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402. Técnicas de inteligencia computacional para el diseño robusto de dispositivos radiantes
- Author
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Sánchez Montero, Rocío, Salcedo Sanz, Sancho, Portilla Figueras, José Antonio, and Universidad de Alcalá. Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones
- Subjects
Telecomunicaciones ,Señales, Teoría de (Telecomunicación) ,Inteligencia artificial ,Inteligencia artificial-Aplicaciones en telecomunicaciones ,Programación ,Programación evolutiva (Informática) ,Telecommunication ,Programming ,CIENCIAS TECNOLÓGICAS ,Electrónica ,Ciencias tecnológicas ,Electronics ,Antenas (Electrónica)-Diseño y construcción - Abstract
La tesis doctoral propone una nueva estructura de antena adecuada para ser utilizada en las bandas de frecuencia donde se proveen los principales servicios de telefonía móvil, y su proceso de optimización posterior, empleando algoritmos de programación evolutiva. La creciente demanda de ofrecer servicios de datos de alta velocidad, ha generado la necesidad de incrementar el ancho de banda de las antenas empleadas. Los elementos radiantes empleados tradicionalmente en el sector de las comunicaciones inalámbricas, dadas sus reducidas dimensiones y los bajos niveles de tasa de absorción específica (SAR), son las conocidas antenas planares de F invertida y las antenas de parche. Uno de los principales inconvenientes en este tipo de dispositivos es su reducido ancho de banda lo que imposibilita su uso en las nuevas generaciones de telefonía móvil. No obstante, al combinar ambas antenas en una única estructura, el ancho de banda mejora notablemente, al mismo tiempo que sus dimensiones se ven reducidas considerablemente con respecto a su tamaño original. La tecnología en la que se han implementado estos dispositivos es una variante de las líneas microstrip, conocida como coplanar waveguide (CPW). El substrato empleado ha sido uno de reducido coste como es el FR4. Sin embargo, el comportamiento de este material empeora conforme aumenta la frecuencia. Para analizar los posibles efectos adversos que este comportamiento desfavorable puede provocar en nuestro prototipo, y dado que en torno a los 5.6GHz se encuentra la frecuencia de trabajo del servicio WIFI UNII, se ha realizado un estudio tanto teórico como práctico del comportamiento de la antena propuesta. El análisis teórico se ha llevado a cabo mediante la simulación del dispositivo empleando materiales con diferentes tangentes de perdidas. La parte experimental se ha realizado mediante la construcción y medida del prototipo con un material de altas prestaciones como es Ro4320. Tanto en el estudio teórico como en el experimental, los resultados obtenidos demuestran que el comportamiento de la antena no se ve afectado significativamente, por el empleo de un substrato de bajas prestaciones. La antena propuesta está formada a partir de la hibridación de una antena parche y una antena PIFA, alimentada de modo único mediante una línea CPW. Con anterioridad al proceso de optimización, y debido a la cantidad de parámetros que conforman la antena bajo estudio, es necesario conocer cuáles son los que debemos modificar para conseguir nuestro objetivo. Para ello se ha realizado un estudio paramétrico. Este estudio nos ha permitido determinar que son seis las variables: longitud (Lg) y anchura (Wg) del plano de masa, longitud (B) y anchura (A) del lado estrecho que conforma el plano de radiación de la antena PIFA, radio de la antena parche (ri) y radio de la circunferencia de separación entre el parche y el plano de masa (ro), que será necesario ajustar para conseguir incrementar el margen de frecuencias de funcionamiento. Además del proceso de hibridación, que dio lugar a la conformación del prototipo propuesto en esta tesis, ante la ausencia de un modelo equivalente que permita ajustar la respuesta conjunta de la antena, el empleo de las técnicas de inteligencia computacional va a permitir el proceso de optimización necesario para el ajuste de la respuesta en frecuencia de la antena. La respuesta de la programación evolutiva tras la optimización, ha dado lugar a un dispositivo capaz de dar servicio de voz y datos, al cubrir el margen de frecuencia definido para GSM, DCS, UMTS y WLAN, además de otros servicios inalámbricos como son GPS y Bluetooth que, por otro lado, se han convertido en usuales en los terminales de última generación. Con el objeto de comparar el rendimiento, y dado que el simulador empleado dispone de un modulo propio de optimización, se ha realizado este proceso mediante el empleo de una técnica clásica como es el método Nelder Mead Simplex. El principal inconveniente de este algoritmo, es que a pesar de ser un método bastante robusto, resulta inestable cuando se emplean más de cuatro variables. Atendiendo a los resultados obtenidos, se puede observar una mejora en el ancho de banda de la zona inferior, a costa de empeorar ligeramente el margen superior. Puesto que existe una interdependencia de las respuestas en ambas bandas, las modificaciones de las variables afectan a la respuesta conjunta. El criterio de optimización definible en simulador electromagnético no permite independizar o ponderar ambas respuestas. La inclusión de otros métodos exteriores permitirá estos ajustes. El empleo de la programación evolutiva para el proceso de optimización ha implicado elaborar una plataforma de comunicación entre el simulador empleado (CST Microwave Studio) y el programa en el que se encuentra implementado el algoritmo evolutivo. El proceso de optimización puede ser llevado a cabo mediante otras técnicas de inteligencia computacional, a través de esta plataforma de conexión del simulador con otros programas externos. Finalmente, la antena desarrollada posee unas dimensiones de 57 x 24 x 6 mm y consigue un ancho de banda a 10dB de pérdidas de retorno del 49% en la banda inferior (1800MHz) y 11.25% en la banda superior (5200MHz), con unos valores de ganancia de 3 y 4.2 dBi respectivamente.
