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Orientador: Prof. Ph.D. Eduardo Gonçalves de Lima Coorientador: Prof. Dr. César Augusto Dartora Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. Defesa : Curitiba, 04/03/2022 Inclui referências Área de concentração: Telecomunicações Resumo: Esta tese propõe três abordagens diferentes. A primeira abordagem expande o modelo da série de Volterra Polar em um conjunto de funções de base ortogonal de Laguerre, denominado modelo de Laguerre-Volterra Polar. O modelo possui um conjunto de polos de valor real que podem ser otimizados para descrever a dinâmica de um amplificador de potência de radiofrequência (RF PA) e é usado para a definição da segunda abordagem. A segunda abordagem modifica o modelo de Laguerre-Volterra Polar usando técnicas de truncamento independentes de modo que tenha 10 fatores de truncamento, dentre ele, três conjuntos de Funções de Base Ortonormal de Laguerre. O modelo resultante da segunda abordagem é denominado modelo de Laguerre-Volterra Polar Modificado. A terceira abordagem estende o modelo de Volterra Polar bidimensional para uma ordem de derivada fracionária através da solução numérica de Mittag-Leffler de um conjunto de funções geradoras ortonormais fracionárias. O modelo resultante da terceira abordagem é denominado modelo de Volterra Polar fracionário bidimensional. Os três modelos, além de reproduzirem as distorções das não linearidades de um RF PA, reduzem significativamente a quantidade de parâmetros gerados e melhoram substancialmente as respectivas acurácias de modelagem. No primeiro e segundo modelos, foi utilizado um dispositivo em teste. Em comparação com vários modelos, o modelo de Laguerre-Volterra Polar Modificado proposto, contendo um número maior de fatores de truncamento independentes, pode proporcionar uma redução superior a 50% no número de coeficientes gerados, chegando a um máximo de 84%. Em outra comparação com os demais modelos, o modelo de Laguerre-Volterra Polar Modificado contendo três conjuntos de funções de Laguerre melhorou significativamente a precisão da modelagem, quantificada por melhorias do erro quadrático médio normalizado de até 6,51 dB e a razão de potência de erro do canal adjacente de até 7,29 dB, quando comparado ao anterior modelo de Volterra Polar modificado sob a mesma complexidade computacional. No terceiro modelo foram utilizados três dispositivos diferentes em teste. Em comparação com vários modelos, a abordagem de Volterra Polar fracionário bidimensional proporcionou uma redução do número de parâmetros gerados no modelo acima de 81,5% e melhorou significativamente a precisão da modelagem, quantificada por melhorias do erro quadrático médio normalizado de até 8,72 dB. Abstract: This thesis proposes three different approaches. The first approach expands the Polar-Volterra series into a set of Laguerre orthonormal basis functions, called the Laguerre-Volterra Polar model. The model has a set of real-value poles that can be optimized to describe the Radio Frequency Power Amplifier (RF PA) dynamics and is used to define the second approach. The second approach modifies the Laguerre-Volterra Polar model using independent truncation techniques so that it has 10 truncation factors, including three sets of Laguerre Orthonormal Basis Functions. The model resulting from the second approach is called the Modified Laguerre Polar-Volterra model. The third approach extends the two-dimensional Polar Volterra series to a fractional derivative order through the numerical Mittag-Leffler solution of fractional orthonormal generating functions. The model resulting from the third approach is called the two-dimensional fractional Polar Volterra model. The three models, in addition to reproducing the distortions of the nonlinearities of a RF PA, significantly reduce the amount of parameters generated and substantially improve the modeling accuracy. In the first and second models, a device under test was used. In comparison of several models, the proposed modified Laguerre-Volterra Polar model, containing a larger number of independent truncation factors, can provide a reduction over 50% in the number of generated coefficients, reaching a maximum of 84%. In another comparison with the other models, the modified Laguerre-Volterra Polar model containing three sets of Laguerre functions significantly improved the modeling accuracy, quantified by improvements of normalized mean square error of up to 6.51 dB and the adjacent channel error power ratio of up to 7.29 dB, when it is compared to the previous modified Polar-Volterra model under the same computational complexity. In the third model, three different devices under test were used. In comparison of several models, the two-dimensional fractional Polar Volterra approach provided a reduction of the number of generated parameters in the model over 81.5% and significantly improved the modeling accuracy, quantified by improvements of normalized mean square error of up to 8.72 dB.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Este trabalho apresenta análises de desempenho de uma luminária LED, aplicada simultaneamente para iluminação e comunicação em sistemas de comunicação por luz visível (VLC), em ambientes internos (indoor). Apresenta-se a análise de desempenho de um concentrador óptico acoplado à luminária por meio de medidas fotométricas e radiométricas, com suas características reproduzidas e simuladas nos softwares SolidWorks® e APEX®. As simulações foram comparadas com medições em laboratório, objetivando a utilização desses softwares em predições mais realistas de sistemas VLC e na análise de componentes ópticos. Os resultados ressaltam a importância do detalhamento das características ópticas dos materiais empregados nas simula- ções, bem como a necessidade de calibração de potência dos LEDs. Nas simulações realizadas a 1,70 m de distância foram obtidos níveis de iluminância de até 1351,59 lx e estimativas de BER de: 4,88×10−2 (OOK); 11,99×10−2 (8-QAM); e 17,20×10−2 (16-QAM). Considerando um ganho de 3,82 dB no front − end de recepção, as estimativas de BER melhoram para: 3,27×10−5 (OOK); 3,90×10−3 (8-QAM); e 27,80×10−3 (16-QAM). Experimentalmente foi alcançado ganho de até 8,59 dB na transmissão com o uso do concentrador óptico. This work presents performance analysis of an LED luminaire, applied simultaneously for lighting and communication in visible light communication systems (VLC), indoors ( emphindoor). The performance analysis of an optical concentrator coupled to the luminaire by means of photometric and radiometric measurements is presented, with its characteristics reproduced and simulated in the SolidWorks® and APEX ® pieces of software. The simulations were compared with measurements in the laboratory, aiming to use this software in more realistic predictions of VLC systems and in the analysis of optical components. The results highlight the importance of detailing the optical characteristics of the materials used in the simulations, as well as the need for power calibration of the LEDs. In simulations carried out at 1.70 m distance, illuminance levels of up to 1351.59 lx and BER estimates of: 4.88×10−2 (OOK); 11.99×10−2 (8-QAM); and 17.20×10−2 (16-QAM). Considering a 3.82 dB gain in the reception front-end, the BER estimates improve to: 3.27×10−5 (OOK); 3.90×10−3 (8-QAM); and 27.80×10−3 (16-QAM). Experimentally, a gain of up to 8.59 dB was achieved in the transmission with the use of the optical concentrator.

