[pt] Esta dissertação tem por objetivo analisar, a partir da Teoria Geométrica da Difração, o efeito de espalhamento mútuo entre as superfícies refletoras no diagrama de irradiação de antenas Cassegrain. São apresentados resultados numéricos evidenciando todas as contribuições de campos difratados de até 3ª. ordem. / [en] It is the purpose of this dissertation to analyse, via the Geometrical theory of Diffraction, the effect of mutual scattering between reflector surfaces on the radiation pattern of Cassegrain antennas. Numerical results highlight the contributions of the complete set of up to 3(rd) order diffracted fields.

[pt] Este trabalho apresenta um modelo matemático destinado a interpretar o espalhamento causado pela precipitação pluviométrica em uma onda eletromagnática que se propaga na troposfera. Sob o ponto de vista da aplicação prática, a motivação principal se prendeu à análise da interferência entre uma estação terrena de um sistema de comunicação por satélite com estações de sistemas terrestres que operam na mesma faixa de freqüências. O modelo investigado é representado por uma célula cilíndrica, cujo diâmetro depende do valor da taxa de precipitação pontual na região em estudo. O seu emprego é relativamente simples e a comparação com medidas experimentais mostrou resultados plenamente satisfatórios. / [en] The purpose of this work is to present a mathematical model which interprets the scattering caused by pluviometric precipitation in tropospheric propagation. Concerning pratical applications, our main interest was to analyze the interference between a satellite system Earth station and a terrestrial cell whose diameter depends upon local and punctual precipitation intensity is the geometric basis for the model. Model use is relatively easy, and comparisons with experimental data have shown satisfatory results.

[pt] Neste trabalho foi feito o estudo do espalhamento da luz realizado por partículas esféricas dielétricas, pelo uso do método dos elementos finitos, através do software COMSOL Multiphysics 5.6, sendo considerado o comportamento da luz tanto como onda quanto como partícula. Este estudo visa, no futuro, a compreensão do laser aleatório em sistemas com centros espalhadores de diferentes geometrias. Considerando o comportamento ondulatório da luz, foi estudada a teoria sobre as séries de Mie. Esta, por sua vez, é uma solução que, dado o campo de incidência, pode-se calcular os campos espalhados e absorvidos por partículas esféricas. Foram calculados os valores da seção de choque de espalhamento e a média do cosseno do ângulo de espalhamento para uma partícula de raio (r) maior que um décimo do comprimento de onda (Comprimento de onda) da luz (raio maior que um décimo do comprimento de onda) e uma com (raio menor que um décimo do comprimento de onda). Neste último caso, também foi estudada a variação da intensidade da luz espalhada em função do ângulo de espalhamento. Os resultados das partículas pequenas corresponderam ao regime de Rayleigh. As partículas esféricas consideradas foram a rutila, TiO2, e a alumina, Al2O3. Foi estudado também o espalhamento de luz realizado por duas partículas idênticas. Para esse caso, obteve-se uma luz espalhada mais intensa na região entre as partículas em comparação a outras regiões. Ademais, ao comparar com o espalhamento feito por uma única partícula, foi notado que a luz espalhada por duas partículas, na região entre as duas, também era mais intenso. Além disso, ao estudar o confinamento de luz entre duas e três partículas de r = 230 nm, viu-se que o espectro do campo espalhado apresentava mais de um pico, como há em lasers aleatórios coerentes. No que concerne ao comportamento corpuscular da luz, foi considerada a equação de difusão de fótons, onde o espectro de emissão da fluorescência de R6G incidindo em uma concentração da ordem de 1010 cm−3 partículas foi simulado e, posteriormente, comparou-se o resultado obtido com o comportamento de um sistema de laser aleatório incoerente. / [en] In this work, the study of light scattering performed by dielectric spherical particles was carried out, using the finite element method, through the COMSOL Multiphysics 5.6 software, considering the behavior of light both as a wave and as a particle. This study aims, in the future, to understand the random laser in systems with scatter centers with different geometries. Considering the wave behavior of light, the theory of the Mie series was studied. This is a solution that, given the incidence field, makes it possible to calculate the fields scattered and absorbed by the spherical particles. The values of the scattering cross section and the mean of the cosine of the scattering angle were calculated for a particle with radius (r) bigger than one tenth of the light wavelength (wave length) (radius greater than one tenth of the wave length) and one with (radius less than one tenth of the wave length). In the latter case, the variation of the scattered light intensity as a function of the scattering angle was also studied. The small particle results corresponded to the Rayleigh regime. The spherical particles considered were rutile, TiO2, and aluminium oxide, Al2O3. The scattering of light performed by two identical particles was also studied. For this case, a more intense scattered light was obtained in the region between the particles compared to other regions. Furthermore, when comparing with the scattering done by a single particle, it was noticed that the light scattered by two particles, in the region between the two, was also more intense. Furthermore, when studying the confinement of light between two and three particles with r = 230 nm, it was seen that the spectrum of the scattered field showed more than one peak, as one has in coherent random lasers. Concerning the corpuscular behavior of light, the photon diffusion equation was considered, where the emission spectrum of the fluorescence of R6G incident on a concentration of the order of 1010 cm−3 particles was simulated and, later, the result obtained was compared with the behavior of an incoherent random laser system.