- Published
- 2011
403. An iterative neural network approach applied to human-induced force reconstruction using a non-linear electrodynamic shaker.
- Author
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Peláez-Rodríguez C, Magdaleno Á, García Terán JM, Pérez-Aracil J, Salcedo-Sanz S, and Lorenzana A
- Abstract
Human-induced force analysis plays an important role across a wide range of disciplines, including biomechanics, sport engineering, health monitoring or structural engineering. Specifically, this paper focuses on the replication of ground reaction forces (GRF) generated by humans during movement. They can provide critical information about human-mechanics and be used to optimize athletic performance, prevent and rehabilitate injuries and assess structural vibrations in engineering applications. It is presented an experimental approach that uses an electrodynamic shaker (APS 400) to replicate GRFs generated by humans during movement, with a high degree of accuracy. Successful force reconstruction implies a high fidelity in signal reproduction with the electrodynamic shaker, which leads to an inverse problem, where a reference signal must be replicated with a nonlinear and non-invertible system. The solution presented in this paper relies on the development of an iterative neural network and an inversion-free approach, which aims to generate the most effective drive signal that minimizes the error between the experimental force signal exerted by the shaker and the reference. After the optimization process, the weights of the neural network are updated to make the shaker behave as desired, achieving excellent results in both time and frequency domains., Competing Interests: The authors declare that they have no known competing financial interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper., (© 2024 The Author(s).)
- Published
- 2024
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404. Carrier Transport in Colloidal Quantum Dot Intermediate Band Solar Cell Materials Using Network Science.
- Author
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Cuadra L, Salcedo-Sanz S, and Nieto-Borge JC
- Abstract
Colloidal quantum dots (CQDs) have been proposed to obtain intermediate band (IB) materials. The IB solar cell can absorb sub-band-gap photons via an isolated IB within the gap, generating extra electron-hole pairs that increase the current without degrading the voltage, as has been demonstrated experimentally for real cells. In this paper, we model the electron hopping transport (HT) as a network embedded in space and energy so that a node represents the first excited electron state localized in a CQD while a link encodes the Miller-Abrahams (MA) hopping rate for the electron to hop from one node (=state) to another, forming an "electron-HT network". Similarly, we model the hole-HT system as a network so that a node encodes the first hole state localized in a CQD while a link represents the MA hopping rate for the hole to hop between nodes, leading to a "hole-HT network". The associated network Laplacian matrices allow for studying carrier dynamics in both networks. Our simulations suggest that reducing both the carrier effective mass in the ligand and the inter-dot distance increases HT efficiency. We have found a design constraint: It is necessary for the average barrier height to be larger than the energetic disorder to not degrade intra-band absorption.
- Published
- 2023
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405. Organic Disordered Semiconductors as Networks Embedded in Space and Energy.
- Author
-
Cuadra L, Salcedo-Sanz S, and Nieto-Borge JC
- Abstract
Organic disordered semiconductors have a growing importance because of their low cost, mechanical flexibility, and multiple applications in thermoelectric devices, biosensors, and optoelectronic devices. Carrier transport consists of variable-range hopping between localized quantum states, which are disordered in both space and energy within the Gaussian disorder model. In this paper, we model an organic disordered semiconductor system as a network embedded in both space and energy so that a node represents a localized state while a link encodes the probability (or, equivalently, the Miller-Abrahams hopping rate) for carriers to hop between nodes. The associated network Laplacian matrix allows for the study of carrier dynamics using edge-centric random walks, in which links are activated by the corresponding carrier hopping rates. Our simulation work suggests that at room temperature the network exhibits a strong propensity for small-network nature, a beneficial property that in network science is related to the ease of exchanging information, particles, or energy in many different systems. However, this is not the case at low temperature. Our analysis suggests that there could be a parallelism between the well-known dependence of carrier mobility on temperature and the potential emergence of the small-world property with increasing temperature.
- Published
- 2022
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