Orientador: Prof. Dr. César Augusto Dartora Coorientador: Prof. Dr. Fernando Zanella Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. Defesa : Curitiba, 27/08/2020 Inclui referências: p. 65-68 Área de concentração: Telecomunicações Resumo: Em muitas aplicações, como é o caso das indústrias farmacêuticas e alimentícias, a composição de soluções analíticas deve ser determinada com grande precisão, o que requer o desenvolvimento de sensores adequados. Há diversos métodos disponíveis envolvendo técnicas de medida de condutividade elétrica, refletometria óptica e espectroscopia de massa. A presente dissertação apresenta o estudo e caracterização de sensores de concentração salina em água utilizando estruturas pseudo-fractais em microfita. Sabe-se que as linhas de transmissão em microfita são sensíveis ao meio circundante, enquanto que a geometria fractal tem sido considerada por permitir a otimização da ocupação da superfície disponível para a construção de circuitos ou sensores. A ideia central é construir estruturas fractais em geometria anelar na faixa não licenciada de 2,4 GHz, sensíveis ao meio circundante. A concentração salina é obtida através da medida dos parâmetros de espalhamento (S) da estrutura. Foram concebidas e fabricadas estruturas fractais de ordem 0, 1 e 2, utilizando o substrato dielétrico FR4. Para a obtenção da sensibilidade das estruturas foram preparadas soluções de água saturadas de NaCl com concentrações entre 0% á 90%, e os parâmetros S foram medidos experimentalmente utilizando um Vector Network Analyzer (VNA) modelo E5063A da Keysight, que opera desde 100 kHz até 18 GHz, disponível no Laboratório de Compatibilidade Eletromagnética (LCE) da UFPR. Foi analisado o efeito da concentração salina sobre os parâmetros SX1 e S2 i, tanto na frequência quanto na amplitude. Foi possível concluir que a geometria Fractal, bem como os níveis de solução, interfere na resposta do dispositivo, no entanto não foi possível fazer uma aplicação para sensor, na análise em 2,4 GHz. Abstract: In many applications, such as the pharmaceutical and food industries, the composition of analytical solutions must be determined with great precision, which requires the development of appropriate sensing devices. There are several methods available, involving electrical conductivity measurement, optical reflectometry and mass spectroscopy techniques. This dissertation presents the study and characterization sensors for determining saline concentration in water solutions using pseudo-fracture structures in microstrip. Microstrip transmission lines are known to be sensitive to their surroundings, while fractal geometry has been considered as a good candidate to allow optimization of the surface occupancy available for the construction of circuits or sensors. The central idea is to construct annular geometry fractal structures in the unlicensed 2,4 GHz range, sensitive to the surrounding environment. Saline concentration is obtained by measuring the scattering parameters (S) of the structure. Fractal structures of order 0, 1 and 2 were designed and manufactured using the FR4 dielectric substrate. To obtain the sensitivity of structures, NaCl saturated water solutions were prepared at concentrations between 0% and 90%, and S parameters were experimentally measured using Keysight's Vector Network Analyzer (VNA) model E5063A, which operates from 100 kHz to 18 GHz, available from UFPR's Electromagnetic Compatibility Laboratory (LCE). The effect of saline concentration on parameter and S21, both in frequency and amplitude, was analyzed. It was possible to conclude that the Fractal geometry, as well as the solution levels, interferes in the device's response, however it was not possible to make an application for sensor, in the 2,4 GHz analysis.

Conselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP) Fundação Araucária de Apoio ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico do Paraná A movimentação de misturas em tubulações é um assunto de grande relevância presente em diversos processos das industriais farmacêutica, energética, petroquímica e alimentícia e a disponibilidade de ferramentas e dispositivos que apoiem estas atividades tem grande importância, uma vez que falhas em sistemas onde fluem misturas podem ter graves consequências econômicas, ambientais e sociais. Técnicas experimentais para medição do escoamento como as baseadas em medição de condutância, ultrassom ou radiação ionizante apresentam desvantagens como a impossibilidade de medir misturas não condutivas, suscetibilidade à interferência eletromagnética e a alta atenuação dos sinais com a distância da transmissão. A construção e a avaliação de uma sonda elétrica e ótica para monitoramento de vazões bifásicas em ambientes industriais é apresentada nesta pesquisa. A sonda consiste em dois eletrodos de aço inoxidável posicionados transversalmente ao escoamento utilizados para medir a condutância elétrica do fluido. Os eletrodos são ocos e dentro deles são inseridas fibras óticas com redes de Bragg utilizadas para medir a deformação específica causada pelo escoamento. O desempenho da sonda foi verificado por meio de testes iniciais em uma bancada vertical, calibração estática com diversos carregamentos, e dinâmica com diferentes vazões, testes em escoamento bifásico e comparação entre as componentes da sonda e outros transdutores. Nos testes iniciais, a velocidade média da bolha medida pela componente condutiva da sonda resultou em 0,11739 m/s com desvio padrão de 0,0376 m/s, enquanto que a componente ótica mediu 0,11720 m/s e 0,0429 m/s. O tempo de contato da bolha com a componente ótica foi de 0,66 s a 0,72 s, enquanto que o valor da componente condutiva foi de 0,68 s a 0.72 s. Na comparação do funcionamento das duas componentes da sonda, as diferenças foram de 1,09% entre as velocidades das bolhas e 1,43% para os tempos de contato. As incertezas de medição das variáveis independentes da componente ótica da sonda na calibração estática variaram de 0,15 N a 0,24 N, com valor médio de 0,19 N e a incerteza média da variável dependente foi 56 pm. Os coeficientes de correlação das retas de ajuste apresentaram valor médio igual a 0,99872 e foi obtida uma sensibilidade média igual a 315 pm/N. Os dados experimentais das duas calibrações estão em boa concordância com os valores teóricos. Os modelos matemáticos mostram que a alteração de parâmetros associados ao projeto da sonda pode otimizar a faixa dos parâmetros a serem medidos, alterando por exemplo a sensibilidade da sonda. Os resultados mostram que a combinação das duas técnicas é viável e possibilita além da redundância dos dados, facilidades de autocalibração da sonda, a qual causa baixa perda de carga do escoamento por ser pequena, é fácil de ser construída e tem estrutura robusta permitindo seu uso em ambiente industrial. The fluids movement in pipelines is a wide relevance matter, present in several processes of pharmaceutical, energy, petrochemical, and food industries and the availability of tools and devices that support these activities has great importance, since the occurrence of failures in systems where mixtures flow can cause serious economic, environmental and social consequences. Experimental techniques for flow measurement such as those based on measurement of conductance, ultrasound and ionizing radiation have disadvantages such as the impossibility of measuring non-conductive mixtures, susceptibility to electromagnetic interference, and high attenuation with the transmission distance. The construction