Orientadores: José Augusto Chinellato, Márcio Aparecido Müller / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-19T10:08:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Theodoro_VanessaMenezes_M.pdf: 42012954 bytes, checksum: 1cd4d5a5b5ebfd4b0836da1f0709faa6 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: O Observatório Pierre Auger foi construído para detectar raios cósmicos de altas energias. Um dos principais objetivos das pesquisas realizadas pelo Observatório Auger, é o estudo da composição de massa dos raios cósmicos primários. O conteúdo muônico dos chuveiros atmosféricos extensos, produzidos a partir das interações dessas partículas primárias no alto da atmosfera, é um dos parâmetros mais sensíveis para o estudo da composição de massa. Ao nível do solo, as partículas detectadas com os 1600 tanques Cherenkov, que constituem o detector de superfície do Observatório, são essencialmente uma mistura de fótons, elétrons e pósitrons, que formam a componente eletromagnética; e os múons da componente muônica dos chuveiros extensos. A contribuição relativa dessas componentes depende do estágio de desenvolvimento do chuveiro e da distância radial ao eixo do mesmo. Nas regiões mais afastadas do eixo do chuveiro, num determinado estagio de seu desenvolvimento, um chuveiro iniciado por um núcleo de ferro, pode sob as mesmas condições que um chuveiro com primário de próton, induzir até 40% mais múons. Um dos métodos possíveis para estimar a contribuição muônica é o uso da estrutura temporal do sinal Cherenkov no detector de superfície. Esses sinais digitalizados em FADCs, mostram que múons induzem picos de sinais acima de um contínuo eletromagnético formado de pequenos picos. De forma que essa estrutura de sinal característica das componentes dependem da distância radial ao eixo do chuveiro. Esse trabalho tem como objetivo contribuir para a identificação e discriminação das componentes muônicas e eletromagnética dos chuveiros, a partir de um desenvolvimento matemático sobre o método de análise ¿Muon Jump¿. O método de jumps é baseado nas estruturais temporais dos sinais das componentes registrados pelos tanques Cherenkov do Observatório Auger e digitalizados em unidades FADCs. Usando essa característica estrutura temporal dos sinais, poderemos estimar o sinal de cada componente, definindo filtros de separação nas distribuições temporais dos sinais das frentes dos chuveiros e nas distribuições das derivadas desses sinais. Partindo dos diferentes sinais depositados por múons e partículas eletromagnéticas nos tanques Cherenkov, fizemos um estudo de contaminação desse sinal muônico pela componente eletromagnética, de forma individual e em frentes de chuveiros atmosféricos. Com isso, definimos o conceito de um filtro a ser aplicado nas distribuições de sinais, que nos permitisse separar de forma eficiente os sinais produzidos pelas partículas / Abstract: The Pierre Auger Observatory was built to detect high-energy cosmic rays. Studies of the mass composition of the highest energy cosmic rays is a major focus of research developed by the Pierre Auger Observatory. The muon content of the extensive air showers produced from the interactions of these primary particles with the atmosphere, is one of the most sensitive parameters to the mass composition. At the ground level, the detected particles by the Surface Detector of the Auger Observatory consists of 1660 water-Cherenkov detectors, are essentially a mixture of photons, electrons and positrons, the electromagnetic component, and muons, the muonic component. The relative contribution of these components depends on the stage developmental stage and on the radial distance of the showers. Far enough from the shower axis at a given development stage, a shower initiated by a iron primary may induce up to 40% more muons than a proton primary under the same conditions. The time structure of the Cherenkov signal profile in the surface detectors of particles reaching ground is used to estimate the muonic contribution. The Cherenkov signals are digitized as FADCs traces, and show that muons induce peaks signal above a continuous electromagnetic formed of small peaks. So this characteristic structure of the muonic and eletromagnetic peaks depend on the radial distance from the shower axis. The goals of my work is to contribute to the identification and discrimination of the eletromagnetic and muonic components, from a mathematical model to apply filters in the signal distributions of the particles. This method is based on the Jump method. Using the detailed time structure of signs, we can estimate the sign of each component, defining a set of separation filters to make an efficient selection of the muonic signal. The different signals deposited by muons and electromagnetic particles in Cherenkov tanks, allowed us to study the electromagnetic contamination in individual muonic signals and in the showers fronts / Mestrado / Física / Mestra em Física

