Tesis doctorales DIEE - IEES Doktoretza tesiak

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Diseño de guías de onda cuasi-ópticas para modos gaussianos de orden superior
(1996) Río Bocio, Carlos del; Sorolla Ayza, Mario; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
En este trabajo se presenta un nuevo método de diseño de guías de onda cuasi-ópticas para modos gaussianos, a frecuencias milimétricas. En concreto, se centrará en la generación de modos gaussianos de orden superior, como posibles candidatos a ser portadores de la energía a través de la línea de transmisión cuasi-óptica. Para lograrlo, se presenta un perfil de antena óptimo para la excitación de modos gaussianos de orden superior, a partir de modos de guía de onda convencional. Este perfil, además de conseguir estructuras gaussianas de alta pureza, adapta óptimamente las estructuras de guías de onda con el espacio libre. La idea de diseño es absolutamente general, por lo que puede ser aplicable a guías de onda rectangulares, ya sean corrugadas o no. El abanico de aplicaciones de este tipo de antenas es muy grande, ya que se pueden utilizar como alimentadoras de líneas de transmisión cuasi-ópticas, como alimentadores de antenas parabólicas para la emisión y/o recepción de señales via satélite, etc. En cuanto al diseño de reflectores, se comprueba la existencia, bajo ciertas condiciones (paraxialidad), de una compatibilidad total de los diseños de guías de onda cuasi-ópticas para modos de orden superior con los diseños clásicos para el modo gaussiano fundamental. Se estudian las estructuras de los modos gaussianos de orden superior, definiendo unos nuevos límites de paraxialidad para estos modos superiores. Finalemente, a modo de validación, se ha podido diseñar, construir y medir, la primera línea cuasi-óptica que utiliza un modo gaussiano de orden superior para transportar la potencia entre un generador de microondas y un aplicador o cavidad final. Se ha obtenido una buena concordancia entre los resultados de la simulación y los medidos experimentalmente.
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Diseño y aplicaciones de un elemento activo universal
(Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa, 1996) Cabeza Laguna, Rafael; Carlosena García, Alfonso; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
La lista de elementos activos presentes en el comienzo de la década de los noventa es numerosa y no exenta de repeticiones o conceptos poco útiles. Por otra parte no se presenta en la literatura ningún esfuerzo a la hora de sistematizar ni ordenar todas estas posibilidades, ni tampoco de hacer uso real de ellas a la hora de implementar sistemas más complejos. Se puede citar aquí como ejemplo a seguir el caso del opamp o de la OTA, en los que una vez propuesto el elemento activo, se aplica a esquemas concretos: filtros, simulación de impedancias, etapas amplificadoras, etc, analizando en cada caso las ventajas y desventajas de su uso. En el polo opuesto no hay un análisis teórico consistente de simulación de impedancias con OFCs, ni con OMAs, ni amplificadores de corriente con salida dual, como tampoco se puede encontrar el efecto de la limitación en frecuencia de todas estas etapas básicas a la hora de implementar filtros, o cualquiera de las estructuras básicas para el procesado de señal. En este entorno se enmarca el trabajo de investigación descrito en esta memoria. Se pueden establecer varios objetivos a diferentes niveles de concreción que se verán reflejados en distintos capítulos de esta memoria: La primera parte, descrita en el capítulo 2, desarrolla el concepto teórico de elemento activo universal (UAD), y propone varias posibles implementaciones. Más en detalle los objetivos que se intentarán seguir dentro de esta sección son: en primer lugar se pretenderá llevar a cabo un estudio sobre la posibilidad de utilizar un bloque constructivo en la realización de los diferentes amplificadores básicos. A continuación se modelará dicho bloque con vistas a analizar con posterioridad el comportamiento, desde el punto de vista frecuencial fundamentalmente, de las diversas estructuras que los contengan; Se implementará en silicio ese bloque básico para la posterior comprobación experimental de los resultados teóricos. Se integrarán a su vez diversas de las estructuras propuestas con anterioridad para el UAD; Se investigará la expresión de las diferentes propuestas establecidas en la literatura para los nuevos elementos activos en función del bloque básico encontrado con anterioridad. En realidad estos dos objetivos están íntimamente ligados, por lo que en la memoria no se apreciará ningún tipo de distinción entre ambos; Se investigarán las diferentes características principales de las realizaciones propuestas para los amplificadores básicos. Al estar todas ellas basadas en el mismo bloque básico constructivo la comparación se podrá llevar a cabo de una forma más equitativa. La segunda parte de este trabajo de investigación posee un carácter marcadamente complementario respecto del anterior. Se acometerá en ella el estudio de las propiedades de las diferentes propuestas esbozadas en el capítulo 2, aplicadas a sistemas básicos de procesado. Descendiendo al detalle: El primero y más sencillo es el estudio de las etapas amplificadoras realizadas con las diferentes implementaciones encontradas anteriormente. Así se analizarán en este apartado propiedades tales como ancho de banda frente ganancia, o impedancias de entrada y salida; El segundo más inmediato es la realización de sistemas de filtrado, para lo que se puede acudir a estructuras clásicas tales como Sallen-Key o de realimentación múltiple (MFB). Se investigará el efecto de reemplazar el opamp por alguna de las nuevas posibilidades. Estos dos últimos puntos se desarrollarán en el capítulo 3; Más en profundidad se realizará un estudio de las aplicaciones de los UAD en la simulación de impedancias, que corresponde al capítulo 4 de esta memoria. Para ello se empezará el análisis por la generalización de una estructura clásica en este campo como es un Conversor Generalizado de Impedancias. Así se investigarán en detalle las diversas funciones de error que aparecen en las nuevas estructuras obtenidas al utilizar diferentes UADs. A este estudio le seguirá una propuesta de algoritmo computacional para la síntesis de funciones de admitancia genérica. Dicho algoritmo se comprobará en diversos resultados prácticos. Para finalizar se propone una mejora en la síntesis clásica propuesta por Hilberman para la obtención de admitancias polinomiales generales.