and evaluation of an electric and optical probe for the two-phase flows monitoring in industrial environments is presented in this research. The probe consists of two stainless steel electrodes positioned transverse to the flow used to measure the fluid electrical conductance. The electrodes are hollow and within them are inserted fiber Bragg gratings used to measure the flow deformation. The performance of the probe was verified by initial tests on a vertical bench, static calibration with various weights, and dynamics with different flow rates, two-phase flow tests and comparison between probe components and other transducers. In the initial tests, the bubbles mean velocity measured by the probe conductive component resulted in 0.11739 m/s with a standard deviation of 0.0376 m/s, while the optical component measured 0.11720 m/s and 0.0429 m/s. The bubble contact times with the optical component were between 0.66 s and 0.72 s, while the values of the conductive component were 0.68 s and 0.72 s. When comparing the performances of the two probe components, there were differences of 1.09% between the bubbles velocity measurements and 1.43% for the contact times. The independent variable measurement uncertainties of the probe optical component in the static calibration varied from 0.15 N to 0.24 N, with a mean value of 0.19 N and the dependent variable mean uncertainty was 56 pm. The adjustment lines correlation coefficients had an average value of 0.99872 and a mean sensitivity of 315 pm/N was obtained. The experimental data from the two calibrations are in good agreement with the theoretical values. The mathematical models show that changing parameters associated with the probe design can optimize the parameters range to be measured, for example by changing the probe sensitivity. The results show that the combination of the two techniques is feasible and allows data redundancy, self-calibration probe facilities, which is small, causing low flow load loss, easy to construct and robust structure allowing its use in an industrial environment.

Orientador: Prof. Dr. Horácio Tertuliano Filho Coorientador: Prof. Dr. César Augusto Dartora Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. Defesa : Curitiba, 30/08/2019 Inclui referências: p. 68-70 Área de concentração: Telecomunicações Resumo: A comunicação veicular é um fato, um caminho sem volta. Espera-se que os novos veículos, num futuro muito próximo, sejam mais eficientes e mais conectados entre si e com o mundo ao seu redor, constituindo a comunicação de veículo com veículo (V2V) e veículo com a infraestrutura (V2I). Os desafios tecnológicos, porém, são imensos, podendo exigir a troca de informações em altíssima velocidade, confiabilidade e baixíssimo tempo de latência das redes em determinadas aplicações. Algumas tecnologias já estão em estágios satisfatórios de desenvolvimento, mas nenhuma ainda se tornou a solução definitiva. Para diversas aplicações, a DSRC (Dedicated Short Range Communications) operando na frequência de 5,9 GHz surge como sendo uma solução para a comunicação veicular. Porém ela tem grandes limitações devido a seu baixo alcance e penetração mesmo ao se empregar as unidades de beira de estrada (RSU) que auxiliam a comunicação entre veículos. Uma tecnologia, com possibilidades de minimizar estas limitações é a LoRa (Long Range) a qual tem maior nível de espalhamento do sinal e maior facilidade de penetração em obstáculos por operar em frequências inferiores a 1 GHz podendo ser viável em aplicações que demandem menos caracteres na transmissão de mensagens e para situações onde não seja necessário o envio frequente de pacotes. O objetivo geral deste trabalho é o de avaliar a comunicação entre veículos utilizando a tecnologia LoRa e, também avaliar o canal de comunicação LoRa e DRSC em um mesmo cenário. Os resultados foram obtidos e se avaliou a potência recebida e a taxa de recepção do sinal através de simulações para ambas tecnologias sendo desenvolvido um algoritmo genético para determinar a posição das RSUs. Também, foram realizados testes de campo para o LoRa, em comunicações V2I e V2V além de um teste sem movimento analisando-se a potência do sinal, taxa de recebimento e relação sinal-ruído em função da distância entre o receptor e transmissor para distintos fatores de espalhamento (SF7 e SF12). Com a simulação do canal foi verificada a maior taxa de recepção do sinal acima do limiar para o LoRa, especialmente em situações de obstrução por edificações e o baixo alcance do DSRC com perda total do sinal a 500 metros. Com os testes de campo avaliando o LoRa foi constatado o maior alcance de recepção desta tecnologia com recebimentos de pacotes a mais de 1 km (SF12), percebeu-se também a influência da velocidade (efeito Doppler) e a diferença na taxa de recepção entre os SFs com o SF12 sendo mais sensível ao efeito da velocidade, porém mantendo um alcance maior em relação ao SF7. Palavras-chave: Algoritmos genéticos. Comunicação veicular. DSRC. LoRa. V2I. V2V. Abstract: Vehicle communication is a fact, a way of no return. New vehicles in the very near future are expected to be more efficient and more connected to each other and to the world around them, constituting the vehicle-to-vehicle communication (V2V) and vehicle-to-infrastructure communication (V2I). The technological challenges, however, are immense and may require the exchange of information at very high speeds, reliability and very low latency in certain applications. Some technologies are already in satisfactory stages of development, but none have yet become the definitive solution. For various applications, Dedicated Short Range Communications (DSRC) at the 5.9 GHz frequency emerges as a solution for vehicular communication. However, it has major limitations due to its low range and penetration even when employing roadside units (RSU) that aid communication between vehicles. A technology that can minimize these limitations is LoRa (Long Range) which has a higher spreading signal and easier obstacle penetration by operating at frequencies below 1 GHz, being viable in applications with fewer transmitted characters in messages and for situations where frequent packet sending is not required. The aim of this dissertation is to evaluate the communication between vehicles using LoRa technology and assess the V2I communication channel in both LoRa and DRSC in the same scenario. The results were obtained, and the received power and the signal reception rate were evaluated through simulations for both technologies. A genetic algorithm was developed to determine the position of the RSUs. Also, field tests were performed for LoRa in V2I and V2V communications as well as a motionless test; signal strength, reception rate and signal to noise ratio as a function of the distance between receiver and transmitter for different spreading factors (SF7 and SF12) were analyzed. With the channel simulation, highest signal reception rates above the threshold were verified with LoRa especially in building obstruction scenarios and the DSRC's low communication range with total signal loss at 500 meters. From the LoRa field tests evaluation, it was found that the longest reception range of this technology is over 1 km (SF12), it was also noticed the influence of the speed (Doppler effect) and the difference in the reception rate between SFs with SF12 being more sensitive to the effect of velocity, but maintaining a longer range compared to SF7. Key words: Genetic algorithms. Vehicular communication. DSRC. LoRa. V2I. V2V.