Submitted by Larissa Vitoria Cardoso Cusielo (larissavitoria@id.uff.br) on 2017-05-11T16:19:16Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Antonio Cezar Ramos - Dissertação Final.pdf: 4550651 bytes, checksum: 52ee77e5f3cb85c60a138229dfce60e4 (MD5) / Rejected by Biblioteca do Aterrado BAVR (bavr@ndc.uff.br), reason: oi on 2017-05-22T16:24:26Z (GMT) / Submitted by Larissa Vitoria Cardoso Cusielo (larissavitoria@id.uff.br) on 2017-05-22T17:09:37Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Antonio Cezar Ramos - Dissertação Final.pdf: 4550651 bytes, checksum: 52ee77e5f3cb85c60a138229dfce60e4 (MD5) / Approved for entry into archive by Biblioteca do Aterrado BAVR (bavr@ndc.uff.br) on 2017-08-21T16:03:21Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Antonio Cezar Ramos - Dissertação Final.pdf: 4550651 bytes, checksum: 52ee77e5f3cb85c60a138229dfce60e4 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-08-21T16:03:21Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Antonio Cezar Ramos - Dissertação Final.pdf: 4550651 bytes, checksum: 52ee77e5f3cb85c60a138229dfce60e4 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Universidade Federal Fluminense. Instituto de Ciências Exatas. Programa de Pós-Graduação em Ensino de Física. Volta Redonda,RJ / O uso de tecnologia da informação e da comunicação em sala de aula tornou-se uma realidade em poucas escolas desse país. Nossos alunos possuem em suas mãos aparelhos, como tablets e celulares, com alta tecnologia que são ferramentas essenciais para atraírmos os jovens na busca da melhoria do conhecimento. Fica evidente a insatisfação dos alunos que recebem aulas tradicionalistas, realizadas apenas pelo diálogo com o professor, usando, ainda hoje, quadro e giz. No estado do Rio de Janeiro os professores fazem o uso do computador e da internet para tornar suas avaliações mais interessantes, lançando notas em uma plataforma exigida pelo governo , mas em sala de aula encontramos alunos com pouco interesse, o que torna a escola uma instituição ultrapassada e desinteressante. Utilizar o computador de forma a tornar as aulas mais envolventes, interativas , criativas e inteligentes, usando uma metodologia já pensada anteriormente, com os recursos tecnológicos que nosso aluno domina, é o grande desafio de quem está comprometido com a educação. Com esse intuito criamos um roteiro visando o ensino de indução eletromagnética utilizando o simulador Phet, que trabalha desde as propriedades dos imãs até a produção de energia elétrica, um grande impulsionador de nossa economia. Nosso trabalho consiste num roteiro didático que orienta o professor na aplicação do simulador, mostrando o passo a passo de seu funcionamento; possui também um roteiro de atividades a serem realizadas pelos alunos, através da interação com o professor, que irá facilitar a compreensão de cada conteúdo abordado. Nosso produto está fundamentado segundo a teoria de aprendizagem significativa do americano David Auzubel. O produto foi aplicado em 2 ( duas ) turmas do 3o ano do ensino médio, sendo a intervenção didática realizada em 2 ( dois ) encontros de 100 minutos cada. Para execução da intervenção usamos um roteiro que os alunos deveriam responder antes e após a demonstração de cada simulação. Foi feito um questionário avaliativo sobre o uso do simulador. Os resultados nos indicaram que o uso da simulação é uma boa forma de se expor o conteúdo. Para concretizar o aprendizado foi feita uma visita a usina de Funil, pertencente a estatal Furnas, em Itatiaia/RJ. / The use of information and communication technology in the classroom has become a reality in a few schools that country. Our students have in their hands devices such as tablets and mobile phones at high tecnologiaque are essential tools for we attract young people in the pursuit of improving knowledge. It is evident dissatisfaction of students who receive traditionalist classes held only by the dialogue with the teacher using today, and chalk. In Rio de Janeiro teachers of the state make use of computers and the internet to make your most interesting reviews, releasing notes on a required government platform, but in the classroom we find students with little interest, which makes the school an institution outdated and uninteresting. Using the computer to make the most immersive, interactive, creative and intelligent classes, using a methodology as previously thought, with the technological resources that our student dominates, it is the great challenge of those who are committed to education. To that end we have created a road map aimed at electromagnetic induction teaching Phet using the simulator, working from the properties of magnets to the production of electrical power, a major driver of our economy. Our work is a didactic script that guides the teacher in implementing the simulator, showing step by step of its operation; has also an activity guide to be performed by the students, through interaction with the teacher, which will facilitate the understanding of each addressed content. Our product is based according to the meaningful learning theory of American David Auzubel. The product was applied in two (2) classes of the third year of high school, and the teaching intervention carried out in two (2) meetings of 100 minutes each. For intervention of execution used a script that students should respond before and after the demonstration of each simulation. An evaluation questionnaire on the use of the simulator was made. The results showed us that the use of simulation is a good way to expose the contents. To realize the learning was made a visit to funnel plant, owned by Furnas, in Itatiaia / RJ.