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Study of photonic crystal structures and their applications in the field of antennas
(2000) Gonzalo García, Ramón; Maagt, Peter de; Sorolla Ayza, Mario; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
El propósito principal perseguido en esta tesis ha sido el diseño de estructuras “Photonic Crystal” y sus aplicaciones como substratos para antenas. Estos “Photonic Crystal” se definen como estructuras periódicas en una, dos o tres dimensiones las cuales no permiten la propagación de una onda electromagnética en su interior para cualquier dirección de propagación de la onda incidente en un determinado rango de frecuencias (“bandgap”). Uno de los principales problemas que presentan hoy en día las antenas es la potencia que se transfiere a los modos de substratos. Esta energía no contribuye a la radiación principal de la antena, considerándose un mecanismo de pérdidas. Además, esta energía, dependiendo de la constante dieléctrica del substrato y de su grosor puede suponer más del 70% de la potencia total. Incluso algunas veces esta energía contribuye de forma negativa a la radiación principal, deteriorando en gran medida el diagrama de radiación de la antena. La idea fundamental es utilizar estructuras “Photonic Crystal” como substratos de antenas. Al no permitir la propagación de la onda electromagnética en su interior, no se excitarán modos de substrato y toda la potencia será radiada por la antena. Esto se traducirá en un incremento de la eficiencia y de la directividad de la antena, en la obtención de diagramas de radiación más simétricos y en la reducción de la radiación trasera.
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Modern corrugated horn antennas
(2003) Teniente Vallinas, Jorge; Río Bocio, Carlos del; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
La presente tesis doctoral ha tenido como propósito sentar las bases de diseño de las antenas corrugadas de última generación que se vienen desarrollando desde 1995 en el seno del Grupo de Antenas de la Universidad Pública de Navarra. Este tipo de antenas, ahora mundialmente conocidas como antenas corrugadas Gaussianas o más recientemente con el término “corrugated GPHA’s” donde el término GPHA hace referencia a las siglas en inglés “Gaussian Profiled Horn Antennas” que significa Antenas de Bocina de Perfil Gaussiano; son en la actualidad la mejor solución posible para conseguir patrones de radiación de muy altas prestaciones. Concretamente, las antenas corrugadas de perfil gaussiano superan al resto de antenas de bocina corrugadas en dos aspectos: - Es posible diseñar antenas con lóbulos laterales muchísimo más bajos que con cualquier otro tipo de perfil corrugado. - Son, en general, más cortas que el resto de antenas corrugadas debido a que sus prestaciones son mejores. Por todo ello, actualmente son la opción elegida por multitud de grupos de investigación a nivel mundial para realizar las antenas de bocina corrugadas que requieren sus proyectos. Antenas de este tipo ya han sido embarcadas en satélites como Hispasat 1C e Hispasat 1D, van a ser utilizadas para el instrumento aerotransportado de la ESA llamado Marschals, serán utilizadas en el futuro satélite Planck de la ESA y actualmente una nueva versión muy prometedora esta siendo comercializada por la empresa inglesa Flann Microwave, Ltd.