Orientador: Prof. Dr. Cesar Augusto Dartora Coorientador: Prof. Ph.D. Eduardo Gonçalves de Lima Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Eletrica. Defesa : Curitiba, 21/02/2019 Inclui referências: p.75-79 Área de concentração: Sistemas Eletrônicos Resumo: Nos últimos anos houve um grande aumento de pesquisas referente ao cálculo fracionário e nos mais diversos ramos da ciencia, como a física, controle de sistemas, economia, biomedicina, areas da ciencia aplicada e engenharias. Atualmente a modelagem dos circuitos sao realizadas com o calculo de ordem inteira, porem sabe-se que os circuitos eletricos possuem efeito de memoria e nao-linearidade no qual atraves da modelagem usual nao se observa todo esse comportamento, e a modelagem com o calculo fracionario e uma das possíveis formas de analisar esse efeito. Neste trabalho e exemplificado a modelagem de um circuito usual, no caso um circuito RC, para diferentes valores da derivada, e, tambem, proposto um modelo matematico adaptado da definicao de Grunwald-Letnikov, para ser inserido na modelagem com estrutura de blocos em serie e para a estrutura de blocos em paralelo, e assim realizar a modelagem comportamental em amplificadores de potencia de radio frequencia. Foram utilizados três conjuntos de dados, contendo amostras de entrada e saída, de dois amplificadores de potencia para testar o modelo proposto e comparar as respostas com outros modelos ja utilizados na literatura, como por exemplo o Polinomio de Memoria e a modelagem de blocos em serie, atraves do erro quadrático medio normalizado. Realizadas as simulacoes para esses conjuntos de dados, nota-se que o modelo proposto, implementado nas estruturas em serie e paralelo, obteve respostas iguais aos modelos comparativos, isso para mesmas ordens de truncamentos e quantidade de coeficientes. Observa-se tambem, que o modelo proposto e capaz de reduzir a quantidade de coeficientes sem reduzir a precisao da modelagem, onde simulacoes foram realizadas com reducao de ate 50% dos coeficientes e nao houve perda considerável, em relacao ao modelo em comparacao. Palavras Chave: Calculo Fracionario, Derivadas Fracionarias, Efeito de Memoria, Modelagem de Circuitos. Abstract: In the recent years, an increase in research in the area of fractional calculus and in the most diverse branches of science has been recorded, such as physics, control systems, economics, biomedicine, applied science and engineering. Current circuit modeling techniques are performed with calculations of integer order, but it is known that electrical circuits have memory effect and non linearity, which cannot be observed by means of the usual modeling methods, thus the fractional calculation approach is one of the possible ways of analyzing this effect. In this work, an usual circu it, which is a RC circuit, is modeled and exemplified for different values of the derivative. Besides, a mathematical model adapted from the Grunwald-Letnikov definition is proposed to perform behavioral modeling in radiofrequency power amplifiers, one for serial block structure modeling and another for parallel block structure modeling. Input and output samples from three different data sets obtained for two power amplifiers were used to test the proposed model and to compare the responses with other models already used in the literature, such as the Memory Polynomial model and the serial block modeling, using the normalized mean square error. Once the simulations were performed for the data sets, the proposed models, implemented in series and parallel structures, obtained similar answers of the comparative models, for the same truncation orders and the same number of coefficients. It is also observed that the proposed models are able to reduce the number of coefficients without reducing the precision of the modeling, in which simulations were performed with reduction of up to 50% of the coefficients and it did not present considerable loss, when compared to other models. Keywords: Fractional Calculus, Fractional Derivatives, Memory Effect, Circuit Modeling.

CAPES Neste trabalho são apresentados os resultados experimentais para medidas simultâneas de índice de refração e da temperatura, com a utilização de uma rede de Bragg gravada em fibra multimodo corroída (EMFBGs). Foram trabalhados com os três modos de propagação restantes após a corrosão da fibra, utilizando as variações dos comprimentos de onda de Bragg destes modos para encontrar o índice de refração e/ou a temperatura. Durante os procedimentos experimentais foram observadas as influências que a variação do índice de refração tem sobre a sensibilidade térmica, bem como as que a variação de temperatura causa na sensibilidade da rede ao índice de refração. A resposta do dispositivo as variações desses parâmetros foram aproximadas por superfícies planas e as sensibilidades cruzadas foram utilizadas para corrigir a aproximação. Os resultados mostram que é possível determinar os valores de índice de refração em uma faixa de 1,33 até 1,46 com um erro da ordem de 10-3. In this work the experimental results are presented applying simultaneous refractive index and temperature measures, with an Etched Multimode Fiber Bragg Grating (EMFBGs). After the fiber corrosion, the three remaining propagation modes were used to the work, utilizing variations of the Bragg wavelengths of those modes to find the refractive index and/or temperature. During the experimental procedures the influences of the refractive index variation has on the thermal sensitivity were observed, as well as what the temperature variation causes in the sensitivity of the network to the index of refraction. The device response to the variations of those parameters were approximated by flat surfaces and the cross-sensitivities were used to correct the approximation. The results show that it is possible to determine the refractive index values in a range of 1.33 to 1.45 with an error of the order of 10-3.