[pt] Este trabalho visa estabelecer na prática a estatística do ganho dependente da polarização (PDG-Polarization Dependent Gain) em sistemas ópticos com amplificação Raman. A amplificação Raman depende fortemente da polarização relativa entre os fótons de bombeio e de sinal, que tem que ser paralelas para máximo ganho [1]. Portanto, a birrefringência é um importante limitador de desempenho de sistemas de longa distância amplificados por esta técnica visto que modifica os estados de polarização de forma diferente para cada comprimento de onda. A birrefringência varia aleatoriamente de acordo com as flutuações do ambiente onde está a fibra óptica, dando origem à dispersão dos modos de polarização, efeito este conhecido pela sigla PMD. Alguns experimentos recentes mostraram que o amplificador Raman não só depende do estado de polarização do sinal de entrada, mas também que o valor da dependência do ganho com a polarização (PDG- Polarization Dependent Gain) flutua devido a natureza aleatória da PMD [4,5]. É importante conhecer a estatística da PDG, sua relação com a PMD e como a PDG pode ser reduzida a níveis aceitáveis. Nesse trabalho será medida experimentalmente a distribuição estatística da PDG em fibras de dispersão deslocada e os resultados comparados com as previsões teóricas dadas por [2]. / [en] Raman amplifiers are very attractive because they provide a large and relatively flat gain over a wide bandwidth while maintaining a small noise figure, and they can be made using regular silica fiber. However, the Raman Gain coefficient is polarization sensitive and can be up to ten times higher when the signal and pump polarization states are parallel rather than perpendicular [1]. Usually fibers present some degree of residual asymmetry - because the fiber core is slightly out-of-round, or because of mechanical stress on the deployed fiber - and this causes polarization mode dispersion. The light traveling along one polarization axis moves slower or faster than the light polarized along the other axis. This effect distorts the signal and causes polarization fluctuations along the fiber. As the Raman gain is higher when the signal and pump polarization states are parallel these fluctuations of the relative polarization between signal and pump vary the instantaneous value of the Raman gain. So the Polarization Dependence Gain (PMG) is directly related to the PMD. Several experimental studies have shown not only that the gain of raman amplifiers depends on the state of polarization of the input signal but also that this polarization-dependent gain (PDG) fluctuates over a wide range because of the random nature of polarization mode dispersion (PMD) [4,5]. It is important to know the statistics of PDG, its relationship to the PMD, and how the PDG can be reduced to acceptable low levels. In this letter we will demonstrate experimentally the statistical distribution of the PDG given by [2]. This In this work the polarization dependent gain (PDG) fluctuations due to PMD in Raman amplified optical transmissions is experimentally demonstrated.

[pt] Este trabalho analisa o efeito das estruturas de suporte do sub-refletor das antenas Cassegrain através da teoria de espalhamento por cilindros. São desenvolvidas expressões das densidades de correntes superficiais sobre cilindros de seção transversal qualquer e obtidas as componentes de campo espalhado. Com esses resultados analisa-se então o efeito que os estais provocam na redução do ganho e no aumento dos lobos secundários. Os resultados finais obtidos são então comparados com outras teorias aproximadas. / [en] This work presents a study on the effect of subreflector support members of Cassegrain antennas using the theory of scattering by cylinders structures. Expressions for the surface current densities on arbitrary cross section cylinders are developed, and the components for the scattered field are obtained. Using these results we analyse the effect of the struts on the gain reduction, and the rise of maximum side-lobe level. The final results aobtained are then compared to other approximate theories.