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Electromagnetic band gap technology for millimetre wave applications
(2004) Ederra Urzainqui, Íñigo; Gonzalo García, Ramón; Maagt, Peter de; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
En esta tesis se ha estudiado el uso de estructuras Electromagnetic Bandgap (EBG) para frecuencias en la banda de las millimétricas. Estas frecuencias son muy apropiadas para aplicaciones de generación de imágenes (“imaging”) debido a las diferentes propiedades de los materiales con respecto a las que presentan a frecuencias ópticas. El uso de antenas planas para estas aplicaciones, el cual sería la opción preferida en cuanto a coste y complejidad de fabricación puede verse limitado debido a las pérdidas causadas por la excitación de ondas de sustrato. Estos problemas se pueden superar mediante el uso de la tecnología EBG, dado que dichos modos son inhibidos en estas estructuras periódicas. A pesar de que algunas demostraciones preliminares del uso de la tecnología EBG para aplicaciones de antenas ya han tenido lugar, ´estas pueden considerarse como meras pruebas de concepto. El propósito de esta tesis ha sido tratar de superar este estado inicial y utilizar configuraciones basadas en esta tecnología para el diseño de receptores. En particular, se han estudiado varios aspectos relacionados con el diseño de receptores a frecuencias de milimétricas implementando tecnología EBG. Primeramente se han estudiado las características principales de los sustratos basados en tecnología EBG. Para ello, se han considerado dos estructuras EBG, el “woodpile” y la estructura de Fan. Con respecto a los materiales dieléctricos utilizados para su construcción, se han utilizado silicio y Titanato de Zr/Sn, ZTT. El uso de un material de elevada constante dieléctrica es de gran interés, ya que permite la reducción del tamaño del EBG y el aumento de su ancho de banda. Se han estudiado tanto la impedancia de entrada como el diagrama de radiación de las configuraciones para las diferentes posiciones de un dipolo sobre el substrato EBG. Se ha encontrado que ambas características dependen fuertemente de la posición y de la orientación del dipolo con respecto de las zonas dieléctricas y de aire en la superficie de la estructura EBG. Así mismo, nuestros estudios han mostrado que el uso de materiales de alta constante dieléctrica no conlleva una disminución del tamaño de los elementos radiantes. Basándonos en estos resultados, varias configuraciones han sido estudiadas con más detalle, siendo alimentadas por una línea Coplanar Stripline (CPS). Solamente aquellas configuraciones que presentan alta impedancia de entrada pueden ser adaptadas apropiadamente, dado que la línea CPS presenta alta impedancia característica. Así mismo, el efecto de la las pérdidas de los materiales ha sido estudiado para estas configuraciones, resultando ser despreciables. Los resultados anteriores mostraron que es difícil encontrar una configuración de dipolo sobre “woodpile” que presente simultáneamente buenas características de radiación y adaptación. Por tanto, se ha propuesto una modificación de esta estructura EBG que mejora notablemente tanto el diagrama de radiación como la adaptación de la configuración inicial. Esta modificación es fácil de implementar, dado que se basa en el desplazamiento de las barras de la capa superior del woodpile. Finalmente se han diseñado dos configuraciones de receptor implementando tecnología EBG: un detector directo y un mezclador subharmónico. En ambos casos el elemento radiante consiste en un dipolo colocado sobre un “woodpile” de silicio. En el caso del detector directo, el diseño trató de conseguir la máxima sensibilidad, manteniendo al mismo tiempo un diagrama de radiación no distorsionado. Se han fabricado diversos prototipos de estas configuraciones cuyas medidas están de acuerdo con las predicciones. Con respecto al mezclador subharmónico, se diseñó para minimizar su temperatura de ruido. En este caso la mínima temperatura de ruido medida fueron 950K, a pesar de que se detectaron ciertos problemas debido a la presencia de mezclado harm´onico.