Um navio de guerra é considerado uma plataforma complexa no que tange o projeto de sistemas de comunicação RF, uma vez que diversos desempenhos devem ser considerados para sua adequada integração à mesma. Dentre eles está o controle da interferência de radiofrequência conhecida como co-site interference, causada primariamente pela alta potência radiada de alguns sistemas emissores em relativa proximidade física entre antenas à sistemas receptores de considerável sensibilidade. É o caso do sistema de comunicação civil satelital Inmarsat FB e do receptor GPS civil marítimo, os quais são encontrados em diversos navios mercantes e de guerra e têm frequências de operação próximas. Logo, esta dissertação foca na modelagem e estudo da interferência de radiofrequência entre um emissor Inmarsat FB civil em 1627 MHz (perturbador) e um sistema receptor GPS marítimo (vítima) em 1575 MHz, com suas respectivas antenas em proximidade física a bordo de um submarino; neste estudo, o classe Los Angeles original SSN-688. Adicionalmente, este estudo projeta mitigações para controlar e prevenir tal interferência. A metodologia proposta consiste na determinação do \"caminho da interferência\" por meio de simulação eletromagnética 3D da isolação eletromagnética entre as antenas perturbadora e perturbada em diferentes hipóteses de alocação nos mastros do SSN-688; caracterização dos efeitos da RFI causados pelo sinal interferente na recepção do sinal desejado, utilizando modelo de circuito cabeça de RF de um receptor típico GPS marítimo em avançado simulador de circuitos incluindo suas respectivas não linearidades; e na proposta, projeto, e fabricação de mitigações adequadas: neste estudo pré-filtros de micro-ondas em tecnologia planar de microfita. O desempenho dos pré-filtros fabricados é comparado com a simulação e com os requisitos de projeto, de maneira a adequadamente mitigar e controlar a interferência. / A war ship is considered a complex environment when it comes to the design of RF communication systems, since several performances must be considered for their integration into the platform. Among them is the control of co-site interference, mainly caused by high power transmitters co-located with sensitive receivers on an antenna to antenna limited space environment, such as on a submarine. It is the case of civilian Inmarsat FB satellite communication and maritime GPS systems, which are both typically encountered on several war and merchant ships and share close frequency bands. Therefore, this dissertation focuses on modelling and studying the RF interference between a civilian Inmarsat FB emitter on 1627 MHz (culprit) and a GPS maritime receiving system on 1575 MHz (victim) on close antennas proximity onboard a submarine: in this study the US Navy retired Los Angeles SSN-688 original class. Additionally, it proposes design of mitigations to attenuate and prevent such interference. The proposed methodology consists on determining the \"interference path\" by 3D EM simulation of the electromagnetic decoupling between culprit and victim\'s antennas on different antenna placement hypothesis onboard the SSN-688\'s masts; estimating the RFI effects on a typical GPS front end receiver circuit model on advanced circuit simulator including its non-linearities; and on proposing, designing and fabricating adequate mitigations: in this study microwave pre-filters based on planar microstrip technology. The performance of the pre-filters fabricated is compared with the simulation and with the requirements in order to attenuate and mitigate as much as possible the detected RFI.

Quando as atividades de um sistema mecatrônico são realizadas em ambientes com intenso campo elétrico e ou magnético, os dispositivos que irão executar as tarefas devem ser cuidadosamente projetados para que a presença de peças metálicas não se torne um risco. O campo elétrico pode gerar descargas elétricas e o campo magnético, exercer forças não previstas sobre peças metálicas. Assim o uso de alguns elementos, como motores elétricos, peças metálicas ou sensores eletrônicos se torna inviável. A motivação inicial para esse trabalho foi encontrar um atuador que possa ser construído sem o uso de elementos metálicos e com ele, construir um manipulador inerte a campos magnéticos e elétricos. Neste contexto, a transmissão de energia para os atuadores por meios hidráulicos ou pneumáticos se torna a opção mais indicada. Frequentemente, sistemas pneumáticos e hidráulicos apresentam atuadores com componentes metálicos, devido a resistência mecânica destes componentes. Em situações na qual os requisitos quanto a esforços são menores, elementos metálicos podem ser substituídos por materiais poliméricos de uso comum na Engenharia. Entre os atuadores hidráulicos e pneumáticos, um que já apresenta poucas partes metálicas é o músculo pneumático artificial (MPA). O MPA possui características tais como: baixo peso relacionado ao esforço gerado, escala de esforços similar a um cilindro pneumático de mesmo tamanho e construção simples. Assim, o MPA foi escolhido como atuador para o manipulador não-condutor desenvolvido neste trabalho. Adotando o MPA como elemento central, este trabalho tem por objetivo identificar as diretrizes para a aplicação do MPA na construção de um manipulador inerte a campos elétricos e magnéticos. Para isso, primeiramente foi desenvolvido um MPA livre de qualquer parte metálica. Visando sua aplicação, as características do músculo como: gama de esforços, tempo de resposta e histerese foram avaliadas através de testes. Algumas estratégias de controle do atuador foram testadas e comparadas, e com o atuador desenvolvido foi construído um manipulador inerte a campos magnéticos e elétricos. O manipulador construído tem como objetivo exercer movimentos distintos sobre a mão de um paciente, o mesmo deve acompanhar o paciente durante um exame de ressonância magnética. O atuador apresentou uma gama de esforços dentro do previsto, um tempo de resposta característico de atuadores pneumáticos e ao contrário