Thesis (M.S.)--University of Alabama at Birmingham, 2009. / Description based on contents viewed June 2, 2009; title from PDF t.p. Includes bibliographical references (p. 48-49).

Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) based studies are rapidly expanding in the field of preclinical research. The majority of these studies use Echo Planar Imaging (EPI) to measure Blood Oxygenation Level Dependent (BOLD) signal contrasts in the brain. In such studies the magnitude and statistical significances of these contrasts are then related to brain function and cognition. It is assumed that any observed signal contrast is ultimately due to differences in biological state and that scanner performance is stable and repeatable between subjects and studies. However, due to confounding issues introduced by in vivo subjects, little work has been undertaken to test this basic assumption. As the BOLD signal contrasts generated in such experiments are often very low, even small changes in scanner performance may dominate the BOLD contrast, distorting any biological conclusions drawn. A series of fMRI phantoms were produced to measure scanner performance independent of biological subjects. These phantoms produce specified signal contrast levels on demand during an fMRI scan by means of current-induced magnetic field gradients. These were used to generate data sets that emulated the BOLD signal contrast of in vivo imaging. Two studies examining scanner performance were then conducted on high-field preclinical MRI scanners. Firstly, in a longitudinal study on a single scanner, measurements were taken over a number of days across a week long period and then every two months over a year long period. Secondly, the behaviour of four preclinical scanners (three at 7T, one at 9.4T) was comparatively assessed. Measurements of several imaging parameters including contrast generated and functional contrast to noise ratio (fCNR) were obtained in both studies. If the scanners involved are truly comparable then they should generate similar measurement values. Across both studies parameter measurements showed significant differences for identical contrast settings on the phantom. Although signal contrast itself proved very comparable across the studies fCNR proved to be highly variable. As well as these measurements of longer tem behaviour proving variable, short and mid-term signal stability displayed a wide range of variability. Variations in the level and quality of both signal and noise were observed. Modelling of signal changes based on fundamental physical principles was also performed for comparison. The impact of these behaviours and variations on in vivo studies could result in skewed biological conclusions at any single site, with some sites exhibiting greater problems than others. The multisite results suggest potential difficulties when comparing biological conclusions between sites, even when using identical imaging parameters. In summary, these results suggest that a cautious approach should be taken with the conclusions of both fMRI and associated resting state connectivity studies that use EPI as their acquisition sequence. Improvements to both the experimental design of studies and regular quality monitoring of scanners should be undertaken to minimise these effects. Clinical MRI scanners should also be assessed for similar aberrations in behaviour.

Nesta tese desenvolveram-se projetos e modelos de indutores planares para circuitos integrados de radiofrequência nas arquiteturas espiral e cross para as tecnologias CMOS AMS 0,35 ?m e IBM 0,13 ?m, visando representar o desempenho destes na faixa de frequências de corrente contínua até 90% da frequência de ressonância. A modelagem empregada utiliza um circuito elétrico equivalente com nove elementos para representar indutores, para o qual é apresentado um processo para extração dos valores dos seus componentes a partir de dados simulados ou medidos. Foi apresentada uma versão estendida da arquitetura cross original, mais flexível e tratável por algoritmos, com uma indutância 25% maior que a arquitetura espiral de mesma área. Utilizou-se planejamento de experimentos para elaborar conjuntos de amostras de indutores com dimensões geométricas variadas nas arquiteturas e tecnologias estudadas, para os quais desenvolveu-se um conjunto de algoritmos específicos para o projeto dos indutores a partir de suas dimensões. A simulação eletromagnética do layout de cada amostra gerou os resultados empregados no desenvolvimento do processo de extração dos valores dos componentes do circuito equivalente, os quais foram relacionados às dimensões geométricas dos indutores através de equações de projeto elaboradas por meio de análise de regressão multivariada e modelos lineares generalizados. Tanto o processo de extração dos valores dos componentes, como as equações de