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Millimeter-wave extraordinary transmission: connection to metamaterials and technological applications
(2006) Beruete Díaz, Miguel; Sorolla Ayza, Mario; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
The phenomenon of Enhanced Transmission also happens in the millimeter wave range, as it happened in optical frequencies. This experimental fact shows that this is a phenomenon mostly linked to the periodic structure regardless of the model used to describe the metal. The number of illuminated holes is a key parameter to observe the Enhanced Transmission band. Measurements in Fresnel zone show a weak band, and with the farfield illumination a good level is obtained. It has been shown that ET is mainly governed by one of the transversal periodicities, the one in the direction of the electric field (under normal incidence). The presence of dielectrics can produce a great field confinement and therefore a more efficient illumination of holes. Enhancement of transmission through a narrow slot on a metallic plane achieved by corrugating the metallic plane has been experimentally proven in the range of microwaves and millimeter waves. This result links the enhancement to the geometry of the metallic substrate rather than to the metallic model. It has been checked the ability to produce a strong beaming at broadside in the configuration of corrugations drilled on the output face. Several low-profile and all-metallic antenna prototypes have been designed and measured in the microwave range. The feeding is made by means of a waveguide. By changing the central (ideally) infinite slit to a finite slot several improvements can be done, fundamentally the thickness of the antenna can be reduced and a dual-band operation can be achieved. A great variety of farfield characteristics can be obtained by changing the number of corrugations. High gain antennas can be attained by using annular corrugations, the socalled Bull’s-Eye antenna. Further improvements deal with the insertion of dielectric inside the corrugations and with changes in the shape of the corrugations, for example sinusoidal profile. An artificial waveguide defined by introducing a set of parallel electric and magnetic conductors can be employed to analyze the diffraction problem of an incident plane wave normally to a sub-wavelength hole array. Evanescent higher order modes play a key role in the ET effect. Even more unexpected results appear if a periodic structure is made by stacking several of such plates: a left-handed metamaterial can be achieved by the periodic stacking of sub-wavelength hole array plates to form a photonic band-gap structure. The stack period with LH behavior can be made much smaller than the operating wavelength, and therefore it can be safely stated that the structure works in that dimension as an effective metamaterial. Simulation and experimental results presented show that left-handed propagation effects appearing in the band where EOT happens can be allowed or inhibited by a proper engineering of the band gap position of the photonic crystal made of stacked subwavelength hole-arrays. In the transition from LH to RH behavior a nearly zero slope band is observed, which can evidence a frozen mode propagation regime inside the structure. A simplified model based on inverse line equivalent circuit has been exposed to explain the LH and RH behavior. The stacked hole array structure can be engineered to construct prisms with anomalous behavior. Other geometries such as parabolic lenses can also be achieved. It has been seen that surfaces made by the periodical arrangement of Split- Ring Resonators (SRRs) and its complementary particle (CSRRs) illuminated by a plane wave show a high variety of cross-polarization effects. The analytical discussion based on the homogenization principle has been compared with the experimental results. It is able to catch the qualitative features in the response of the screens. The complementarity in the response of SRRs and CSRRs has been checked. Applications of the studied devices to frequency selective surfaces, polarizers and polarization converters can be envisaged. The existence of electroinductive waves (EIWs) in chains of electrically coupled CSRRs has been demonstrated both theoretically and experimentally. The duality between EIWs and previously reported MIWs has been discussed, and the ability of long CSRR chains to transport electromagnetic energy along many periods has been shown. A practical transducer between electromagnetic and EIWs in planar technology has been proposed and analyzed. Regarding practical applications, EIWs can be an alternative to MIWs for the guidance of electromagnetic energy, as well as for the design of couplers, delay lines and other planar devices, when electric couplings rather than magnetic couplings are imposed, or simply desired for the design. Taking as a basis the resonators used to implement an EI waveguide, a further step has been given in the design of a UWB filter in microstrip technology. This filter can be improved by inserting CSRRs to reject the higher frequencies. A final word fundamentally related to the ET results presented here: The reported results have been achieved for the millimetre range, but similar results are expected to happen at optical frequencies since extraordinary transmission has been shown at optical frequencies and the kind of structure presented here will present low losses in higher frequency regime. The control of the EOT-LHM could lead to a new class of practical devices both in the microwave and in the optical range.
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Amorphous glass-coated ferromagnetic wires in microwave engineering
(2013) Liberal Olleta, Íñigo; Gonzalo García, Ramón; Ederra Urzainqui, Íñigo; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
En esta tesis se ha estudiado el uso de hilos ferromagnéticos recubiertos de vidrio en ingeniería de microondas. Para este fin, se han formulado modelos analíticos y equivalentes circuitales de la interacción entre un hilo ferromagnético y campos electromagnéticos. Dichos modelos se han utilizado para estudiar los fenómenos más relevantes relacionados con la interacción entre un hilo ferromagnético y campos electromagnéticos, incluyendo la transición de efectos superficiales a volumétricos, y las múltiples peculiaridades del espectro de absorción. Además, se han investigado los límites fundamentales en el equilibrio de potencias presente en interacciones de un hilo ferromagnético con campos electromagnéticos, así como sus implicaciones tecnológicas. Estructuras consistentes en varios hilos ferromagnéticos se han modelado como materiales electromagnéticos artificiales (los cuales pertenecen a la clase de materiales dieléctricos con permitividad controlada por las propiedades magnéticas de los hilos) y superficies artificiales. Basado en estos estudios fundamentales, absorbentes electromagnéticos reconfigurables y sensores de estrés mecánico basados en técnicas de radar se han identificado como las aplicaciones más prometedoras. A este respecto, se han presentado diseños de prueba de concepto de un absorbente de banda ancha con una banda estrecha de reflexión, y un absorbente de banda estrecha. Dichos dispositivos podrían utilizarse en la práctica para monitorizar objetos ocultos a observadores externos, y para mitigar interferencias en comunicaciones inalámbricas. En lo concerniente a sensores de estrés mecánico basados en técnicas de radar, se ha presentado un procedimiento para caracterizar los hilos bajo estreses mecánicos. Utilizando dicha técnica se han caracterizado hilos en los que la posición en frecuencia de la resonancia ferromagnética natural aumenta en función del estrés aplicado. Estos resultados sugieren el uso de hilos ferromagnéticos para monitorizar estructuras arquitectónicas e implantes.