do esperado, uma baixa histerese. Através de elementos mecânicos e com o uso de dois MPA, o manipulador foi capaz de exercer um trabalho sobre a mão de um voluntario fora do campo da RM, mostrando a viabilidade da aplicação. / When activities executed by a mechatronic system are performed in environments with strong magnetic and or electric field, the devices that will perform the tasks should be carefully designed so that the presence of metal parts does not become a risk. The electric field can generate electrical currents and the magnetic field may exert unexpected force in a metal part. Thus the use of some elements, such as electric motors, metallic parts or electronic sensors becomes unviable. The initial motivation for this work was to find an actuator that could be built without metallic elements and, using such actuator, build a manipulator inert to magnetic and electric fields. In this context, the use of hydraulic or pneumatic actuators becomes the most indicated option. Frequently, pneumatic and hydraulic systems have actuators with metal parts so as resist mechanical loads. In situations where the actuator is loaded by small loads, metal parts may be replaced by polymeric materials commonly used in Engineering. Among hydraulic and pneumatic actuators, one that already presents a few metal parts is the pneumatic artificial muscle (PAM). PAM has characteristics such as: low weight to effort ratio, simple construction as well as range of generated force and dimensions similar to a pneumatic cylinder. Thus, the PAM is chosen as the actuator for the non-conductive manipulator developed in this work. Adopting the PAM as a central element, this work aims identifying directives on using the PAM in the construction of a manipulator inert to electric and magnetic fields. For this, firstly it is developed a PAM free from any metal part. Next, the characteristics of the PAM such as range of efforts, response time and hysteresis curve are assessed through tests. Some strategies for the actuator control are tested and compared. Finally, using the developed actuator, a manipulator inert to magnetic and electric fields are constructed. The purpose of this manipulator is to induce motions to the fingers of a patient hand while the patient is examined in a MRI (magnetic resonance imaging) equipment. The actuator presented a range of efforts according to expectations, a response time compatible with pneumatic actuators and, contrary to expectations, low hysteresis.

Sistemas de levitação eletromagnética são de interesse quando se necessita de tecnologia envolvendo redução de atrito, atuação sem contato físico, máquinas rotativas e trens de alta velocidade. Devido à presença de não linearidades em sua dinâmica, pesquisadores têm dado atenção ao desenvolvimento de controladores mais sofisticados, com o objetivo de melhorar o desempenho desses sistemas. Controladores lineares apresentam limitações na faixa de operação da variável controlada e, geralmente apresentam baixa robustez quando aplicados em sistemas não lineares. O objetivo deste trabalho é desenvolver controladores não lineares com diferentes estruturas e analisá-los quando aplicados em um protótipo do sistema físico. Inicialmente, o sistema é modelado matematicamente através da abordagem fenomenológica. Em seguida, os parâmetros do modelo são identificados através de dados obtidos experimentalmente. Conhecendo bem a dinâmica do sistema através do modelo, são projetados três controladores de diferentes estruturas utilizando simulações computacionais. O primeiro é o PID clássico, controle linear amplamente utilizado em processos industriais. O segundo controlador é um PID com topologia não linear, denominado NPID. Este visa reduzir as limitações encontradas no PID linear, através de funções não lineares em seus termos. O último e mais complexo se trata do controle por modos deslizantes (SMC). Também com estrutura não linear, o SMC possui como característica intrínseca a robustez a variações da planta. Ao final, são realizadas simulações e os controladores avaliados são implementados de maneira digital em um hardware de controle e aplicados em uma planta piloto de levitação eletromagnética. Os resultados de desempenho obtidos permitem avaliar qual topologia de controlador melhor se enquadra diante dessa aplicação. / Electromagnetic levitation systems are of interest when it is necessary the use of technology involving reduction of friction, acting without physical contact, rotating machinery and high speed trains. Due to the nonlinear dynamics, researchers have paid attention to the development of more sophisticated controllers, in order to improve the performance of these systems. Linear controllers have limitations in the operating range of the controlled variable and generally have low robustness when applied to linear systems. The objective of this work is to develop nonlinear controllers with different structures and analyze them, when applied to a prototype of the physical system. Initially the system is modeled mathematically through the phenomenological approach. Then the model parameters are identified by experimentally obtained data. Knowing the dynamic of the system through the model, three different controllers are designed using computer simulations. The first is the classic PID, a linear control widely used in industrial processes. The second controller is a PID with nonlinear topology, called NPID. This controller is intended to reduce the limitations found in the linear PID through non linear functions on its terms. The last and most complex is the sliding mode control (SMC). Also a nonlinear structure, the SMC has the intrinsic characteristic of robustness to variations of the plant. In the end, the simulations are performed and the evaluated controllers are implemented in digital form in a hardware control and applied in a pilot plant of an electromagnetic levitation system. With the performance results it is possible to verify which controller topology best fits this application.