Orientador: Prof. Dr. César Augusto Dartora Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência dos Materiais - PIPE. Defesa: Curitiba, 27/10/2017 Inclui referências : f. 108-115 Área de concentração: Engenharia e ciência de materiais Resumo: Desde sua descoberta por Kamerlingh Onnes em 1911, a supercondutividade vem sendo um dos principais temas de estudo na Física do Estado Solido. Embora tenha perdido um pouco o foco na segunda metade do Século XX, o advento dos supercondutores de altas temperaturas nos anos 1980 deram um novo folego ao tema, que vem sendo constantemente retomado pela frequente descoberta de novos materiais. Em 2008 foi aberta nova sub-área: a dos Supercondutores baseados em Ferro (ou IBSC - do inglês Iron- Based Supercondutor), onde camadas compostas por ferro e um pnictogênio (em geral, fósforo ou arsênio) são intercaladas por camadas de bloqueio diferenciativas. Embora tenham sido estudados exaustivamente nos últimos anos, não ha um modelo plenamente aceito que associe a supercondutividade do IBSC aos efeitos magnéticos do Ferro. Para tal, neste trabalho será apresentado, alem de uma discussão de caráter clássico baseado nas Equações de Maxwell, um modelo microscópico para IBSCs para o caso do ordenamento ferromagnético, descrita pelo acoplamento eletron-magnon através de um Hamiltoniano t-J, que associa o modelo de BCS ao modelo de Heisenberg. É mostrada a transformação do espaço das posições para o espaço dos momentos do Hamiltoniano, em termos de interações eletron-eletron via fônons e magnôns, devido as características magnéticas do IBSC. Posteriormente, e realizada a diagonalização do Hamiltoniano no espaço dos momentos, via transformação de similaridade. Palavras-chave: Supercondutores; Supercondutores Baseados em Ferro; Sistemas fermionboson; Transformação de Similaridade; Segunda Quantização. Abstract: Since its discovery by Kamerlingh Onnes in 1911, superconductivity has been a major subject of study in Solid State Physics. Although it lost some focus in the second half of the 20th century, the advent of high-temperature superconductors in the 1980s gave a new life into the subject, which has been steadily resumed by the frequent discovery of new materials. In 2008 a new sub-area was opened: the Iron-Based Superconductors (IBSC), where layers composed of iron and a pnictide (in general, phosphorus or arsenic) are interspersed by particular Blocking Layers. Although they have been extensively studied in recent years, there is no fully accepted model that associates IBSC superconductivity with the magnetic e_ects of iron. For this, in this work, besides a discussion at the classical character based on the Maxwell Equations, a microscopic model for IBSCs will be presented for the case of the ferromagnetic arrangement, described by the electronmagnon coupling through a t-J Hamiltonian, which associates the model of BCS to the Heisenberg model. It is shown the transformation of the space of positions into the space of Hamiltonian moments, which proposes electron-electron interactions via phonons and magnons, due to the magnetic characteristics of the IBSC. Later, the diagonalization of the Hamiltonian in the space of the moments is carried out, through transformation of similarity. Key-words: Superconductors; Iron-Based Superconductors; Fermion-Boson Systems; Similarity Transformation; Second Quantization.

Orientador : Prof. Dr. César Augusto Dartora Coorientador : Prof. Dr. Márlio josé do Couto Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. Defesa: Curitiba, 10/05/2017 Inclui referências : f. 67-71 Área de concentração: Sistemas eletrônicos Resumo: Materiais com propriedades magnéticas pronunciadas t.m importantes aplicações em uma variada gama de itens que utilizamos diariamente, indo desde maquinas elétricas e transformadores, passando pelas etiquetas magnéticas e indo ate as nanoestruturas utilizadas em sensores de magnetorresistência gigante. O presente trabalho investiga um aparato experimental de refletometria no domínio do tempo (TDR) para a caracteriza..o de susceptibilidade magnética de amostras de materiais magnéticos em diversas temperaturas, variando de 9 K ate temperatura de 300 K. A técnica de TDR utiliza-se da reflexa.o que ocorre quando um pulso propagante em uma linha de transmissão encontra uma terminação na qual a impedância da carga conectada . linha e distinta da impedancia característica da linha. O pulso resultante e devidamente tratado com auxílio das ferramentas numéricas, permitindo calcular a susceptibilidade magnética e determinar a curva de histerese do material analisado. Caracterizou-se uma fita magnética composta de níquel e ferro, principalmente, que e empregada em etiquetas de segurança, e também um material do tipo Heusler, cuja com posto estequiométrica e Ni2MnGa. Palavras Chave: Magnetismo, Refletometria no Domínio do Tempo, Susceptibilidade Magnética, Curva de Histerese, Criogenia. Abstract: Materials possessing pronounced magnetic properties have relevant uses in a vast range of technological applications, such as electrical machines, transformers, inductors and nanostructures used in giant magnetoresistance sensors. The present work investigates an experimental apparatus using the time domain refletometry (TDR) technique, for magnetic susceptibility characterization at temperatures ranging from 9K to room temperature. The TDR considers the reflection effect that occurs when a propagating pulse on a transmission line encounters a load impedance connected to its termination, which differs from the transmission line characteristic impedance. After numerical analysis of the reflected pulse it is possible to obtain magnetic susceptibility and hysteresis loop of the material under study. A material composed mainly by Ni and Fe, commonly used as a magnetic tag, and a Heusler compound with stechiometry Ni2MnGa were characterized. Keywords: Time Domain Reflectometry, Magnetic Susceptibility, Hysteresis Loop, Cryogenics.