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Low power channel selection filtering for highly integrated wireless receivers
(2013) García Alberdi, Coro; López Martín, Antonio; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
In this research work, low-voltage and low-power techniques have been applied to implement novel analog circuits, mainly Gm-C filters. The structure of the thesis follows a bottom-up scheme: basic techniques at device level are proposed in the first place, followed by the introduction of novel circuit topologies at cell level, and finally the achievement of new designs at system level. At device level the main contribution of this work is the employment of Floating-Gate (FG) and Quasi-Floating-Gate (QFG) transistors in order to reduce the power consumption. By using them, new topologies are proposed at cell level, being a high-performance tunable class AB transconductor well adapted to low power and low voltage environments the most important one. This circuit employs a resistive divider implemented by MOS transistors operating in triode region as tuning scheme. Regarding system level, new designs have been achieved by employing these novel cells. In fact, as a final result, this dissertation introduces a new tunable highly-linear third-order Butterworth low-pass Gm-C filter, suitable for channel selection filtering in a Zero-IF receiver. Automatic tuning systems are also proposed to improve it. Moreover, a VGA is also implemented by employing the same basic cell. It operates with constant bandwidth for all the gain settings. Both are important blocks in a Zero-IF wireless receiver. All the proposed circuits have been fabricated using a 0.5μm doublepoly n-well CMOS technology, and the corresponding measurement results are provided and analyzed to validate their operation. Furthermore, different approaches to obtain the final designs are discussed together with theoretical analysis to fully explore the potential of the resulting circuits and systems in the scenario of low-power low-voltage applications.
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Optical fiber sensors based on nanostructured materials for environmental applications
(2014) Rodríguez Rodríguez, Adolfo Josué; Ruiz Zamarreño, Carlos; Matías Maestro, Ignacio; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
La contaminación ambiental es la presencia de agentes físicos, químicos o biológicos presentes en el agua, suelo y aire; siendo perjudiciales para la salud de las personas, así como para la vida vegetal y animal. Las actividades económicas son esenciales para el desarrollo de la sociedad, sin embargo, muchas de estas actividades son una fuente de contaminación constante. Por ejemplo, la fuga de fluidos y gases en plantas industriales afectan negativamente a la salud e higiene para la elaboración de alimentos, bebidas, aditivos y materias primas causando un impacto ambiental y económico negativo en la industria. La búsqueda continua de métodos para el desarrollo de sistemas de medición es una característica de la evolución tecnológica de la humanidad. Las fibras ópticas presentan varias ventajas para ser empleadas en sistemas sensores; tales ventajas son: inmunidad a la interferencia electromagnética, dimensiones reducidas, ligeras, bajas pérdidas, fácil multiplexación y resistencias a la corrosión, entre otras. En general, podemos encontrar una amplia gama de aplicaciones en la industria para el desarrollo de sensores en fibra óptica. Sin embargo, en esta tesis se han seleccionado tres aplicaciones industriales de interés relevante: detección de gas amoniaco a bajas concentraciones, detección de adulteración en bebidas alcohólicas y detección de adulteración de combustibles. Se caracterizan los parámetros de los sensores desarrollados tales como la sensitividad, reversibilidad, reproducibilidad y precisión para la medición de cada tipo de sensor. Los resultados obtenidos en esta tesis serán útiles en el estudio de nuevos materiales aplicables a sensores ópticos, permitiendo la apertura a nuevas vías de investigación en el campo de los sensores en fibra óptica para aplicaciones industriales.
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Dosimetric study of the radiolectric influence of humans into complex environments through determistic simulations and the implementation of a simplified model
(2014) Aguirre Gallego, Erik; Falcone Lanas, Francisco; Serrano Arriezu, Luis Javier; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
The research presented in this thesis falls under the framework of dosimetry and deterministic estimations. A dosimetric study is carried out with the aid of a 3D Ray Launching simulation technique, by means of an in-house developed code at UPNA. Dosimetry is defined as the calculation of the absorbed dose when a tissue is exposed to electromagnetic radiation, in this case, non-ionizing radiation. It has reached a great importance since a part of the society starts to show concern about the exposure of people to artificial exposures caused by mobile phones or Wi-Fi networks. In fact, some entities (administrations and health bodies) are involved in the regulation and the release of guidelines about this subject. The objective of this thesis is to study dosimetry through 3D Ray Launching simulation technique, calibrating it by the implementation of several scenarios where the simulation tool is tested throughout the comparison of theoretical and measurement results. A simplified human body has been also developed with the aim of employing it in different scenarios, performing dosimetric estimations and providing insight on its influence in the electromagnetic power distribution inside an indoor scenario. Finally, obtained results are compared with different guideline thresholds giving an idea of the compliance of the law when usual wireless communication systems are emitting.