projeto foram validados estatisticamente pela comparação dos resultados das simulações dos respectivos circuitos equivalentes com os resultados das simulações eletromagnéticas dos layouts dos indutores em cada arquitetura e tecnologia, demonstrando a correspondência entre estes. Discrepâncias observadas em alta frequência entre os resultados de simulação eletromagnética dos indutores e seus respectivos circuitos equivalentes são associados a limitações do modelo de circuito usado, que não considera os fenômenos de correntes de Foucault (correntes de turbilhonamento) e efeito pelicular. O processo de modelagem desenvolvido, devido a sua generalidade, pode ser aplicado ao desenvolvimento de outros modelos de circuito elétrico para indutores, ou mesmo para modelagem de outros componentes passivos para circuitos integrados, como capacitores, resistores e transformadores. / In this thesis were developed designs and models for planar inductors for radiofrequency integrated circuits in the spiral and cross architectures for AMS 0.35 ?m and IBM 0.13 ?m CMOS technologies, aiming to represent the inductors performance in the frequency range of direct current up to 90% of resonant frequency. The employed modeling used an equivalent circuit for inductors with nine elements, for which a process for extracting the values of its components from simulated or measured data is presented. An extended version of the original cross architecture was presented, more flexible and treatable by algorithms, with an inductance 25% larger than the spiral architecture of the same area. Design of experiments was used to elaborate sets of inductor samples with different geometric dimensions in the studied architectures and technologies. Algorithms were developed to design the layout of each inductor considering its architecture and specific dimensions. The layout electromagnetic simulation of each sample generated the results used in the process developed for extracting the values of the components of the equivalent circuit model, which were related to the geometric dimensions of the inductors through design equations elaborated by multivariate regression analysis and generalized linear models. Both the component extraction process and the design equations were statistically validated by comparing the simulation results of the respective equivalent circuit models with the results of the electromagnetic simulations of the inductor layouts in each architecture and technology, demonstrating matching between them. Observed discrepancies at high frequency between the electromagnetic simulation results for the inductors and their respective equivalent circuits are associated with limitations of the circuit model used, which does not consider eddy currents and skin effect phenomena. The modeling process developed, due to its generality, can be applied to the development of other electric circuit models for inductors, or even to model other passive components for integrated circuits, such as capacitors, resistors and transformers.

Neste trabalho é apresentado o projeto de uma antena planar de formato de F-invertido (PIFA) com ranhura-T para aplicação nos sistemas de comunicações sem fio GSM/UMTS/WCDMA. As larguras de banda da antena são aumentadas em função do aproveitamento dos modos ressonantes implícitos no plano de terra. Uma análise paramétrica é feita visando a obtenção de desempenho equilibrado na antena. As diversas simulações do desempenho da antena são realizadas com o software SEMCAD, que utiliza o método das diferenças finitas no domínio do tempo (FDTD). No trabalho é avaliada a diferença de desempenho da antena com e sem a presença do aparelho celular e também próximo à cabeça do usuário. Deste modo, é observada uma influência negativa sobre o desempenho da antena causada pela presença da cabeça do usuário. Adicionalmente, boa concordância é observada entre os dados do modelo simulado e os resultados medidos do protótipo. / This work presents the design and implementation of a planar inverted F-type antenna (PIFA) slot-T for wireless mobile communications GSM/UMTS/WCDMA. The excitation of the ground plane modes is used to increase the antenna bandwidth. A parametric analysis is done to obtain a balanced performance of the antenna. The several antenna performance simulations are performed with the SEMCAD software, which use the finite difference time domain (FDTD) method. In addition the differences in performance of the antenna are evaluated with and without the presence of the cell phone housing and the user's head, thus, negative influence on the antenna performance caused by the presence of the user's head is observed. Finally a prototype is implemented to get an idea of the real behavior of the proposed antenna. Good agreement is observed between data of the simulated model and measured results of the prototype.

