequência (HFSS), possibilitando a extração do parâmetro de ganho espacial dos arranjos L-shape e UPA. Em seguida, é feita a avaliação do desempenho dos métodos tensoriais propostos usando este parâmetro em uma situação mais realista, e comparado ao desempenho usando modelos idealizados de arranjos de antenas com ganho unitário e omnidirecional. O desempenho dos métodos propostos é avaliado através de simulações de Monte Carlo em diferentes cenários e configurações de arranjo

O objetivo deste trabalho é a implementação de uma metodologia que permita a caracterização completa de antenas impressas sobre substratos de pequenas perdas em faixas de frequência arbitrariamente largas. Para isso foi desenvolvida uma abordagem baseada em métodos em eletromagnetismo computacional no domínio do tempo, a saber, diferenças finitas no domínio do tempo com camadas perfeitamente casadas bem posicionadas (FDTD/WP-PML) e uma expansão em multipolos esféricos desenvolvida recentemente. A aplicação criteriosa do FDTD/WP-PML sobre geometrias típicas de antenas impressas permite a determinação acurada de suas propriedades elétricas como elementos de circuito: perda de retorno e impedância de entrada. O princípio da equivalência é empregado de maneira a usar os campos tangenciais sobre a grade espacial do FDTD/WP-PML em conjunto com a expansão em multipolos esféricos para se obter uma transformação de campos próximos em campos distantes, de forma que normas de sinais temporais de potência e energia podem ser aplicadas para o cálculo de diagramas de radiação, tanto em regime transiente quanto em regime permanente. Métodos computacionais no domínio do tempo foram escolhidos na metodologia aqui desenvolvida por permitirem uma caracterização de antenas aplicadas a modernos sistemas de comunicação digitais multi-banda e de faixa ultra-larga (UWB). A principal vantagem das técnicas no domínio do tempo baseadas nos multipolos esféricos é que estas técnicas permitem a obtenção do diagrama de radiação das antenas no domínio do tempo e no domínio da frequência, sendo, portanto, muito útil na caracterização unificada de antenas UWB no domínio do tempo e da frequência. Resultados são apresentados para a perda de retorno de antenas multi-banda típicas e de antena UWB, bem como para diagramas de radiação de uma antena UWB, atestando a aplicabilidade da metodologia aqui apresentada. In this work the characterization of wide-band printed antennas with lossy substrates is introduced by means of an approach based on time-domain computacional electromagnetics methods, namely, the finite-difference time-domain method with well-posed perfectly matched layers (FDTD/WP-PML) and a recently developed time-domain sphericalmultipole expansion. The application of the FDTD/WP-PML to printed antennas typical geometries allows the determination of their electrical properties as circuit elements: the return loss and input impedance. The equivalence principle is applied to the tangencial fields all over the FDTD/WP-PML spatial grid and the use of the spherical-multipole expansion leads to a near-to-far-field transformation, and energy and power norms of temporal signals are used to obtain the antenna radiation patterns for transient and steady-state responses. Time-domain computational electromagnetics methods have been chosen in this work because of the state of the art in printed antennas characterization intended to their application in modern digital multi-band communication systems, multiple-input multiple-output (MIMO) and ultrawide band systems (UWB). The main advantage of time domain multipole approach is that the radiated fields can be obtained for an antenna excited by any sources with pulsed temporal behavior and thus it allows the characterization of its radiation pattern in time and frequency domains. Such approach is very useful on performing an unified characterization of UWB antennas. Results are obtained for the return loss of MIMO multi-band and UWB antennas, as well as for the radiation pattern of an UWB antenna, and compared to those determined from standard methods available in the scientific literature in order to show the applicability of the methodology that has been developed herein.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, 2013. Nas últimas três décadas o estudo de técnicas de processamento de sinais em arranjos de sensores tem recebido grande atenção. Uma grande quantidade de técnicas foi desenvolvida com diversas finalidades como a estimação da direção de chegada, a filtragem ou separação espacial dos sinais recebidos, a estimação do atraso de propagação, a estimação da frequência Doppler e a pré-codificação de sinais na transmissão para maximização da potência recebida por outro arranjo. Técnicas para estimação da direção de chegada são de particular interesse para sistemas de posicionamento baseado em ondas de rádio, como os sistemas de posicionamento global e para o mapeamento de sensores em redes de sensores. Uma particularidade