X-parameters based analytical design of non-linear microwave circuits Application to oscillator design

Resumen El diseño clásico de circuitos de microondas se basa fundamentalmente en el uso de los parámetros s, debido a su capacidad para caracterizar de forma exitosa el comportamiento de cualquier circuito lineal. La relación existente entre los parámetros s con los sistemas de medida actuales y con las herramientas de simulación lineal han facilitado su éxito y su uso extensivo tanto en el diseño como en la caracterización de circuitos y subsistemas de microondas. Sin embargo, a pesar de la gran aceptación de los parámetros s en la comunidad de microondas, el principal inconveniente de esta formulación reside en su limitación para predecir el comportamiento de sistemas no lineales reales. En la actualidad, uno de los principales retos de los diseñadores de microondas es el desarrollo de un contexto análogo que permita integrar tanto el modelado no lineal, como los sistemas de medidas de gran señal y los entornos de simulación no lineal, con el objetivo de extender las capacidades de los parámetros s a regímenes de operación en gran señal y por tanto, obtener una infraestructura que permita tanto la caracterización como el diseño de circuitos no lineales de forma fiable y eficiente. De acuerdo a esta filosofía, en los últimos años se han desarrollado diferentes propuestas como los parámetros X, de Agilent Technologies, o el modelo de Cardiff que tratan de proporcionar esta plataforma común en el ámbito de gran señal. Dentro de este contexto, uno de los objetivos de la presente Tesis es el análisis de la viabilidad del uso de los parámetros X en el diseño y simulación de osciladores para transceptores de microondas. Otro aspecto relevante en el análisis y diseño de circuitos lineales de microondas es la disposición de métodos analíticos sencillos, basados en los parámetros s del transistor, que permitan la obtención directa y rápida de las impedancias de carga y fuente necesarias para cumplir las especificaciones de diseño requeridas en cuanto a ganancia, potencia de salida, eficiencia o adaptación de entrada y salida, así como la determinación analítica de parámetros de diseño clave como el factor de estabilidad o los contornos de ganancia de potencia. Por lo tanto, el desarrollo de una formulación de diseño analítico, basada en los parámetros X y similar a la existente en pequeña señal, permitiría su uso en aplicaciones no lineales y supone un nuevo reto que se va a afrontar en este trabajo. Por tanto, el principal objetivo de la presente Tesis consistiría en la elaboración de una metodología analítica basada en el uso de los parámetros X para el diseño de circuitos no lineales que jugaría un papel similar al que juegan los parámetros s en el diseño de circuitos lineales de microondas. Dichos métodos de diseño analíticos permitirían una mejora significativa en los actuales procedimientos de diseño disponibles en gran señal, así como una reducción considerable en el tiempo de diseño, lo que permitiría la obtención de técnicas mucho más eficientes. Abstract In linear world, classical microwave circuit design relies on the s-parameters due to its capability to successfully characterize the behavior of any linear circuit. Thus the direct use of s-parameters in measurement systems and in linear simulation analysis tools, has facilitated its extensive use and success in the design and characterization of microwave circuits and subsystems. Nevertheless, despite the great success of s-parameters in the microwave community, the main drawback of this formulation is its limitation in the behavior prediction of real non-linear systems. Nowadays, the challenge of microwave designers is the development of an analogue framework that allows to integrate non-linear modeling, large-signal measurement hardware and non-linear simulation environment in order to extend s-parameters capabilities to non-linear regimen and thus, provide the infrastructure for non-linear design and test in a reliable and efficient way. Recently, different attempts with the aim to provide this common platform have been introduced, as the Cardiff approach and the Agilent X-parameters. Hence, this Thesis aims to demonstrate the X-parameter capability to provide this non-linear design and test framework in CAD-based oscillator context. Furthermore, the classical analysis and design of linear microwave transistorbased circuits is based on the development of simple analytical approaches, involving the transistor s-parameters, that are able to quickly provide an analytical solution for the input/output transistor loading conditions as well as analytically determine fundamental parameters as the stability factor, the power gain contours or the input/ output match. Hence, the development of similar analytical design tools that are able to extend s-parameters capabilities in small-signal design to non-linear ap- v plications means a new challenge that is going to be faced in the present work. Therefore, the development of an analytical design framework, based on loadindependent X-parameters, constitutes the core of this Thesis. These analytical nonlinear design approaches would enable to significantly improve current large-signal design processes as well as dramatically decrease the required design time and thus, obtain more efficient approaches.

Aspectos de la medición dinámica instantánea de emisiones de motores. Aplicación al desarrollo de un equipo portátil y una metodología para estudios de contaminación de vehículos en tráfico real.