Orientador: Prof. Dr. Carlos Eduardo Capovilla / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, 2016. / A tecnologia metamaterial vem sendo estudada cientificamente e suas propriedades prometem efeitos inovadores em suas aplicações. A possibilidade de manipular o comportamento eletromagnetico em um dispositivo cercado por metamateriais abre portas para a criação e otimização de novos dispositivos. Qualquer sistema que envolva dispositivos de microondas, optica e antenas, está na grade dos beneficiados por essa tecnologia. As principais caracteristicas dos metamateriais são a refração negativa e as caracteristicas intrinsecas do material com valores negativos. Assumindo esse cen'ario, nesse trabalho ser'a projetada uma célula metamaterial inspirada no conceito de lente de Lenz, que permite uma amplificação do fluxo de energia magnética na região central da estrutura. Essa célula será reconfigurada para sua implementação na estrutura de antenas planares, operando na faixa de 2,4 GHz. Tr¿es modelos de antenas são utilizadas nesse estudo, uma quasi-Yagi , uma PIFA e completando a teoria um arranjo com três PIFAs. A disposição das celulas é feita de forma periódica e estrão, assim como diagramas de radiação extraidos das simulações e testes experimentais. As conclusões são obtidas com referência nesses resultados e por meio de comparações das configurações das antenas com e sem as celulas metamateriaias em sua estrutura. / The metamaterial technology has been studied scientifically and its properties promise innovative effects in their applications. The possibility of manipulating the electromagnetic behavior on a device surrounded by metamaterials opens doors for the creation and optimization of new devices. Any system that involves microwave devices, optics and antennas is on the grid of those benefited by this technology. The main characteristics of the metamaterials are the negative refraction and the intrinsic characteristics of the material with negative values. Assuming this scenario, in this work will be projected a metamaterial cell inspired by the concept of Lenz lens, which allows an amplification of the magnetic flux in the central region of the structure. This cell will be reconfigured for its implementation in the planar antenna structure, operating in the 2.4 GHz range. Three antennas are used in this study, a quasi-Yagi, a PIFA and completing the theory a PIFA array with three elements. The arrangement of the cells is made periodically and strategically in the antenna structure, aiming for improvements in its performance. The characterization of these antennas is carried out by means of reflection and transmission parameters, as well as radiation diagrams extracted from the simulations and experimental tests. The conclusions are achieved with reference in these results and through comparisons of the antenna configurations with and without the metamaterial cells in their structure.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:26:15Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2011-02-22Bitstream added on 2014-06-13T19:54:22Z : No. of bitstreams: 1 moraes_jr_me_sjrp.pdf: 1163228 bytes, checksum: 853fa9bee4a6a3c25b24de14990f3221 (MD5) / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Consideramos dois casos principais de bifurcação de órbitas periódicas não hiperbólicas que dão origem a ciclos limite. Nosso estudo é feito para sistemas lineares por partes com três zonas em sua fórmula mais geral, que inclui situações sem simetria. Obtemos estimativas tanto para a amplitude como para o período do ciclo limite e apresentamos uma aplicação de interesse em engenharia: sistemas de controle. / We consider two main cases of bifurcation of non hyperbolic periodic orbits that give rise to limit cycles. Our study is done concerning piecewise linear systems with three zones in the more general formula that includes situations without symmetry. We obtain estimates for both the amplitude and the period of limit cycles and we present a applications of interest in engineering: control systems.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:26:15Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2012-02-28Bitstream added on 2014-06-13T19:06:23Z : No. of bitstreams: 1 morettijunior_a_me_sjrp.pdf: 762570 bytes, checksum: 59d4b94fad96e41726548c623175fe4e (MD5) / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Neste trabalho temos como objetivo estudar o número e a distribuição de ciclos limites em sistemas diferenciais lineares por partes. Em particular estudamos o número de ciclos limites do sistema diferencial linear por partes planar ˙x = −y − ε φ ( x) , ˙y = x, onde ε 6= 0 é um parâmetro pequeno e φ é uma função periódica linear por partes ímpar de período 4 . Provamos que dado um inteiro arbitário positivo n, o sistema acima possui exatamente n ciclos limites na faixa |x| ≤ 2 (n + 1 ). Consequentemente, existem sistemas diferenciais lineares por partes contendo uma infinidade de ciclos limites no plano real. Inicialmente obtemos uma quota inferior par a o número destes ciclos limites na faixa | x| ≤ 2 (n + 1 ) via Teoria do Averaging . Em seguida , utilizando a Teoria de Campos de Vetores