[pt] Nesta dissertação, é apresentado estudo realizado sobre a variabilidade do sinal, da banda de coerência e do espalhamento de retardos em um ambiente de rádio propagação móvel, por meio de medição em campo de um sinal WiMAX propagado ao longo do canal rádio móvel. A análise da estatística do sinal capturado é comparada com valores teóricos. O sinal WiMAX utilizado possui a tecnologia OFDM-256, como base da sua camada física, e frequência central de 3,410 GHz. A partir dos dados coletados durante as medições, são realizadas as análises da variabilidade do sinal, taxa de cruzamento de nível, tempo médio de desvanecimento, verificada a banda de coerência do canal e calculado o espalhamento de retardos (delay spread), por meio de fórmulas teóricas, em ambientes de LOS e NLOS. O nível do sinal medido é apresentado na forma de distribuição de probabilidade cumulativa, comparado com as distribuições cumulativas teóricas Rayleigh e m-Nakagami, sendo possível verificar a satisfatória adaptação dos dados às distribuições teóricas. São apresentados gráficos com a informação de taxa de cruzamento de nível e tempo médio de desvanecimento de determinadas subportadoras do sinal capturado, bem como os valores teóricos dos parâmetros supracitados, de acordo com as distribuições Rayleigh e m-Nakagami. Novamente, é possível verificar a satisfatória adaptação entre as informações teóricas e os dados medidos em campo. Por fim, é realizada a correlação entre as subportadoras, com o intuito de averiguar a banda de coerência definida, neste trabalho, para um valor de correlação igual a 0,5. De posse dessa informação, o cálculo do parâmetro de espalhamento de retardos é realizado, com base em fórmulas presentes na literatura. / [en] This work presents a study of signal variability, coherence bandwidth and delay spread of a WiMAX signal transmitted through a mobile radio propagation environment. The statistical analysis of the received signal is compared with theoretical distributions. The transmitted WiMAX signal has its physical layer based on OFDM-256 and 3.4 GHz as central frequency. Based on the signal received during the measurements campaign some analysis are done: signal variability; level crossing rate; average fade duration; coherence bandwidth; and delay spread calculation, based on theoretical formulas, in LOS and NLOS environment. The received signal amplitude is plotted as a function of the cumulative probability and compared to the theoretical Rayleigh and m-Nakagami cumulative distributions. It’s possible to notice a good characterization of the measured data based on those two distributions. Some graphs show the level crossing rate and average fade duration of a specific subcarrier of the received signal. In the same graphs are also plotted the theoretical values of Nakagami-m and Rayleigh distributions for those two parameters and we are able to see the good agreement. The correlation between subcarriers is also calculated in order to find out the correlation bandwidth for a correlation of 0.5. Once that the correlation bandwidth is known, the delay spread is calculated based on theoretical formulas.

[pt] A demanda pela transmissão de dados envolvendo aparelhos celulares continua crescendo a um ritmo acelerado. Este crescimento implica que, dentro das próximas décadas, redes celulares precisariam atender até 1000 vezes a capacidade atual. Para enfrentar este desafio, existe um interesse crescente em sistemas celulares operando na faixa de ondas milimétricas. O espectro de ondas milimétricas varia entre 30 GHz e 300 GHz, mas as faixas de frequências de 28 GHz, 38 GHz, 60 GHz e 70 GHz a 90 GHz parecem especialmente promissoras para a próxima geração de sistemas celulares, permitindo a utilização de larguras de canais superiores a 1 GHz. Durante a propagação em ligações de rádio terrestres ou via satélite na faixa das ondas milimétricas, ocorrem atenuações do sinal devidas à absorção e espalhamento causados por partículas atmosféricas e por hidrometeoros. O espalhamento produzido na faixa das ondas milimétricas pode ocasionar interferências cocanal entre sistemas fixos ou entre células de comunicações móveis vizinhas. A interferência devida ao espalhamento pela chuva ocorre quando a energia eletromagnética transmitida por uma antena é interceptada por uma célula de chuva. Isto causa espalhamento lateral do campo incidente, convertido em um sinal interferente que possivelmente será recebido por antenas de outros sistemas fixos ou de outra célula do sistema móvel. Isso afetará a relação (S/I) entre as potências dos sinais desejado e interferente no receptor. Nesta dissertação, será proposto um modelo de previsão de interferência pelo espalhamento devido à chuva baseado na Recomendação ITU-R P.452-16. Este modelo será aplicado na determinação da função distribuição cumulativa da relação (S/I) em áreas urbanas de estruturas realísticas regulares ou irregulares na faixa de ondas milimétricas. / [en] In the recent years, the demand for data transmission over the cellular network has been growing at a fast pace. This growth implies that in the next decades, the cellular network will need to provide 1000 times the existing capacity. To meet this challenge, there is an increasing interest in the development of cellular systems operating at millimeter waves. The corresponding frequency spectrum range from 30 GHz to 300 GHz. In particular, the frequency bands centered around 28 GHz, 38 GHz, 60 GHz, 70 GHz and 90 GHz look rather promising for the next generation of cellular systems, allowing the use of 1-GHz wide channels (or even wider). During the propagation of both terrestrial and satellite links in the spectrum of millimeter waves, attenuation takes place due to absorption and scattering caused by atmospheric particles and hydrometeors. Scattering induced in the range of millimeter waves can cause co-channel interference between both fixed and mobile systems as well as between neighbor cells. Interference due to scattering caused by rain occurs as the electromagnetic transmitted energy of an antenna is intercepted by a rain cell. This leads to lateral scattering and antennas of other fixed systems, mobile system cells, or user equipment may receive the resulting interference signals. This affects the S/I ratio between the powers of the desired and the interference signals at the receiver. In this dissertation, a model will be presented to predict the interference power through scattering due to rain on the basis of ITU-R P.452-16 Recommendation. This model will be applied to determine the cumulative distribution function of the S/I ratio in urban scenarios (considering both regular and irregular structures) in the range of the millimeter waves.