Orientador: Prof. César Augusto Dartora Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência dos Materiais - PIPE. Defesa : Curitiba, 06/10/2017 Inclui referências: p. 129-135 Resumo: É de consenso científico que parâm etros experimentais usados na produção do grafeno como, tamanho da amostra, características da borda, substrato no qual o grafeno é depositado e impurezas, produzem uma larga variedade de propriedades eletrônicas que podem afetar o transporte de novos dispositivos fabricados com este material. O controle destes parâmetros em amostras pequenas caracterizam a maior dificuldade de sua aplicação na indústria de semicondutores, pois suas ocorrências têm um certo grau de imprevisibilidade que afetam igualmente as propriedades eletrônicas das amostras produzidas. A redução da imprevisibilidade destas ocorrências denota uma grande vantagem, principalmente em obter quaisquer curvas de corrente e tensão I — V em dispositivos feitos de grafeno. Nesta tese, o principal objetivo é estudar teoricamente como estes parâmetros afetam as propriedades do transporte eletrônico em amostras de grafeno sujeito à condições de contorno proveniente de contatos metálicos. A transmissão eletrônica em função da energia, e a corrente eletrônica I — V são obtidas usando o formalismo de não equilíbrio de Green considerando vários cenários, onde primeiro é analisado o transporte num transistor de efeito de campo sujeito a tensão mecânica, e em ordem de contribuir com o desenvolvimento de modelos numéricos mais velozes, que auxiliam o design de circuitos integrados. Os resultados serão comparados com um modelo compacto elaborado pelo laboratório de nanoeletrônica (L2e) da Universidade Pierre et Marie Curie. Em um segundo cenário será estudado o transporte em uma estrutura de grafeno sujeita a uma constricão gradual, onde os parâmetros a serem variados são a largura da constrição do canal e o ângulo de corte formado com o eixo y da borda do grafeno. Como será mostrado, a transmissão eletrônica através do canal é consideravelmente afetada por estes parâmetros, o que permite vislumbrar a possibilidade da construção de dispositivos reais. Abstract: Nowadays, it is known that experimental techniques used in graphene production such as, sample size, border features, the substrate at which it is deposited and impurities produce a large variety of electronic properties of graphene, being at the same time a major drawback for its practical use in the semiconductor industry. Controling these feaures in small samples is a huge challenge because their occurrences have many degrees of unpredictability that equally affect the electronic properties. The reduction of this unpredictability can be seen as a great advantage, mainly due to the possibility of obtaining any desired I — V characteristics in graphene-based devices. In this thesis, the main goal is to study how these parameters affect the electronic transport properties of finite graphene samples when subject to boundary conditions from metallic electrodes. The electron transmission through a constricted channel as a function of energy and the I — V characteristics of a graphene sample are obtained by using non-equilibrium Green’s functions techniques in various scenarios, where the first one is the transport analysis of a field effect transistor subject to a mechanical stress, and in order to contribute to the development of faster numerical models, that help the design of integrated circuits, the results will be compared to a compact model developed in the nanoelectronic laboratory of Pierre and Marie Curie university. The second topic will be a study of a gradually constricted graphene, where the parameters to be varied are the constriction width and the border cutting angle of the graphene channel. As will be shown later, the transmission through the channel is considerably affected by these parameters, allowing to glimpse to a possibility of contructing a real device.

Finep; CAPES; CNPq; FA; ANEEL; ENGIE; Esta tese apresenta aplicações de redes de Bragg em fibra óptica (FBG) para medição de parâmetros em máquinas elétricas. Os resultados apresentados permitem explorar novas técnicas de instrumentação que mostram o potencial de utilização de FBGs em ambientes industriais, como a medição de temperatura em uma usina hidrelétrica, e de investigação em laboratório, como no estudo da deformação dinâmica do estator de motores de indução. As técnicas de instrumentação apresentadas podem ser utilizadas isoladamente ou integradas, de forma a obter uma instrumentação multiparamétrica em usinas hidrelétricas ou em ambientes industriais que utilizam motores de indução em seu processo produtivo. A tese é organizada em forma de coletânea de artigos científicos, os quais apresentam a medição de temperatura e determinação de um modelo térmico de uma ponte retificadora utilizada para ajustar a corrente de campo do rotor de um gerador, um sensor de campo magnético, medição da deformação dinâmica do estator de motores de indução e caracterização de um acelerômetro óptico biaxial. Os resultados para medição de temperatura nos tiristores utilizados na ponte retificadora mostram a dependência entre temperatura e corrente de excitação, onde oscilações de corrente levam a oscilações de temperatura. O ajuste a partir do modelo térmico desenvolvido para o sistema apresenta um erro de 1,5oC em comparação com as medidas pelas FBGs. O sensor de campo é baseado na magnetostricção, sendo utilizadas duas FBGs. Uma delas para medição de deformação e outra para compensação de temperatura. No sensor de campo é apresentada a variação da resposta em função da temperatura, onde a magnetoestricção apresenta comportamento não-linear e sua saturação também varia em função temperatura. A medida de deformação do estator empregando as FBGs apresenta uma boa relação sinal ruído, com 80 dB para a harmônica fundamental, e as frequências observadas na vibração são as esperadas teoricamente. Além disso, com a utilização de duas FBGs pode-se observar a natureza girante da força magnética do entreferro. A medição de deformação do estator trata-se de uma técnica de análise inovadora, sendo a principal contribuição desta tese. Os resultados obtidos com a medida de deformação do estator são utilizados para validar as medidas de vibração de um acelerômetro óptico biaxial utilizado em um motor de indução. O acelerômetro óptico biaxial é insensível à variação de temperatura, podendo ser aplicado para medição de vibração em máquinas elétricas. This paper presents the application of fiber Bragg gratings (FBG) for parameters measurement in electrical machines. The results allow to explore new instrumentation techniques and show the potential for industrial applications, presenting the measurement in an hydroelectric power plant, and laboratory research, such as the dynamic stator strain measurement. Each instrumentation technics presented in this paper has a potential to use isolated or integrated in order to obtain a multiparameter instrumentation in hydroelectric power plants or industrial environments that using induction motors in its production process. This paper is organized in a collection of articles, and the FBG applications are the temperature measurement and simulation of a rectifier bridge used to adjust the rotor field current of a power generator, a magnetic field sensor, , a biaxial optical accelerometer and the measurement of the stator dynamic strain of an induction motor. The results for the thyristor temperature measurement show the dependence of temperature and excitation current, where current oscillations lead to temperature fluctuations. The simulation of the thermal model presents a 1.5oC error compared to measures by the FBGs. The field sensor is based on magnetostriction, property where the magnetic material undergo deformation in the presence of a magnetic field. For this sensor are used two FBGs for temperature measurement and deformation in Terfenol-D, material with magnetostrictive properties. In the magnetic field sensor the response is a function of temperature, where the magnetostriction and saturation presents non-linear behavior varies as a function of temperature. Stator strain measurement using the FBGs has a good relationship signal noise, 80 dB for the fundamental harmonic and the observed frequencies in the vibration are theoretically expected. Moreover, with the use of two sensors can be determine the rotating nature of the air gap magnetic force. Finally, the biaxial optical accelerometer does not have is insensitive to temperature variations and can be applied for measuring vibration in electrical machines.