dessas aplicações é a necessidade de uma estimação em tempo real ou computacionalmente eficiente. Técnicas de estimação da direção de chegada que atendem esses requisitos requerem uma estrutura muito específica do arranjo de antenas que, em geral, não pode ser obtida em implementações reais. Nesse trabalho é apresentado um conjunto de técnicas que permitem a interpolação de sinais recebidos em arranjos de geometria arbitrária para arranjos de geometria específica, de forma eficiente e robusta, para possibilitar a aplicação de técnicas eficientes para estimação da direção de chegada em arranjos de geometria arbitrária. Como aplicações das técnicas propostas são apresentados o mapeamento preciso em redes de sensores e posicionamento preciso em receptores de sistemas de posicionamento global. _______________________________________________________________________________________ ABSTRACT In the last three decades the study of antenna array signal processing techniques has received significant attention. A large number of techniques have been developed with different purposes such as the estimation of the direction of arrival (DOA), filtering or spatial separation of received signals, estimation of time delay of arrival (TDOA), Doppler frequency estimation and precoding of transmitted signals to maximize the power received by a different array. DOA estimation techniques are of particular interest for positioning systems based on radio waves such as the global positioning system (GPS) and for sensor mapping in wireless sensor networks (WSNs). These applications have the particular requirement of demanding the estimations to be made in real time or with reduced computational complexity. DOA estimation techniques that fulfill these requirements demand very specific antenna array structures that cannot, in general, be obtained in real implementations. In this work a set of techniques is presented that allows the interpolation of signals received in arrays of arbitrary geometry into arrays of specific geometry efficiently and robustly to allow the application of efficient DOA estimation techniques in arrays of arbitrary geometry. As an application of the proposed techniques precise mapping for WSNs and precise positioning for GPS receivers is presented.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2013. O presente trabalho propõe uma arquitetura de sistema de controle de uma estação de solo para comunicação com satélites. A comunicação por satélite é de extrema importância. O uso de freqüências mais altas é cada vez mais necessário devido à sua maior disponibilidade. A comunicação em alta freqüência requer um desvio menor entre a direção de apontamento da antena e a direção real do satélite. Assim, o sistema de controlo tem um papel importante no projeto de uma estação de solo. Os principais temas de estudo são: (i) técnicas para estimar o desvio de apontamento, (ii) técnicas de controle de apontamento da antena, e (iii) modelagem da estrutura, atuadores e sensores. Como principais resultados, duas propostas foram feitas. O primeiro é a aplicação do filtro de Kalman, juntamente com uma técnica de rastreamento para estimar desvio de apontamento. Esta proposta mostrou uma melhoria significativa nos resultados quando comparada com outras técnicas de rastreamento. A segunda proposta é uma lei de controle preditivo baseado em modelo. As principais vantagens da técnica proposta são o baixo custo computacional quando comparado com outras técnicas de controle preditivo baseado em modelo, e um projeto simples em comparação comas técnicas tradicionais de controle. As propostas foram testadas avaliada por simulações. __________________________________________________________________________ ABSTRACT The present work proposes a control system architecture of a ground station for communication with satellite. Satellite communication is of utmost importance. The usage of higher frequencies becomes increasingly necessary given their greater availability. Communication in high frequency requires a smaller deviation between the direction of the antenna pointing and the real direction of the satellite. Thus, the control system takes an important role in the design of a ground station. The main topics of study are (i) techniques to estimate the pointing deviation, (ii) antenna pointing control techniques, and (iii) modeling of the structure, actuators and sensors. As main results, two proposals are made. The first is the application of the Kalman filter along with a scanning technique to estimate pointing deviation. This proposal showed a significant improvement in the results when compared with other scanning techniques. The second proposal is a control law based on predictive model. The main advantages of the proposed technique is the low computational cost when compared with other model predictive control techniques, and a simple design compared with traditional control techniques. The proposals were tested evaluated in simulations.