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Integración de tecnologías inalámbricas en sistemas de control y monitorización
(2014) Nazábal Urriza, Juan Antonio; Falcone Lanas, Francisco; Matías Maestro, Ignacio; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
En este trabajo se explora el concepto de ‘Internet of things’ y la integración de diferentes tecnologías de sensado en un mismo sistema de monitorización y control remoto. Básicamente la idea consiste en que todo esté conectado con todo a través de una red de transporte genérica aunque la red utilizada en este trabajo ha sido Internet debido a su alcance prácticamente global. Existen diferentes tecnologías de sensado a utilizar con sus diferentes ventajas e inconvenientes y en este trabajo s se propone el uso conjunto de algunas de ellas. Por un lado se propone el uso de dispositivos inalámbricos basados en IEEE 802.15.4. Debido a que presentan un bajo consumo y poseen una baja tasa de transmisión los convierten en buenos candidatos a la hora de su utilización en redes de sensores. Además se comentan las características radioeléctricas de los mismos, así como los principales problemas radioeléctricos asociados, cobertura, calidad de enlace, etc. También se estudia su uso en sistemas de baja movilidad así como su uso colocados sobre el cuerpo humano. Otra tecnología interesante a integrar es KNX. Este estándar domótico posee una amplia experiencia y lleva mucho tiempo en el mercado. Además existen multitud de diferentes modelos de dispositivos de diferentes fabricantes. En este trabajo se habla de cómo acceder a los datos del bus KNX mediante USB y también mediante redes IP utilizando el protocolo KNXNet/IP. Además se comentan los principales inconveniente del mismo y se propone un cambio en el protocolo para subsanarlos. Finalmente una tecnología que proporciona grandes ventajas es la fibra óptica. Dentro del amplio abanico de posibilidades, este trabajo se centra exclusivamente en el uso de sensores basados en redes de difracción en fibra (FBG). Se comenta la dificultad de acceso a los datos de los sensores en equipos de fibra óptica debido principalmente a la falta de estandarización. Finalmente se muestra tres casos concretos de dispositivos ópticos y el mecanismo necesario para acceder a los datos de los sensores conectados a los mismos. En último lugar se comentan varias implementaciones prácticas de diferentes sistemas de monitorización remota con la integración de dos o más de las tecnologías mencionadas anteriormente.
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Contribution to the development of distributed fiber optic sensors based on stimulated Brillouin scattering
(2014) Zornoza Indart, Ander; Loayssa Lara, Alayn; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa; Gobierno de Navarra / Nafarroako Gobernua, 13326; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa
Fiber optic sensors are becoming a disruptive technology in monitoring integrity of structures. Their low loss, electromagnetic immunity, remote sensing possibilities, multiplexing possibilities and light weight are very attractive in field measurements. Also, the possibility of performing distributed measurements is only possible with fiber optics. In distributed fiber sensors the fiber itself is the transducer, and the measurement of a given parameter i.e. temperature, strain… is given continuously along the fiber at a given spatial resolution, without blind spots. Between the different types of fiber optics distributed sensors, the ones based on stimulated Brillouin scattering are the most promising technology, since they potentially allow high resolution measurements in tenths of kilometer long fibers. However, field applications of these sensors require better performance: faster response sensors in hundreds of kilometer long fibers, at high resolutions (better than 1 meter) at the lowest possible cost. This thesis contributes to the development of fiber optics sensors based on stimulated Brillouin scattering in that direction. We first develop theoretical models so as to study the behavior of the sensor and focus in the main limitations these sensors manifest. Then, after studying different solutions in the literature, we show our contributions. A sensing setup, based on the RF-shaping of pump pulses is presented as a solution to simplify the sensor setup. Furthermore this setup helps in extending the overall sensing length by minimizing non-local effects. An alternative to the common Brillouin spectrum scan, exploiting the wavelength dependence of Brillouin frequency shift, is introduced. This adds a new degree of freedom to the existing Brillouin based sensors. The work carried out during a research stay in Aversa, Italy, is also explained. It consists in a technique, TDM-BOTDA, which enhances the SNR in detection and minimizes non-local effects, improving the sensor performance. In order to integrate point sensors in a distributed sensors network, two designs are proposed and demonstrated. They take advantage of Raman distributed amplification so as to reduce the loss generated by long fibers and multiplexing. Finally, the application of coherent light-wave systems to BOTDA is studied by the introduction of BOTDA sensors with self-heterodyne detection. Self-heterodyne BOTDA sensors increase the SNR in detection considerably. Furthermore, they add the possibility of measuring the Brillouin phase shift generated along the fiber. This is very important, since it enables the possibility of performing dynamic measurements which are independent of loss.