Orientador: Prof. Dr. Cesar Augusto Dartora Coorientador: Prof. Dr. Ezequiel Burkarter Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência dos Materiais - PIPE. Defesa: Curitiba, 11/08/2016 Inclui referências : f. 134-149 Área de concentração: Engenharia e ciência de materiais Resumo: O presente trabalho investiga a utilização de um conjunto de técnicas de processamento simples para obtenção ou conversao de camadas inorganicas e/ou organicas tendo como objetivo a confeccao de ceiulas solares organicas em estrutura de multicamada. Como materiais empregados na camada ativa da celula temos o poli (3-hexiltiofeno) (P3HT), polímero conjugado e fornecido comercialmente pela Sigma Aldrich e o dióxido de titanio obtido por processo de oxidaçao do titanio metalico em celula eletroquímica. O titanio tambem atua como primeiro eletrodo na celula fotovoltaica organica, como segundo eletrodo temos o conjunto PEDOT:PSS e FTO. A deposicao da camada organica de P3HT ocorreu por meio de spin coating e aerospray foi utilizada para o PEDOT:PSS, usando ar como propelente, ambas as camadas organicas foram submetidas a tratamento termico. Os dispositivos fotovoltaicos orgânicos contendo TiO2 e P3HT como camadas principais mostraram excelentes resultados dada a simplicidade de confeccão. Os resultados obtidos por esses dispositivos foram melhorados com a adiçcãao da umbeliferona, molecula pertencente a família das cumarinas, como elemento dopante na camada de PEDOT:PSS. Medidas eletricas foram realizadas nas celulas organicas para determinar seu comportamento fotovoltaico, essas medidas foram realizadas em duas situações sem incidencia luminosa e com incidencia luminosa. Alem da caracterizaçao eletrica tambem foram realizadas medidas para avaliar propriedades morfologicas e químicas das camadas de TiO2 por meio de microscopia eletrânica de varredura e da tecnica de EDS. Abstract: This study investigates the use of a single processing set of techniques for obtaining or converting inorganic and/or organic layers with the objective of making organic solar cells in multilayer structure. As materials used in the active layer of the cell have poly (3-hexylthiophene) (P3HT), the polymer conjugate and supplied commercially by microarray Sigma-Aldrich and titanium dioxide obtained by the titanium metal oxidation process in the electrochemical cell. Titanium also serves as the first electrode in organic photovoltaic cell, as the second electrode have the PEDOT set: PSS and FTO. The deposition of the organic layer of P3HT was through spin coating and aerospray techenique was used for the PEDOT:PSS, using air as propellant, both organic layers were subjected to heat treatment. Organic photovoltaic devices containing TiO2 P3HT and main layers showed excellent results given the simplicity of preparation. The results obtained by these devices have been improved with the addition of umbelliferone molecule belonging to the family of coumarins, such as the doping element in the PEDOT layer: PSS. Electrical measurements were performed in organic cells to determine its photovoltaic behavior, these measurements were performed in two situations without light incidence and light incidence. In addition to the electrical characterization measurements were also performed to assess morphological and chemical properties of the layers of TiO2 by scanning electron microscopy and EDS technique.