Nos últimos 20 anos, o inversor de frequência PWM passou a ser largamente utilizado. Dentre as razões principais de sua ampla difusão, cita-se a introdução do IGBT que, devido à sua capacidade de comutação rápida, possibilitou a redução de perdas, tamanho e custo dos conversores, ao mesmo tempo em que permitiu o uso do motor de indução em aplicações que demandam alto desempenho dinâmico. Porém, esta mesma característica que trouxe tais benefícios, contribuiu para acentuar os efeitos relacionados a fenômenos eletromagnéticos, devido à rápida transição que produz sinais em alta frequência, responsáveis por tornar os sistemas de acionamentos potenciais fontes de interferência eletromagnética. Os principais fenômenos desta natureza são a tensão de onda refletida, associada a ruídos de modo diferencial, e a corrente de modo comum. De maneira geral, a corrente de modo comum tem maior potencial de contribuição para a emissão radiada que a de modo diferencial e, em sistemas de acionamento, constitui a principal fonte de interferência eletromagnética. Esta não é resultado apenas da rápida comutação dos IGBTs, mas, também, da configuração do sistema, que propicia o surgimento das tensões de modo comum. Este trabalho visa estudar alternativas que minimizem, naturalmente, estas tensões através de sua configuração, reduzindo-se a necessidade de novos componentes, como filtros passivos ou circuitos ativos. Ressalta-se, assim, que o primeiro passo consistiu-se na compreensão do problema de geração da tensão de modo comum. Visando atingir os propósitos anteriormente mencionados, foi idealizado um inversor, composto de duas pontes chaveando em oposição, chamado de duplo-trifásico. A partir de simulações, avaliou-se seu potencial e definiu-se sua implementação, a partir de dois inversores idênticos. Testou-se o protótipo contra um terceiro módulo de mesmo tipo, em iguais condições. A comparação dos resultados indicou que a configuração proposta pode ser eficiente no controle do ruído de modo comum, obtendo-se valores de redução de 86%. Nota-se que o comportamento observado via o protótipo, permite um melhor entendimento dos fenômenos relativos à circulação da corrente de modo comum. Desta forma, à luz da pesquisa realizada, nota-se que, conceitualmente, a solução proposta se destaca das demais apresentadas na literatura pela sua exequibilidade e simplicidade. / Over the last 20 years, the PWM frequency inverter has become widely used. Among the main reasons for its widespread distribution is the introduction of the IGBT, due to its ability for fast switching allowing the reduction of losses, size and cost of the converters, and the use of the induction motor in applications that demand high dynamic performance. However, this same characteristic that brought such benefits, stressed the effects related to electromagnetic phenomena, due to the fast transition that produces high frequency signals, responsible for turning drive systems, potential sources of electromagnetic interference. The main phenomena of this nature are the reflected wave overvoltage, associated with differential mode noise, and the common mode current. In general, the common mode current has greater potential of contribution to the emission of radiated interference than the differential mode current and is the main source of electromagnetic interference in drive systems. The common mode current is not just the result of the fast transitions of IGBTs, but also of the system configuration, which produces common mode voltages. This work aims to study alternatives that minimize, naturally, those voltages through its configuration, reducing the need for additional components, such as passive filters or active circuits. It is pointed, that the first step consisted in the understanding of the problem of the common mode voltage generation. In order to address this objective, an inverter composed of two bridges, switching in opposition, called double-three-phase was designed. Its potential for noise mitigation, as well, its implementation, with two identical inverters was evaluated by simulations. The prototype was tested against a third module of the same type, under the same conditions. The comparison of the results indicated that the proposed configuration can be efficient in the common mode noise control, with 86% reduction. The behavior observed through the prototype allows a better understanding of the phenomena involving common mode current. Thus, in the light of the research, we note that, conceptually, the proposed solution stands out for its practicality and simplicity, from the others presented in the literature.