Resumo: Para se obter alta precisão e acurácia em um posicionamento deve-se atentar para todos os fatores que influenciam no resultado. Assim, em posicionamentos GPS (Global Positioning System) é necessário a eliminação parcial ou total dos erros presentes nas observações, particularmente os sistémicos. Um destes erros é o erro de centro de fase da antena GPS. Ele é diretamente dependente da antena utilizada, porque cada antena tem suas características próprias de construção e recepção do sinal GPS. Portanto, é de extrema importância o conhecimento individual do centro de fase da antena (Phase Center Offset - Phase Center Variation). Existem parâmetros fornecidos pelos NGS (National Geodetic Survey), no entanto, esses valores são médios e não valores próprios das antenas usadas nos posicionamentos GPS. Os parâmetros individuais das antenas, neste trabalho, foram fornecidos pela BCAL/UFPR (Base de Calibração de Antenas GNSS na UFPR). Foram realizados posicionamentos GPS em nove pontos, escolhidos de forma que cada três pontos tivessem comprimentos de linha de base similares (9 km, 45 km e 105 km). Para cada comprimento de linha de base os rastreios GPS seguiram simultâneos. Foi aplicado o Método de Posicionamento Relativo Estático, com um intervalo de gravação de dados igual à 15 segundos, máscara de elevação de 15° e duração dos rastreios de 6h. Na comparação das altitudes elipsoidais e dos comprimentos das linhas de base, foram encontradas diferenças significativas, entre o não emprego de parâmetros e a inserção dos parâmetros próprios da BCAL/UFPR no processamento dos dados, da ordem do centímetro. Quando analisada a altitude elipsoidal, foi observado que 83,33% dos processamentos, com linhas de base médias e longas, a precisão imposta só foi alcançada com a aplicação dos PCO-PCV próprios das antenas. Salienta-se que, os resultados obtidos com os valores da BCAL/UFPR, são provenientes da utilização de parâmetros próprios, desta forma, fiéis às antenas utilizadas, enquanto que os fornecidos pelo NGS são valores médios.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, 2013. Este trabalho foi dividido em duas partes. A primeira apresenta uma caracterização estatística do canal de comunicação sob a influência do corpo humano no terminal móvel, utilizando o conceito de super antena e modelos baseados em geometria estocástica. A influência dos perturbadores sobre o canal é percebida pela modificação dos diagramas de irradiação das antenas. Elementos PIFA, muito usados em terminais móveis por serem multi-bandas, são usados na montagem do terminal multi-antena, e a grande variação de posições e formas de segurar o terminal pelo modelo humano simulado possibilitou o estudo estatístico proposto. Concluímos neste trabalho que o corpo humano muda o canal de comunicação de uma distribuição Nakagami a uma Weibull para os cenários estudados. Além disso, a presença do corpo humano no campo próximo da antena resulta em uma pior taxa de cruzamento de nível, proporcional à distância entre o terminal e perturbadores. A segunda parte apresenta uma análise do desempenho do modelo de Kronecker. Este é comumente utilizado no projeto e análise esquemas de transmissão para sistemas MIMO. Este modelo é importante para se obter soluções matematicamente tratáveis, porém é criticado por ser irrealista. Neste trabalho é apresentada uma solução matemática para se determinar canais cujas estatísticas sejam tão longe de Kronecker quanto possível. O objetivo disto é mensurar o preço a ser pago por se utilizar um modelo tão simples e popular na literatura. Foram feitos estudos de casos utilizando algoritmos desenvolvidos a partir do modelo de Kronecker, a fim de avaliar a sua robustez. Os resultados obtidos indicam que, para os casos onde se busca obter uma alocação ótima de potência no transmissor e no projeto de sinais pilotos a suposição de Kronecker pode ser usada no desenvolvimento do algoritmo e proporciona um desempenho que é próximo ao ideal também para canais nos quais Kronecker não possui bom ajuste. Já para o terminal na presença do corpo humano, verifica-se que o modelo de Kronecker possui pior ajuste quando comparado com o cenário em que o terminal se encontra isolado. _______________________________________________________________________________________ ABSTRACT This study was divided in two parts. The first part presents a statistical characterization of communication channel under influence of the human body on mobile terminal using the concept of super antenna and geometry-based stochastic models. The disturbances are inserted into the channel through modified radiation patterns. Multi-band PIFA elements are used in the assembly of the multi-antenna terminal. Many terminal positions are set resulting in different interactions between body, terminal and propagation channel. This large variety of positions enables the statistical study. We have concluded in this work that the human body changes the communication channel from a Nakagami to a Weibull distribution for the studied scenarios. Furthermore, its presence in antenna near field results in worse level cross rating proportional to the distance between the terminal and disturbers. The second part presents a performance analysis of the Kronecker model. This is commonly used in the analysis and design transmission schemes for MIMO systems. This model’s advantage is that mathematically tractable solutions can be obtained, but it is criticized for being unrealistic. This work presents a mathematical solution for determining channel parameters whose are as far as possible from Kronecker. The goal of this is to quantify the price to be paid for using a simple and popular model as Kronecker. Case studies are carried-out using algorithms based on the Kronecker model in order to assess their robustness. The results indicate that the Kronecker assumption can be used for obtaining a closed solution for cases where it seeks to obtain an optimal power allocation at the transmitter. Besides, this solution provides a close to ideal performance also for channels that could not be modeled by Kronecker model. Similar results are observed for a pilot signal design for channel estimation using the same assumption. Nevertheless, for the terminal in the presence of the human body, the results indicate an inefficient channel representation when the Kronecker model is used.