[pt] Técnicas ópticas não intrusivas foram utilizadas para obter imagens instantâneas e médias de chamas turbulentas não pré-misturadas de etanol e ar estabilizadas num queimador tipo bluff-body. O espalhamento Mie, PLIF (fluorescência induzida em um plano laser) e PIV (velocimetria por imagem de partículas) determinaram a distribuição da densidade de gotas no spray, intensidade da fluorescência do radical OH, para mapear a zona de reação da chama, e o campo da velocidade do ar, respectivamente. Inicialmente propriedades de sprays de água são comparadas quando se variam as vazões de combustível e de ar, mostrando assimetria de duas zonas de máxima intensidade de espalhamento Mie próximas do bocal de injeção, nos casos de maior vazão de jato, e nos casos de menor vazão, o fechamento do filme líquido ocorre na zona central. Em seguida foram estudados dois regimes de combustão que correspondem a duas vazões de combustível, para os quais foram caracterizadas, a partir do sinal de fluorescência do radical OH, a estrutura instantânea e a média das chamas turbulentas o que permitiu identificar zonas de extinção. A superposição das imagens médias do OH-PLIF e de espalhamento Mie permitem evidenciar, no caso de menor vazão, que o spray é completamente envolto pela chama, o que representa um comportamento clássico para o desenvolvimento e uso de modelos de combustão. No caso de maior vazão, o spray interage fortemente com o processo de combustão, sendo este um caso que se afasta das situações clássicas. / [en] A turbulent nonpremixed ethanol spray flame is characterized through experiments using laser diagnostics. The spray burner has been designed to generate a stable flame with the use of a bluff body. The experiments include spatially-resolved measurements of visualization of droplets distribution (Mie scattering), OH fluorescence intensity, which indicates the reaction zone (Planar laser-induced fluorescence, PLIF) and mean air-flow velocity (Particle imaging velocimetry, PIV). Initially, water sprays results are compared corresponding to different flow rates, showing two asymmetric maximum intensity zones of Mie scattering, which are found near the nozzle at jet velocities. For low flow velocity, coalescence of droplets occurs in the central zone. Then two combustion regimes have been studied, using OH PLIF that corresponds to two different fuel flow rates. The instantaneous and average structure of turbulent flames, allowed identifying local extinction regions. Combined Mie scattering/PLIF results allowed determining, in the case of smallest fuel flow rates, that the spray is surrounded by the flame, which represents a classical situation for the development of combustion models for turbulent flames. In the case of larger flow rate, discrepancies from the classical behavior were observed, since droplets interact strongly with the combustion process.