In the past few years, intensive research efforts have been devoted to studying new approaches to controlling the photon emission of quantum emitters (QEs), especially for telecommunication applications. These approaches rely on tailoring the QE\'s radiation, usually assessed via well-known figures-of-merit such as lifetime (τ) and quantum efficiency (η). Controlling the QE\'s photon emission is important because the faster its photons are emitted, the greater is the number of times it returns to the excited state per second. Therefore, it is crucial to create additional decay channels to reduce τ, which necessarily requires increasing the Purcell factor (P). One of the most promising approaches to increase P involves a new class of metamaterials, known as hyperbolic metamaterials (HMM). This class of materials exhibits pronounced anisotropy, with the parallel and perpendicular permittivity tensor elements (with respect to the anisotropy axis) presenting opposite signs, resulting in an open hyperboloidal isofrequency surface (IS). This unusual IS shape leads to the most outstanding feature of HMMs, namely, the existence of photonic modes with wavenumber (k) much larger than those in free-space (k0), known as high-k modes. By engineering these modes, it is possible to manipulate the HMM photonic density of states (PDoS), thus controlling the QE\'s radiation parameters. The simplest approach to designing HMM is by means of a planar stack of alternating thin metal and dielectric layers. However, the finite thickness of these layers induces spatial dispersion, making the extraction of effective parameters (homogenization) of these media a challenging task. In this context, we propose in this thesis a new constitutive parameter retrieval approach that takes spatial dispersion into account for all electromagnetic parameters of the medium. We demonstrate that the real part of the dispersion curve flattens out (correspondingly with a large imaginary part) because of the absence of propagating modes inside the metamaterial. This flat region is strongly dependent on the layer thicknesses and is a direct manifestation of spatial dispersion. Moreover, we demonstrate that the QE\'s lifetime calculation is overestimated if this effect is not taken into account in the homogenization procedure, which is detrimental for telecommunication applications. Moreover, we demonstrate how to enhance P by a factor greater than 100 with the use of HMMs. However, most of the QE dissipated power couples into the HMM as high-k modes (which do not propagate in free-space). Therefore, the energy is thermally dissipated inside the HMM with a consequent reduction of η . Some authors have resorted to nano-patterned HMMs (NPHM) to convert the high-k modes into free-space modes (k≤k0) aiming at increasing η. However, much of the NPHMs designs still rely on computationally costly three dimensional (3D) numerical simulations. Thus, we also propose in this thesis a new semi-analytical method to model, both in two- and three-dimensions (2D and 3D, respectively), the radiation emission of QEs interacting with nano-patterned structures. The low computational cost of this method makes it attractive for mapping P and η as function of the QE and NPHM relative position. This mapping is a helpful tool to understand the decay behavior of the whole system since QEs are arbitrarily distributed and oriented inside the NPHM. The analytically calculated decay curve allows the systems effective quantum efficiency (ηeff) and Purcell factor (Peff) to be directly obtained assuming multiple arbitrarily distributed electromagnetic sources. In this sense, we propose here a new procedure to optimize the NPHM geometrical parameters to maximize ηeff while achieving the desired Peff. We apply the proposed model to an NPHM composed of nine Ag/SiO2 layers, with the polymer host layer embedded with Rhodamine 6G, to maximize ηeff for a specified tenfold increase of Peff. This procedure allowed ηeff to be increased by 69% and 170% for one- and two-dimensional nano-patterning, respectively. Moreover, the time required to build the P and η maps (used in the calculation of the decay behavior) is reduced by approximately 96% when compared to those numerically calculated via FDTD. This procedure paves the way to the realization of new high-speed and efficient light sources for telecommunication applications. / Nos últimos anos, intensivo esforço tem sido devotado para o estudo de novas método para o controla da missão de fótons de emissores