Esta Tesis Doctoral se encuadra en el ámbito de la medida de emisiones contaminantes y de consumo de combustible en motores de combustión interna alternativos cuando se utilizan como plantas de potencia para propulsión de vehículos ligeros de carretera, y más concretamente en las medidas dinámicas con el vehículo circulando en tráfico real. En este ámbito, el objetivo principal de la Tesis es estudiar los problemas asociados a la medición en tiempo real con equipos embarcados de variables medioambientales, energéticas y de actividad, de vehículos ligeros propulsados por motores térmicos en tráfico real. Y como consecuencia, desarrollar un equipo y una metodología apropiada para este objetivo, con el fin de realizar consiguientemente un estudio sobre los diferentes factores que influyen sobre las emisiones y el consumo de combustible de vehículos turismo en tráfico real. La Tesis se comienza realizando un estudio prospectivo sobre los trabajos de otros autores relativos al desarrollo de equipos portátiles de medida de emisiones (Portable Emission Measurement Systems – PEMS), problemas asociados a la medición dinámica de emisiones y estudios de aplicación en tráfico real utilizando este tipo de equipos. Como resultado de este estudio se plantea la necesidad de disponer de un equipo específicamente diseñado para ser embarcado en un vehículo que sea capaz de medir en tiempo real las concentraciones de emisiones y el caudal de gases de escape, al mismo tiempo que se registran variables del motor, del vehículo y del entorno como son la pendiente y los datos meteorológicos. De esta forma se establecen las especificaciones y condiciones de diseño del equipo PEMS. Aunque al inicio de esta Tesis ya existían en el mercado algunos sistemas portátiles de medida de emisiones (PEMS: Portable Emissions Measurement Systems), en esta Tesis se investiga, diseña y construye un nuevo sistema propio, denominado MIVECO – PEMS. Se exponen, discuten y justifican todas las soluciones técnicas incorporadas en el sistema que incluyen los subsistema de análisis de gases, subsistemas de toma de muestra incluyendo caudalímetro de gases de escape, el subsistema de medida de variables del entorno y actividad del vehículo y el conjunto de sistemas auxiliares. El diseño final responde a las hipótesis y necesidades planteadas y se valida en uso real, en banco de rodillos y en comparación con otro equipos de medida de emisiones estacionarios y portátiles. En esta Tesis se presenta también toda la investigación que ha conducido a establecer la metodología de tratamiento de las señales registradas en tiempo real que incluye la sincronización, cálculos y propagación de errores. La metodología de selección y caracterización de los recorridos y circuitos y de las pautas de conducción, preparación del vehículo y calibración de los equipos forma también parte del legado de esta Tesis. Para demostrar la capacidad de medida del equipo y el tipo de resultados que pueden obtenerse y que son útiles para la comunidad científica, y las autoridades medioambientales en la parte final de esta Tesis se plantean y se presentan los resultados de varios estudios de variables endógenas y exógenas que afectan a las emisiones instantáneas y a los factores de emisión y consumo (g/km) como: el estilo de conducción, la infraestructura vial, el nivel de congestión del tráfico, tráfico urbano o extraurbano, el contenido de biocarburante, tipo de motor (diesel y encendido provocado), etc. Las principales conclusiones de esta Tesis son que es posible medir emisiones másicas y consumo de motores de vehículos en uso real y que los resultados permiten establecer políticas de reducción de impacto medio ambiental y de eficiencia energética, pero, se deben establecer unas metodologías precisas y se debe tener mucho cuidado en todo el proceso de calibración, medida y postratamientos de los datos. Abstract This doctoral thesis is in the field of emissions and fuel consumption measurement of reciprocating internal combustion engines when are used as power-trains for light-duty road vehicles, and especially in the real-time dynamic measurements procedures when the vehicle is being driven in real traffic. In this context, the main objective of this thesis is to study the problems associated with on-board real-time measuring systems of environmental, energy and activity variables of light vehicles powered by internal combustion engines in real traffic, and as a result, to develop an instrument and an appropriate methodology for this purpose, and consequently to make a study of the different factors which influence the emissions and the fuel consumption of passenger cars in real traffic. The thesis begins developing a prospective study on other authors’ works about development of Portable Emission Measurement Systems (PEMS), problems associated with dynamic emission measurements and application studies on actual traffic using PEMS. As a result of this study, it was shown that a measuring system specifically designed for being on-board on a vehicle, which can measure in real time emission concentrations and exhaust flow, and at the same time to record motor vehicle and environment variables as the slope and atmospheric data, is needed; and the specifications and design parameters of the equipment are proposed. Although at the beginning of this research work there were already on the market some PEMS, in this Thesis a new system is researched, designed and built, called MIVECO – PEMS, in order to meet such measurements needs. Following that, there are presented, discussed and justify all technical solutions incorporated in the system, including the gas analysis subsystem, sampling and exhaust gas flowmeter subsystem, the subsystem for measurement of environment variables and of the vehicle activity and the set of auxiliary subsystems. The final design meets the needs and hypotheses proposed, and is validated in real-life use and chassis dynamometer testing and is also compared with other stationary and on-board systems. This thesis also presents all the research that has led to the methodology of processing the set of signals recorded in real time including signal timing, calculations and error propagation. The methodology to select and characterize of the routes and circuits, the driving patterns, and the vehicle preparation and calibration of the instruments and sensors are part of the legacy of this thesis. To demonstrate the measurement capabilities of the system and the type of results that can be obtained and that are useful for the scientific community and the environmental authorities, at the end of this Thesis is presented the results of several studies of endogenous and exogenous variables that affect the instantaneous and averaged emissions and consumption factors (g/km), as: driving style, road infrastructure, the level of traffic congestion, urban and extra-urban traffic, biofuels content, type of engine (diesel or spark ignition) etc. The main conclusions of this thesis are that it is possible to measure mass emissions and consumption of vehicle engines in actual use and that the results allow us to establish policies to reduce environmental impact and improve energy efficiency, but, to establish precise methodologies and to be very careful in the entire process of calibration, measurement and data post-treatment is necessary.