[pt] É notório que a resistência global de uma estrutura composta por várias camadas coladas depende diretamente da qualidade da adesão entre as mesmas. Imperfeições ao longo das interfaces de adesão comprometem significativamente a performance da estrutura. A caracterização não destrutiva destas imperfeições é geralmente tarefa muito difícil. O principal objetivo deste trabalho é apresentar um método analítico-numérico que permite modelar o campo acústico resultante da interação entre ondas ultra-sônicas e interfaces imperfeitas, auxiliando na escolha de parâmetros para o emprego de métodos ultra-sônicos de inspeção. No trabalho, a aproximação quase-estática, proposta por Thompson em meados da década de oitenta,é combinada com o método das perturbações para a modelagem de defeitos localizados ao longo da camada de adesão. O método desenvolvido admite que as camadas sejam feitas de materiais anisotrópicos, e permite a modelagem em altas frequências. Três simulações são apresentadas para exemplificar a aplicação do método. Resultados destas simulações onde feixes ultra-sônicos são incidentes em placas imersas em água revelam frequências e ângulos de incidência para os quais efeitos de espalhamento, que permitem a caracterização de defeitos localizados, são mais significativos. / [en] It is well known that the global strength of multi-layered composite structures strongly depends on the quality of the adhesion between its constituent elements. Imperfections along interfaces of adhesion can strongly compromise structure s performance. The characterization of such defects is a very difficult task. The main goal of this study is the development of an analytic-numerical method to simulate the acoustic field resulting from the interaction between ultrasonic waves and imperfect interfaces, helping in selection of parameters for ultra-sonic inspecting methods. The Quasistatic-approximation (QSA), introduced by Thompson in 1982, is applied together with the perturbation method to allow modelling of interfacial localized aws. A solution algorithm for the problem is developed with the aid of the invariant embedding method. It is applicable to solve wave propagation problems in arbitrarily anisotropic layered plates and it is stable for high frequencies. Three simulations of multi-layered plates immersed in acoustic uid are presented as illustration of the application of the developed method. Results of those simulations indicate the frequencies and angles of incidence where the scattering effects, which allow the characterization of localized defects, are more significant.

[pt] A principal meta desta tese é estudar os efeitos da chuva nos enlaces operando na faixa de micro-ondas e comprimentos de ondas milimétricas. Para realizar este estudo, é considerado o modelo de chuva que considera um meio de chuva realista composto por um conjunto de gotas com a relação formato-tamanho proposta por Chuang e Beard, uma distribuição de tamanho das gotas dada por de Wolf, o índice de refração complexo da água para uma frequência e temperatura dada sugerido por Ray e uma distribuição de orientação dos eixos de simetria da partícula. O Extended Boundary Condition Method (EBCM) foi aplicado ao modelo descrito para determinar a atenuação, depolarização e espalhamento devidos à chuva. O desenvolvimento foi validado com sucesso por intermédio de comparações de seus resultados com os correspondentes disponíveis na literatura. O modelo de chuva realista foi utilizado em duas aplicações diferentes. Na primeira, foi estudada a interferência devida à chuva entre enlaces de telecomunicações sem fio operando em frequências de ondas milimétricas em ambientes urbanos. Outra aplicação envolve a determinação da taxa de precipitação por intermédio de radares meteorológicos (em particular, radares banda-X). Considerando que seu custo é relativamente baixo e sua resolução elevada, os radares em banda-X estariam entre as melhores opções para monitorar eventos meteorológicos. Entretanto, são susceptíveis à atenuação devida a gases atmosféricos e chuva ao longo dos enlaces, que impedem que a taxa de precipitação seja estimada diretamente a partir da potência recebida correspondente a uma determinada posição. Desta forma, um modelo de chuva realista foi implementado para calcular a seção reta de retroespalhamento e estimar a atenuação específica por intermédio do EBCM em cada um dos volumes existentes entre o radar e a posição selecionada. Este desenvolvimento permite a correção dos efeitos da atenuação existente no enlace formado entre estas duas posições. / [en] The main goal of this research is to study the rain effects on microwave and millimeter wave radio links. Thus, the rain-induced attenuation, depolarization and scattering are studied. To carry out this study, a realistic rain model is proposed, which consider a realistic rain medium composed by a cluster of raindrops with the shape-size relation proposed by Chuang and Beard, a raindrop size distribution given by de Wolf, index of refraction of water for a given temperature and frequency suggested by Ray and a distribution of the orientation angle of the symmetry axis. The realistic rain model is evaluated with two different applications of systems operating at microwave and millimeter wave frequencies. One of the applications involves wireless telecommunication systems, which are strongly affected by the presence of precipitation. To design an efficient radio communication system, the realistic rain model is applied for the analysis and quantification of rain-induced effects on links operating at millimeterwave frequencies in urban environments. Another application involves weather radars (X-band radars in particular). Considering their relatively low cost and high resolution, X-band radars would be among the best options to monitor meteorological events. However, they are susceptible to attenuation by fog, snow or rain. To solve this problem, a realistic and improved rain model is implemented to compute backscattering cross sections and estimate rain attenuation at each range gate. The proposed method is evaluated using radar data provided by the CASA OTG X-band (lambda equal a 3cm) radar located in Mayaguez, Puerto Rico, and X-band radar METEOR 50DX –Selex located in Belém, Brazil.