Orientador: Prof. Dr. Cesar Augusto Dartora Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência dos Materiais - PIPE. Defesa: Curitiba, 21/10/2015 Inclui referências : f. 79-82 Área de concentração: Engenharia e ciência de materiais Resumo: O grafeno _e uma forma alotrópica do carbono em duas dimensões espaciais formada por uma _única camada de _átomos de carbono que se arranjam para formar uma estrutura cristalina do tipo favo de mel. Apesar de estudos seminais no grafeno terem se iniciado ainda em 1947 com R.P. Wallace, sua obten_c~ao experimental somente ocorreu nos anos 2000, devido ao trabalho de A. Geim e K. Novoselov, dentre outros. O enorme interesse despertado pelo grafeno deve-se ao fato de que ele _e um material bidimensional onde os elétrons tem comportamento efetivo de férmions de Dirac sem massa nos chamados pontos de Dirac, ou seja, agem efetivamente como partículas \relativísticas "sem massa em um espaco-tempo de (2+1) dimensões, permitindo emular a física de altas energias em um sistema de matéria condensada. Além disso, o grafeno promete revolucionar a eletrônica de alta velocidade, e atualmente estudos com o grafeno estão sendo direcionados para o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos e utilização na spintronica, que estuda as propriedades de transporte quântico de carga e spin na escala de dimensões nanometricas. Neste sentido, _e de fundamental interesse compreender a dinâmica do transporte quântico de carga e spin em nanoestruturas utilizando o grafeno, como junções de tunelamento. O objetivo principal deste trabalho _e apresentar um modelo simples para o transporte de carga e spin com base no método do hamiltoniano de transferência em segunda quantização, permitindo obter as características I ?? V de junções túnel no grafeno. Tanto as características I ?? V em junções de tunelamento de grafeno não dopadas quanto àquelas dopadas são estudadas. As nanoestruturas propostas são compostas de eletrodos de grafeno separados por uma barreira de potencial Uo. Essa região de barreira de potencial pode ser obtida através da aplicação de um potencial de gate em uma região previamente determinada. No caso de dopagem das regiões _à esquerda e _a direita da barreira, junções do tipo p??n são obtidas, podendo-se observar o efeito diodo túnel, com uma clara região de condutância diferencial negativa. O efeito de dopagem nesse caso altera o potencial químico próximo dos pontos de Dirac em ambos os lados da barreira de potencial, mostrando como resultado a típica curva I ?? V de um diodo túnel. As correntes de spin também foram calculadas. Na presença de campos magnéticos baixos, que são menores que 5T no caso do grafeno, mostrando claramente a existência da passagem de uma corrente polarizada em spin através da barreira. Abstract: Graphene is an allotropic form of carbon in two spatial dimensions, in which a single atomic layer is arranged in a honeycomb lattice structure. Despite the seminal work in graphene is due to R.P. Wallace already in 1947, the experimental production occurred only in the years of 2000 by A. Geim, K. Novoselov and othes. The enormous interest in graphene studies is due to the fact that it is a truly two-dimensional material, in which electrons behave as massless Dirac fermions at the so-called Dirac points, i.e., they act as massless relativistic particles in a (2+1)-dimensional space-time, allowing to emulate high energy physics through a condensed matter system. Besides that, graphene promises to revolutionize the _eld of high speed electronics. Currently, the research is being directed towards the development of electronic devices and uses in spintronics, which is concerned with the study of properties of the charge and spin quantum transport in nanostructures. This way, it is of fundamental importance to understand the dynamics of charge and spin quantum transport in graphene nanostructures, such as graphene tunneling junctions. The main goal of the present work is to put forward a simple model of charge and spin transport based on the transfer hamiltonian method, written using second quantized operators. It allows one to obtain the I ??V characteristics of graphene tunnel junctions, in undoped as well as doped graphene junctions. The proposed nanostructures consist of graphene electrodes separated by a potential barrier region, which can be obtained by means of an applied gate potential. In the doped case the regions at the left and right sides of the barrier can be properly doped, to obtain a p ?? n junction, in which a tunnel diode e_ect is observed, for which a clear voltage bias region of negative di_erential conductance. The doping a_ects the chemical potential near the Dirac points at both sides of the potential barrier, and such structures display typical tunnel diode I ?? V curves. The spin-polarized currents were also calculated in the presence of low magnetic _elds, lesser than 5T in graphene, clearly showing the existence of a spin-polarized current traversing the tunnel junction.

Resumo

Orientador : Prof. Dr. Cesar Augusto Dartora Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. Defesa: Curitiba, 2011 Bibliografia: fls. 59-64 Resumo: Junções de tunelamento magnéticas (MTJs) são usadas em diversas aplicações tecnológicas atuais, tais como cabeças de leitura magnetorresistivas, sensores de campo magnético e Memórias de Acesso Randômicas Magnéticas (MRAMs), devido ao seu efeito de magnetorresistência gigante, cujas raízes estão ligadas a um mecanismo de espalhamento com uma forte dependência de spin. Evidências a favor da existência de correntes de spin colocam em questão a possibilidade de gerar radiação coerente de micro-ondas em um meio com inversão de população de spin, mantido por uma corrente spin-polarizada. Para responder a essa questão, considerou-se uma junção de tunelamento magnético dentro de uma cavidade ressonante como um sistema promissor. A MTJ é composta por dois eletrodos ferromagnéticos separados por um filme fino de óxido que representa uma barreira de potencial devido ao fato de ter os níveis de Fermi das camadas ferromagnéticas situados na banda proibida (bandgap) do filme de óxido. O modelo completo baseia-se em um Hamiltoniano de transferência para determinar a corrente elétrica de tunelamento, bem como a magnitude da corrente de spin. Equações de taxa fenomenológicas são utilizadas para determinar a taxa de emissão de fótons e a potência de saída, onde a injeção de uma corrente polarizada em spin responsável pelo efeito de inversão de população é determinada pela física da junção de tunelamento magnética. O valor de limiar da corrente de spin para que ocorra ação MASER é estimada com base em valores típicos das grandezas relevantes, como as densidades de estados dos eletrodos ferromagnéticos. Mostrou-se que existe uma grande semelhança entre o comportamento de um LASER semicondutor e a MASER baseado em spin. Abstract: Magnetic tunnel junctions (MTJs) are currently being used in many technological applications, such as magnetoresistive reading heads, magnetic _eld sensors and Magnetic Random Access Memories (MRAMs), due to its giant magnetoresistance e_ect whose roots are linked to strong spin-dependent scattering mechanisms. Evidence in favor of the existence of spin currents posed us the question over the possibility to generate coherent microwave radiation in a spin inverted population medium, maintained through a spin-polarized current. To answer that we considered magnetic tunnel junction placed inside a resonant cavity as a promising system. The MTJ is composed by two ferromagnetic electrodes separated by a thin oxide _lm which represents a potential barrier due to the fact that the Fermi levels of the ferromagnetic layers are situated in the gap region of the oxide _lm. The theoretical model is based on the transfer Hamiltonian method to estimate tunnel current as well as the spin-polarized current. Phenomenological rate equations are used to obtain the rate of photon emission and output power of the device, controled by the injection of a spin-polarized current in order to maintain population inversion. The spin current is mainly determined by physics of the magnetic tunnel junction. The threshold value of the spin current is estimated through the use of typical values for the relevant physical quantities, such as the densities of states of the ferromagnetic electrodes. A great resemblance between the behavior of a semiconductor LASER and the spin-based MASER is achieved.

Orientador : Horácio Tertuliano dos Santos Filho Co-orientador : Cesar Augusto Dartora Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduaçao em Engenharia Elétrica. Defesa: Curitiba, 2007 Inclui bibliografia Área de concentração: Telecomunicações