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Departamento de Ciências da Computação, 2013. O uso de antenas direcionais acopladas a dispositivos que permitam a comunicação sem o tem sido considerada uma alternativa para melhorar a utilização do espaço aéreo, a vazão e a redução de interferência. Apesar de prover um melhor uso do espaço aéreo, a utilização de antenas direcionais possui algumas limitações. Tais limitações decorrem das próprias características das comunicações direcionais, assim como do fato de que a mai- oria dos protocolos de controle de acesso ao meio (MAC) projetados para comunicações direcionais serem baseados no padrão IEEE 802.11. Apesar do padrão em questão ser am- plamente adotado na literatura correlata, ele foi projetado para suporte a comunicações omnidirecionais. Dessa forma, os protocolos MAC direcionais baseados no padrão IEEE 802.11 acabam herdando características do padrão que limitam o desempenho quando se considera o uso de comunicações direcionais. Este trabalho realiza um estudo e propõe melhorias para as técnicas relativas às comunicações direcionais. A principal contribuição deste trabalho é a proposta de uma técnica de reserva de canal otimizada para comunica- ções direcionais. A técnica proposta permite a realização da reserva de canal em menos tempo do que o gasto com o uso dos mecanismos tradicionais. Utilizando sinais pulse e tone, a técnica proposta (DPTCR) é avaliada tanto de maneira analítica como empírica. O DPTCR foi capaz de prover uma vazão até 40% maior do que as técnicas existentes. A segunda contribuição deste trabalho está na proposta de integração do DPTCR com técnicas direcionais já existentes, permitindo assim um melhor aproveitamento das ca- racterísticas das comunicações direcionais. A referida integração foi avaliada, indicando ganhos no que diz respeito à quantidade de transmissões simultâneas. Embora provenha diversos ganhos, a utilização de comunicações direcionais incorre em problemas ainda em estudo pela literatura correlata. Neste sentido, pode-se destacar o problema de surdez de antenas que pode acarretar situações de injustiça na distribuição dos recursos da rede. A terceira contribuição deste trabalho reside na proposta de um mecanismo (DPTCR-DA) que visa mitigar o problema de surdez em antenas direcionais. Este mecanismo de atenuação de surdez utiliza como base o DPTCR aliado à estimativa da ocorrência de surdez a partir de informações de uxos de tráfego. Nas avaliações apresentadas, o DPTCR-DA revela o seu potencial tanto no que tange à justiça na distribuição dos recursos da rede, quanto no que diz respeito à vazão de comunicações iniciadas pelo receptor. ______________________________________________________________________________ ABSTRACT The use of directional antennas attached to devices that enable wireless communi- cations has been considered an alternative to improve spatial reuse and throughput. Although the use of directional antennas provides better spatial reuse, it also imposes constraints on network performance. These constraints are inherited from directional communications characteristics, as well as the fact that most medium access control (MAC) protocols designed for directional communications are based on the IEEE 802.11 standard. Although the IEEE 802.11 standard is widely used, it was designed for omnidirectional communications. Thus, the directional MAC protocols based on the IEEE 802.11 standard inherit characteristics that limit the performance when considering the use of directional communications. This work aims to perform a study and propose improvements to techniques related to directional communications. The main contribution of this work is to propose a channel reservation technique which is designed for directional communications. The proposed technique performs channel reservation in less time than traditional schemes. Based on pulse and tone signals, the proposed technique (DPTCR)is evaluated from empirical and analytical perspectives. The results show that DPTCR is able to provide a throughput up to 40% higher than traditional schemes. Another contribution of this work is to incorporate packet scheduling techniques in order to better explore directional communications characteristics. The referred integration was eval- uated, improving the amount of simultaneous transmissions. Despite of its advantages, directional communications also impose severe constraints which are commonly addressed in related works. One of these shortcomings is the deafness problem, which may lead to an unfair assignment of network resources. The third contribution of this work is to propose a deafness mitigation technique (DPTCR-DA) that aims to minimize the deafness prob- lem. This technique is based on DPTCR coupled with the use of tra c ow information to estimate deafness occurrence. Performance evaluations reveal DPTCR-DA's potential in terms of fairness and throughput.