Rodados, verificamos que o sistema acima tem exatamente n ciclos limites na faixa | x| ≤ 2 (n + 1 ) / The main goal of this work aim to study the number and distribution of limit cycles in piecewise linear differential systems. In particular we consider the planar piecewise linear differential system ˙x = −y − ε φ ( x) , ˙y = x, where ε 6= 0 is a small parameter and φ is an odd piecewise linear periodic function of period 4 . We prove that given an arbitrary positive integer n, the system above has exactly n limit cycles in the strip | x| ≤ 2 (n + 1 ) . Consequently, there are piecewise differential systems containing an infinite number of limit cycles in the real plane. First we get a lower bound on the number of limit cycles in the strip |x| ≤ 2 (n + 1 ) via Averaging Theory. In the following , using the Theory of Rotated Vector Fields, we see that above system has exactly n limit cycles in the strip | x| ≤ 2 (n + 1 )

Modern high frequency electronic devices are continually becoming smaller in area but capable of generating higher RF power, thereby increasing the dissipated power density. For many microwave devices, for example the planar Gunn diode, standard thermal management may no longer be sufficient to effectively remove the increasing dissipated power. The work has looked at the design and development of an active micro-cooler, which could be fully integrated with the planar Gunn diode at wafer level as a monolithic microwave integrated circuit (MMIC). The work also resulted in the further development of novel thermal measurement techniques, using micro-particle sensors with infra-red (IR) thermal microscopy and for the first time to measure thermal profiles along the channel of the planar Gunn diode. To integrate the gallium arsenide (GaAs) based planar Gunn diode and micro-cooler, it was first necessary to design and fabricate individual GaAs based planar Gunn diodes and micro-coolers for thermal and electrical characterisation. To obtain very small area micro-coolers, superlattice structures were investigated to improve the ratio between the electrical and thermal conductivities of the micro-cooler. To measure the specific contact resistivity of the superlattice based micro-cooler contacts, the Reeves & Harrison TLM (transmission line method) was used as it included both horizontal and vertical components of the contact resistance. It was found, for the GaAs based micro-cooler, only small amounts of cooling (< 0.4 °C) could be obtained, therefore the novel temperature measurement method using micro-particle sensors placed on both the anode and cathode contacts was utilised. The bias probes used to supply DC power to the micro-coolers were found to thermally load these very small structures, which led to anomalously high measured cooling temperatures of > 1°C. A novel approach of determining if the measured cooling temperature was due to cooling or probe loading was developed. A 1D model for the integrated micro-cooler was developed and the results indicated that when the micro-cooler was used as a cooling element in a monolithic microwave integrated circuit, the supporting substrate thickness was very important. Simulation showed to obtain cooling the substrate thickness had to be very thin (< 50 μm), which may preclude the use of GaAs micro-coolers as part of a monolithic microwave integrated circuit.

Neste trabalho é apresentado o projeto de uma antena planar de formato de F-invertido (PIFA) com ranhura-T para aplicação nos sistemas de comunicações sem fio GSM/UMTS/WCDMA. As larguras de banda da antena são aumentadas em função do aproveitamento dos modos ressonantes implícitos no plano de terra. Uma análise paramétrica é feita visando a obtenção de desempenho equilibrado na antena. As diversas simulações do desempenho da antena são realizadas com o software SEMCAD, que utiliza o método das diferenças finitas no domínio do tempo (FDTD). No trabalho é avaliada a diferença de desempenho da antena com e sem a presença do aparelho celular e também próximo à cabeça do usuário. Deste modo, é observada uma influência negativa sobre o desempenho da antena causada pela presença da cabeça do usuário. Adicionalmente, boa concordância é observada entre os dados do modelo simulado e os resultados medidos do protótipo. / This work presents the design and implementation of a planar inverted F-type antenna (PIFA) slot-T for wireless mobile communications GSM/UMTS/WCDMA. The excitation of the ground plane modes is used to increase the antenna bandwidth. A parametric analysis is done to obtain a balanced performance of the antenna. The several antenna performance simulations are performed with the SEMCAD software, which use the finite difference time domain (FDTD) method. In addition the differences in performance of the antenna are evaluated with and without the presence of the cell phone housing and the user's head, thus, negative influence on the antenna performance caused by the presence of the user's head is observed. Finally a prototype is implemented to get an idea of the real behavior of the proposed antenna. Good agreement is observed between data of the simulated model and measured results of the prototype.