quânticos (EQs), especialmente para aplicações em telecomunicações. Estes métodos dependem da adaptação da radiação dos EQs, geralmente avaliadas por meio das bem conhecidas figuras de mérito, como o tempo de meia vida (τ) e a eficiência quântica (η). O controle da emissão de fótons é importante pois quanto mais rápido os fótons são emitidos, maior é o número de vezes que o EQ retorna ao seu estado excitado por segundo. Portanto, é crucial criar canais de decaimento adicionais para reduzir τ, o que necessariamente requer o aumento do fator de Purcell (P). Uma das abordagens mais promissoras para aumentar P envolve uma nova classe de metamateriais, conhecida como metamateriais hiperbólicos (MHs). Esta classe de materiais apresenta pronunciada anisotropia, onde os elementos paralelo e perpendicular do tensor de permissividade (em relação ao eixo de anisotropia) apresentam sinais opostos, resultando em uma superfície de isofrequência (SI) hiperboloidal aberta (IS). Essa forma incomum de SI leva à característica mais marcante dos MHs, a existência de modos fotônicos com número de onda (k) muito maior do que aqueles no espaço livre (k0), conhecidos como modos alto-k. Ao manipular esses modos, é possível manipular a densidade de estados fotônicos (DES) dos MHs, controlando assim os parâmetros de radiação do QE. A abordagem mais simples para a criação de MHs é por meio de uma pilha plana de camadas metálicas e dielétricas alternadas. Entretanto, a espessura finita dessas camadas induz a dispersão espacial, tornando a extração de parâmetros efetivos (homogeneização) destes meios uma tarefa desafiadora. Neste contexto, propomos nesta tese uma nova abordagem de recuperação de parâmetros constitutivos a dispersão espacial de todos os parâmetros eletromagnéticos do meio é levada em consideração. Nós demonstramos que a parte real da curva de dispersão se aplaina (correspondentemente com uma grande parte imaginária) devido à ausência de modos propagantes dentro do metamaterial. Esta região plana é fortemente dependente das espessuras das camadas e é uma manifestação direta da dispersão espacial Além disso, nós mostramos que se a dispersão espacial não for corretamente considerada no processo de homogeneização, o tempo de meia vida do EQ pode ser superestimado, o que é prejudicial para aplicações de telecomunicações. Além disso, demonstramos como melhorar P por um fator maior que 100 com o uso de MHs. a maior parte da potência dissipada pelos EQs são acopladas nos MHs como modos de alto-k (que não se propagam no espaço livre). Portanto, a energia é dissipada termicamente no interior do MH, resultando em uma redução de η. Alguns autores recorreram a MHs nano-estruturados (MHNE) para converter os modos alto-k em modos de espaço livre (k≤k0) visando o aumento de η. No entanto, muitos dos projetos do NPHM ainda dependem de simulações numéricas tridimensionais (3D) computacionalmente dispendiosas. Assim, também propomos nesta tese um novo método semi-analítico para modelar, tanto em duas como em três dimensões (2D e 3D, respectivamente), a emissão de radiação de EQs interagindo com estruturas nano-estruturadas. O baixo custo computacional deste método faz com que seja atrativo para o mapeamento de P e η em função da posição relativa do EQ e do MHNE. Esse mapeamento é uma ferramenta útil para entender o comportamento de decaimento de todo o sistema, já que os EQs são arbitrariamente distribuídos e orientados dentro do MHNE. A curva de decaimento calculada analiticamente permite que a eficiência quântica efetiva do sistema (ηeff) e o fator de Purcell (Peff) sejam obtidos diretamente, assumindo múltiplas fontes eletromagnéticas arbitrariamente distribuídas. Neste sentido, propomos aqui um novo procedimento para otimizar os parâmetros geométricos do MHNE visando a maximização de ηeff enquanto Peff é aumentado à um valor desejado. Aplicamos o modelo proposto a um MHNE composto por nove camadas de Ag/SiO2, com a camada de polímero embutida com Rodamina 6G, visando maximizar ηeff para um aumento de dez vezes de Peff. Este procedimento permitiu que o ηeff fosse incrementado em 69% e 170% para nano-estruturas uni e bidimensionais, respectivamente. Além disso, o tempo necessário para construir os mapas P e η (utilizados no cálculo da curva de decaimento) é reduzido em aproximadamente 96% quando comparado com os calculados numericamente via FDTD. Este procedimento abre caminho para o desenvolvimento de novas fontes de luz de alta velocidade e eficiência para aplicações de telecomunicações.