CNPq Nesta tese abordamos técnicas de diversidade espacial e cooperativa em dois tipos de sistemas de comunicação sem fio: sistemas digitais e sistemas analógicos. No âmbito dos sistemas digitais, consideramos a transmissão entre nós de uma rede de sensores sem fio. Uma vez que estas redes são caracterizadas por um grande número de nós, cuja quantidade de energia disponível é restrita, focamos em esquemas eficientes sob o ponto de vista do consumo de energia. Para tanto, analisamos protocolos cooperativos e técnicas com múltiplas antenas procurando delinear a real eficiência dessas técnicas em cenários práticos de redes de sensores sem fio, onde levamos em consideração questões como condição de linha de visada entre os nós, o consumo dos circuitos de transmissão e recepção, a presença ou não do canal de retorno, restrições de perda de pacotes e atraso, além de possíveis não linearidades no consumo das baterias dos dispositivos. Nossos resultados mostram que algumas das conclusões da literatura podem se inverter quando parâmetros mais adequados são levados em conta. Além disso, detalhamos as regiões mais eficientes de operação para cada método de transmissão nas referidas redes. Por outro lado, no âmbito dos sistemas analógicos, consideramos sistemas de codificação analógica conjunta fonte-canal que realizam uma compressão da largura de banda. Tais sistemas têm apelo em cenários nos quais a complexidade e atraso podem ser fatores limitantes. Nesse caso, procuramos primeiramente aplicar o que já existe na literatura no contexto de canais sem fio, para então focar em esquemas cooperativos e de múltiplas antenas que reduzam a distorção no receptor, buscando aproximar o desempenho desses sistemas ao seu limite teórico. Nossos resultados mostram uma melhoria de desempenho quando a diversidade espacial e cooperativa são utilizadas. Além disso, a solução analógica proposta se aproxima do limitante superior de desempenho de um sistema digital prático, com a vantagem de oferecer menor complexidade e atraso, além de maior flexibilidade no projeto do sistema. In this thesis we discuss spatial diversity and cooperative diversity techniques for two types of wireless communication systems: digital systems and analog systems. In the context of digital systems, we consider the transmission between nodes of a wireless sensor network. Since these networks are characterized by a large number of nodes, with limited amount of energy, we focus on efficient schemes from the point of view of the energy consumption. For this purpose, we analyze cooperative protocols and multiple antenna techniques trying to delineate the real effectiveness of these techniques in practical wireless sensor networks scenarios, where we consider issues such as line of sight, the energy consumption of the transmit and receive circuits, the availability or not of a feedback channel, packet loss and delay constraints, and possible nonlinearities in the battery consumption. Our results show that some of the conclusions of the literature can change if some of these parameters are taken into account. Furthermore, we detail the most efficient operation regions for each transmission method in such networks. On the other hand, in the context of analog systems, we consider analog joint source-channel coding systems performing bandwidth compression. Such systems are suitable for scenarios in which the complexity and delay can be limiting factors. In this case, we first apply some of the already existing concepts of the literature to the context of wireless channels, and then focus on cooperative schemes and multiple antenna techniques to reduce the distortion at the receiver, while trying to approximate the performance of these systems to their theoretical limit. Our results show a performance improvement when spatial and cooperative diversity are used. Moreover, the proposed analog solution approaches the upper bound performance of a practical digital system, with the advantage of lower complexity and delay, and more flexibility in the system design.

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2012. Devido ao expressivo crescimento dos sistemas de comunicações sem fio, diversos trabalhos vêm sendo apresentado com o intuito de aproveitar melhor o espectro de frequências. Esse trabalho propõe uma nova forma de se projetar antenas onde se leva em consideração não apenas o seu desempenho elétrico individual, mas também parâmetros do sistema de comunicação frequentemente desconsiderados em sistemas de comunicação no qual a antena está inserida. É mostrado que em ambientes com diversos enlaces, os tipos de modulações utilizados afetam o projeto de antenas. A técnica utilizada no projeto é baseada em otimização por Algoritmos Genéticos e visa obter níveis de lóbulos predeterminados em direções desejadas. A plataforma computacional que permite o projeto das antenas foi desenvolvida parte em linguagem Java e parte em linguagem MATLAB. Sua arquitetura é dividida em três partes: um módulo que realiza a análise de antenas; um módulo que realiza a análise de sistemas de comunicação; e um módulo que realiza integração entre os dois primeiros por uma camada de otimização por Algoritmos Genéticos. _______________________________________________________________________________________ ABSTRACT The explosive growth of wireless communication systems lead to several investigations aiming a more efficient usage of the frequency spectrum. The present work introduces a new way to design antennas, considering not only their individual electrical performance, but also other system parameters not usually considered. Scenarios are discussed and analyzed in detail in which several links and antenna lobes are taken into account, assessing the influence of the digital modulation schemes in the design of antennas. An optimization layer is employed based on the Genetic Algorithms and optimizes the sidelobe levels and directions according to the desired scenario. The computational platform was developed in Java and Matlab and can be divided in three parts: antenna analysis; communication systems; and the integrating optimization layer based on the Genetic Algorithm.