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New developments in the THz field for imaging applications
(2014) Etayo Salinas, David; Gonzalo García, Ramón; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
Con esta tesis se pretende avanzar en el desarrollo de la tecnología de terahercios (THz) dentro del campo de las aplicaciones de imagen. Actualmente, los THz se presentan como un rango frecuencial muy interesante para la obtención de imágenes, tal y como se ve reflejado en los numerosos trabajos presentes en la literatura. Por otro lado, aunque se han obtenido cuantiosas imágenes en este rango, aun no es posible identificar el material que compone la muestra. Es por esto que uno de los objetivos de esta tesis es completar las bases de datos de materiales existentes actualmente. Para ello, se han implementado diferentes sistemas que permiten la caracterización electromagnética de diferentes materiales en el rango de los THz.
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Frequency responses and synthesis methods for advanced microwave applications
(2014) Lujambio Genua, Aintzane; Lopetegui Beregaña, José María; Gómez Laso, Miguel Ángel; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
In this thesis, a new approximation procedure based on digital filter design techniques and a direct synthesismethod based on inverse scattering are proposed to provide flexibility to themicrowave filter design process. The combination of bothmethods has been used for the design, fabrication, and measurement of a multiband filter. Further modifications have been done in the design to improve its integration using the latest Low Temperature Cofired Ceramics (LTCC)multilayer technology. Different type of rectangular waveguide filters with smooth profiles have been presented that provide wideband rejection, high power handling capability and higher order mode suppression, typical specifications of satellite communication systems. The analysis of the proposed devices makes special emphasis on multi-mode effects, which are analyzed using a home-made mode-matching program that allows to obtain the evolution of themodes and the coupling between theminside the structure. Finally, dispersive delay lines (DDLs), the basic elements of analog signal processing systems, have been considered in detail. After a review of the state of the art, a new method to design chirped delay lines (CDLs) in coupled-lines is proposed and validated by the design, fabrication, and measurement of a device aimed for Ultra Wideband signal processing. In addition, several CDLs in coupled lines are designed to compensate the chromatic dispersion of optical communication systems obtaining very good results for relatively short optical links.
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Contribution to the development of functional nanostructured coatings based on silver nanoparticles
(2014) Rivero Fuente, Pedro J.; Goicoechea Fernández, Javier; Arregui San Martín, Francisco Javier; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa; Gobierno de Navarra / Nafarroako Gobernua; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa
Esta tesis se centra en la síntesis de nanopartículas de plata (AgNPs) y su posterior incorporación en recubrimientos delgados usando dos métodos alternativos: el proceso de síntesis in situ (ISS) de AgNPs y la técnica de embebido capa a capa (LbL-E) de AgNPs. Un preciso control de varios parámetros tales como la forma, tamaño, estado de agregación o la distribución de las nanopartículas de plata en los recubrimientos tiene una gran influencia en la posición final de la longitud de onda de la resonancia localizada de plasmones superficiales (LSPR). Además, estas películas que incorporan nanopartículas de plata han sido estudiadas para dos aplicaciones diferentes. La primera aplicación es la fabricación de recubrimientos antibacterianos eficientes. La segunda aplicación es la fabricación de un nuevo tipo de sensores de fibra óptica basados en la incorporación de nanopartículas de plata en películas nanoestructuradas, que hace posible obtener y observar dos resonancias ópticas diferentes, (LSPR) y resonancias de modos con pérdidas (LMR), en un mismo dispositivo
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Plasmonics and metamaterials at terahertz frequencies
(2014) Torres Landívar, Víctor; Beruete Díaz, Miguel; Navarro Cía, Miguel; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
The research presented in this manuscript falls under the framework of metamaterials and plasmonics. It is mainly focused on applications at terahertz (THz) frequencies, a spectral band located between microwaves and infrared. Metamaterials are advanced materials able to synthesize electromagnetic properties hardly found in natural materials by means of engineering their meta-atoms. Metallic inclusions are commonly used in metamaterials design. At low frequency bands such as microwaves and millimeter-waves, metals behave fundamentally differently than at infrared and optics. Plasmonics sets the theory of the interaction processes between electromagnetic radiation and conduction electrons of metals at such high frequencies. The objective of this thesis is to devise, design, analyze and, whenever possible, experimentally realize and measure new metamaterials and plasmonics devices for free-space quasi-optical applications. Particularly, field concentrators in the form of advanced lenses and nanoantennas as well as advanced polarizing devices are targeted. The contributions presented here start from the specific theory of the field and the results are supported by numerical simulations, analytical calculations and/or measurements of real prototypes.