In recent years a new class of materials, the metamaterials, has emerged in the scientific community. The use of these materials makes possible to achieve unique electromagnetic properties, such as the negative refractive index. Today there exist several applications that take advantage of these special properties, such as sensors, antennas and invisibility cloaks, aiming at improving their intrinsic characteristics. Based on these considerations, this project aims at developing metamaterials structures to control the radiation properties of antennas in the microwave range, such as gain and directivity. More specifically, it was also chosen chiral metamaterials, mainly due to the phenomenon of electromagnetic field rotation which opens the possibility to control efficiently the radiation properties of antennas. In addition, chiral metamaterials, which have proved to be a more attractive alternative to obtain negative or zero refractive index, enable a greater degree of freedom in the design of different structures. This work encompasses all different phases of the structure design, namely: project, computational modeling, fabrication, and characterization of the proposed structures. We show improvements for the gain that in some cases reaches more than the double of the conventional monopole antenna gain and for the return loss parameter, which reaches minimum values. We also could maintain good efficiency and improve the input impedance matching. Finally, it is worth mentioning that this new technology also has the great potential to be applied in the telecommunication devices, particularly to improve communications based on antennas. / Nos últimos anos uma nova classe de materiais, os metamateriais, emergiu na comunidade científica. O uso desses materiais torna possível alcançar propriedades eletromagnéticas singulares, como o índice de refração negativo. Hoje existem vastas aplicações que usufruem destas propriedades especiais, como os sensores, mantas de invisibilidade e antenas, onde se procura o aperfeiçoamento de suas características intrínsecas. Com base nestas considerações, este projeto buscou desenvolver estruturas metamateriais para controle das propriedades de radiação de antenas na faixa de micro-ondas, tais como diretividade e ganho. Mais especificamente, foram utilizados os metamateriais quirais, principalmente devido ao fenômeno de rotação do campo eletromagnético que abre a possibilidade de controle mais eficiente das propriedades de radiação de antenas. Além disso, os metamateriais quirais, por se mostrarem uma alternativa mais atraente para se obter meios com índice de refração zero ou negativo, possibilitam um maior grau de liberdade no projeto de diferentes estruturas. Este trabalho contempla, ainda, todas as etapas de projeto de tais estruturas, quais sejam: projeto, modelagem computacional, fabricação, e caracterização das estruturas. Mostramos melhorias para o ganho que, em alguns casos, chega a mais do que o dobro do ganho da antena monopolo convencional e para o parâmetro de perda de retorno, que atinge valores mínimos. Nós também mantivemos uma boa eficiência e melhoramos o casamento de impedância de entrada. Finalmente, vale salientar que essa nova tecnologia também apresenta grande potencial de ser aplicada em dispositivos de telecomunicações, com o intuito de aprimorar a comunicação baseada em antenas.

Neste trabalho faz-se a descrição de um Sistema de Radar com os seus sinais e processadores. Conceituam-se as Contramedidas Eletrônicas (CME) e as Medidas de Proteção Eletrônica (MPE). Nas CME enfatizam-se o jamming e o chaff. Descreve-se um modelo estatístico para os elementos que compõem a nuvem de chaff e estima-se o espectro do seu sinal eco. Avalia-se o desempenho do MTI (Moving Target Indicator), utilizado como MPE contra o chaff. Utilizando simulação, analisa-se o desempenho de uma estrutura de processamento composta por um Compressor de Pulsos, um MTI e um Integrador Recursivo. Propõe-se o WMTI (Wavelet Moving Target Indicator Filter) como um processador alternativo ao MTI. Propõe-se ainda um integrador de pulso baseado na Potência Wavelet Cruzada. A simulação dos sinais e do processamento foi realizada, principalmente, com o Aplicativo IDL (Interactive Data Language), Versão 6.0.

Este estudo envolve o processamento de materiais absorvedores de radiação eletromagnética, denominados de MARE, pelo uso da poli(o-metoxianilina) (POMA) e de seus compósitos com negro de fumo (NF) e nanotubos de carbono (NTCs). A partir da POMA e de seus compósitos com NF e NTCs foram preparadas diferentes formulações em resina epóxi. Esses materiais foram caracterizados por espectroscopia na região do infravermelho com transformada de Fourier, análises térmicas por calorimetria exploratória diferencial e termogravimetria, medidas de condutividade elétrica em quatro pontas, análises morfológicas por microscopia eletrônica de varredura e medidas dos parâmetros complexos da permissividade elétrica e da permeabilidade magnética e de refletividade na banda X (8,2-12,4 GHz). A partir dos parâmetros complexos experimentais das formulações preparadas foram realizadas inúmeras simulações computacionais pelo uso de dois algoritmos validados experimentalmente. Os resultados das simulações permitiram predizer os comportamentos de atenuação de micro-ondas dos absorvedores preparados na banda X e em faixas mais largas de frequências (8,2-25 GHz), nas espessuras de 2, 5 e 9 mm. Os resultados de refletividade mostram uma gama variada de valores de atenuação e de frequências de máximo de atenuação pelo uso das diferentes formulações propostas neste trabalho. Valores superiores a 99% de atenuação, em torno de 22 GHz, foram obtidos para várias formulações de POMA/NF estudadas. As amostras preparadas com NTCs, de maneira não esperada, apresentaram desempenhos inferiores aos observados para as amostras formuladas com NF. Esse comportamento é atribuído pela provável aglomeração dos NTCs durante a preparação dos compósitos com POMA. A correlação dos dados obtidos mostra a diversidade de tipos de MARE que podem ser processados com as formulações estudadas neste trabalho e, também, evidencia a complexidade envolvida no processamento de MARE, onde diferentes parâmetros afetam o comportamento final do absorvedor processado.