Nesse trabalho, propomos uma modificação da técnica de caracterização de filmes conhecida por m-line para o desenvolvimento de um refratômetro para gases e líquidos. O principio dessa técnica consiste no acoplamento de ondas evanescentes em guias de ondas planares obtidos via o fenômeno da reflexão total interna frustrada através de dispositivos acopladores. Observa-se experimentalmente, após incidir um feixe de laser contínuo na base do acoplador óptico, uma grande atenuação da radiação refletida para determinados ângulos de incidência, que é justamente a radiação acoplada nos modos permitidos pelo guia de onda. Medindo-se os valores desses ângulos e usando a teoria de acoplamento, é possível determinar as características desconhecidas do sistema. Esse sistema consiste de um acoplador óptico semicircular de alto índice de refração em cuja base foram depositados, via evaporação, um filme de dióxido de silício (SiO2) e outro de dióxido de zircônio (ZrO2). Ou seja, o sistema resume-se a dois meios finitos (filmes) prensados entre dois meios semi-infinitos (prisma e amostra). Como a espessura dos filmes e os índices de refração complexos dos filmes e do prisma são conhecidos, a única variável é o índice de refração do quarto meio, que é a amostra da qual se deseja medir o índice de refração. Estudamos a influência que cada um dos parâmetros externos exerce sobre o perfil refletido, tais como comprimento de onda e polarização da radiação incidente, espessuras e índices de refração dos filmes e o formato dos dispositivos acopladores. Descrevemos o comportamento do sistema quando o feixe incidente possui perfil gaussiano, que é perfil dos lasers usualmente usados em pesquisa. As espessuras das camadas de SiO2 e de ZrO2 foram otimizadas tendo em vista a faixa dos valores do índice de refração das amostras que se deseja medir. A otimização do sistema é obtida via teoria de guiamento de radiação em guias de ondas planares para o caso de quatro meios. Para a aquisição e tratamento dos dados desenvolvemos um programa na plataforma LabVIEW&reg; que processa a imagem detectada por uma câmera CCD no visível, possibilitando o acompanhamento da variação do feixe refletido em função da variação do índice de refração da amostra. Assim, além de determinar ponto a ponto a variação do perfil refletido, é possível determinar a dinâmica em que esse efeito se realiza, gerando possibilidades de aplicação da técnica em áreas relacionadas à dinâmica química e bioquímica. Para confirmação da efetividade da técnica, realizamos medidas da variação do índice de refração do ar em função da umidade relativa, temperatura, pressão e para soluções de glicose. O sistema demonstrou sensitividade suficiente para acompanhar mudanças do índice de refração do ar da ordem de 10-6. / In this work, we propose a modification of the technique for characterization of films known as the m-line for the development of a refractometer for liquids and gases. The principle of this technique is coupling evanescent waves in planar waveguides obtained by the phenomenon of frustrated total internal reflection devices through devices couplers. It is experimentally observed, after focusing a continuous laser beam at the base of the coupler, a large attenuation of the reflected radiation for certain angles of incidence, which is precisely the radiation coupled in the modes allowed by the waveguide. Measuring the values of these angles and using the coupling theory, it is possible to determine the unknown characteristics of the system. This system consists of a semicircular optocoupler high refractive index which in the base was deposited, via evaporation, a film of silicon dioxide (SiO2) and a zirconium dioxide (ZrO2). In other words, the system is similar to a two finite media (films) pressed between two semi-infinite media (prism and sample). As the film thickness and complex refractive indices of the film and the prism are known, the only variable is the index of refraction of the fourth medium that is the sample from which it is aimed to measure the refractive index. We studied the influence that each of the external parameters has on the reflected profile, such as wavelength and polarization of the incident radiation, thicknesses and refractive indices of the films and the format of the devices couplers. We describe the system behavior when the incident beam has a Gaussian profile, which is usually the profile of the lasers usually used in researches. The thicknesses of the layers of SiO2 and ZrO2 were optimized in function of the range of the refractive index values of the samples to be measured. System optimization is obtained via the guiding theory of radiation in planar waveguides for the case of four mediums. For acquisition and data processing, a program were developed in LabVIEW&reg; platform that processes the image detected by a CCD camera in visible light, allowing us to relate the variation of the reflected beam to the value of the refractive index of the sample. Thus, besides determining the variation of the profile reflected, it is possible to determine the dynamic in which this effect takes place, generating opportunities for application of the technique in areas related to the dynamic chemistry and biochemistry. To confirm the effectiveness of the technique, we performed measurements of the variation of the refractive index of air as a function of relative humidity, temperature, pressure and glucose solutions. The system shows sufficient sensitivity to follow changes in the refractive index of air in the order of 10-6.