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Power-efficient current-mode analog circuits for highly integrated ultra low power wireless transceivers
(2014) Esparza Alfaro, Fermín; López Martín, Antonio; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
In this thesis, current-mode low-voltage and low-power techniques have been applied to implement novel analog circuits for zero-IF receiver backend design, focusing on amplification, filtering and detection stages. The structure of the thesis follows a bottom-up scheme: basic techniques at device level for low voltage low power operation are proposed in the first place, followed by novel circuit topologies at cell level, and finally the achievement of new designs at system level. At device level the main contribution of this work is the employment of Floating-Gate (FG) and Quasi-Floating-Gate (QFG) transistors in order to reduce the power consumption. New current-mode basic topologies are proposed at cell level: current mirrors and current conveyors. Different topologies for low-power or high performance operation are shown, being these circuits the base for the system level designs. At system level, novel current-mode amplification, filtering and detection stages using the former mentioned basic cells are proposed. The presented current-mode filter makes use of companding techniques to achieve high dynamic range and very low power consumption with for a very wide tuning range. The amplification stage avoids gain bandwidth product achieving a constant bandwidth for different gain configurations using a non-linear active feedback network, which also makes possible to tune the bandwidth. Finally, the proposed current zero-crossing detector represents a very power efficient mixed signal detector for phase modulations. All these designs contribute to the design of very low power compact Zero-IF wireless receivers. The proposed circuits have been fabricated using a 0.5μm double-poly n-well CMOS technology, and the corresponding measurement results are provided and analyzed to validate their operation. On top of that, theoretical analysis has been done to fully explore the potential of the resulting circuits and systems in the scenario of low-power low-voltage applications.
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Estructuras de conversión para sistemas fotovoltaicos de alta potencia
(2014) Borrega Ayala, Mikel; Marroyo Palomo, Luis; González Senosiain, Roberto; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
Dentro de las grandes plantas fotovoltaicas, el inversor es un elemento crítico y debe ayudar a reducir el coste de la misma. Los inversores de alta potencia utilizados utilizan tres tipos de arquitecturas de conversión: inversor centralizado, inversor multi-string y el inversor maestro-esclavo. A lo largo de esta tesis se han analizado los tres tipos, realizándose aportaciones sobre el estado del arte en todas ellas. La aportación principal es la nueva técnica de control propuesta para los inversores maestro-esclavo. Esta técnica de control elimina las corrientes circulantes entre los diferentes inversores de los que está compuesto el inversor maestro-esclavo, posibilitando la utilización de transformadores de un único secundario e inductancias trifásicas. Con el consiguiente ahorro económico. Otra aportación ha sido el análisis en modo común realizado a las tres arquitecturas de conversión. Se ha propuesto una metodología de diseño de los filtros en modo común que obtiene analíticamente las frecuencias de resonancia del circuito.
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Conexión en paralelo de convertidores para la generación de la red auxiliar de un tren
(2014) Garralda Sanz, Daniel; Gubía Villabona, Eugenio; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
Los equipos de potencia destinados a crear la red eléctrica interna que alimenta todos los sistemas eléctricos del tren, a excepción de los motores de tracción, se denominan sistemas de alimentación auxiliar y constituyen el tema objeto de esta tesis. La elevada potencia demandada, junto con la redundancia necesaria, ha propiciado que se opte por configuraciones donde se conectan convertidores trifásicos en paralelo, siendo esencial la sincronización de las tensiones de salida de cada uno de ellos. Básicamente se diferencian dos modos de funcionamiento; modo centralizado, donde un único sistema de control gestiona la conmutación de los convertidores y modo distribuido, donde cada convertidor trabaja de forma independiente. En ambos casos se busca un reparto equilibrado de la potencia suministrada a la red auxiliar. Esta tesis aporta un novedoso enfoque para el análisis de la conexión de equipos en paralelo, definiendo modelos que permiten conocer la dinámica de la potencia suministrada por los convertidores en los sistemas centralizados y distribuídos.
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The potential integration of distributed generation in medium & low voltage grids: the applicability of power flow and hardware-in-the-loop tools for simulation and validation
(2014) Mentesidi, Konstantina; Aguado Alonso, Mónica; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
The current thesis is dedicated to the penetration of DG technology into a MV/LV distribution network that may loosely represent an Island or autonomous power system since MV/LV levels are of high interest as most of distributed energy sources (DER) will be connected there. Two simulation tools will be utilised throughout this work to demonstrate the implementation of DG technology on distribution networks; the Siemens PTI, PSS/E software tool that allows for grid penetration and analysis studies and RTDS/RSCAD program that allows for real time simulations and execution of Power Hardware-in-the-loop (PHIL) tests.