Transient acoustic response in car cabins with localization of reflections

Due to its small size and the restrictions on source and listener positions, the design of sound reproduction systems for car cabins is particularly cumbersome. In the present project the measurement of the impulse response between a single loudspeaker and a listener position, with special emphasis on the directional characteristics, will be examined. The propagation paths inside a car are very short, meaning that it is very difficult for the existing commercial measurement systems to resolve the different reflections arriving to the listener. This paper propose a first approach of an algorithm based on time difference of arrival along a measurement technique aiming at finding the reflections and their direction of arrival to the listener. To this end a circular microphone array at a known position is employed, along with Maximum-Length Sequences (MLS) measurement technique. The results are processed so as to extract the directional properties, demonstrate the physical limitations that can influence or prevent this detection in practice. Measurements were carried out in a free-field environment (anechoic chamber) making use of different panels closer around the microphone array. RESUMEN. El diseño de sistemas de reproducción de audio para cabinas de coche es especialmente complicado debido al reducido tamaño del espacio y las restricciones de los altavoces y posiciones de escucha de los ocupantes. En el presente proyecto, se examinan mediciones de la respuesta al impulso entre un altavoz y una posición de escucha con especial énfasis en las características direccionales. Los caminos de propagación de las ondas sonoras dentro de un coche son muy cortos, lo que hace difícil para los instrumentos de medida existentes en el mercado determinar las direcciones de llegada de las diferentes reflexiones que llegan a una posición de escucha. Este trabajo propone una primera aproximación de un algoritmo, basado en las diferencias temporales de llegada de una onda a diferentes puntos de medida, y una particular técnica de medida de la respuesta al impulso para obtener las direcciones de llegada de reflexiones a una posición de escucha. Para ello, se emplea una matriz circular de micrófonos en una posición conocida junto con la técnica de medida MLS (Maximum Length Sequence). Los resultados obtenidos son procesados para extraer la dirección de llegada de las reflexiones acústicas y encontrar las limitaciones que influyan en la detección de dichas reflexiones. Las mediciones se llevan a cabo en un entorno de campo libre y utilizando diferentes superficies reflectantes alrededor de la matriz de micrófonos.

Sonophone: Desarrollo y evaluación de un sonómetro profesional para iOS

La medida de la presión sonora es un proceso de extrema importancia para la ingeniería acústica, de aplicación en numerosas áreas de esta disciplina, como la acústica arquitectónica o el control de ruido. Sobre todo en esta última, es necesario poder efectuar medidas precisas en condiciones muy diversas. Por otra parte, la ubicuidad de los dispositivos móviles inteligentes (smartphones, tabletas, etc.), dispositivos que integran potencia de procesado, conectividad, interactividad y una interfaz intuitiva en un tamaño reducido, abre la posibilidad de su uso como sistemas de medida de calidad y de coste bajo. En este Proyecto se pretende utilizar las capacidades de entrada y salida, procesado, conectividad inalámbrica y geolocalización de los dispositivos móviles basados en iOS, en concreto el iPhone, para implementar un sistema de medidas acústicas que iguale o supere las prestaciones de los sonómetros existentes en el mercado. SonoPhone permitirá, mediante la conexión de un micrófono de medida adecuado, la realización de medidas de acuerdo a las normas técnicas en vigor, así como la posibilidad de programar, configurar y almacenar o trasmitir las medidas realizadas, que además estarán geolocalizadas con el GPS integrado en el dispositivo móvil. También se permitirá enviar los datos de la medida a un almacenamiento remoto en la nube. La aplicación tiene una estructura modular en la que un módulo de adquisición de datos lee la señal del micrófono, un back-end efectúa el procesado necesario, y otros módulos permiten la calibración del dispositivo y programar y configurar las medidas, así como su almacenamiento y transmisión en red. Una interfaz de usuario (GUI) permite visualizar las medidas y efectuar las configuraciones deseadas por el usuario, todo ello en tiempo real. Además de implementar la aplicación, se ha realizado una prueba de funcionamiento para determinar si el hardware del iPhone es adecuado para la medida de la presión acústica de acuerdo a las normas internacionales. Sound pressure measurement is an extremely important process in the field of acoustic engineering, with applications in numerous subfields, like for instance building acoustics and noise control, where it is necessary to be able to accurately measure sound pressure in very diverse (and sometimes adverse) conditions. On the other hand, the growing ubiquity of mobile devices such as smartphones or tablets, which combine processing power, connectivity, interactivity and an intuitive interface in a small size, makes it possible to use these devices as quality low-cost measurement systems. This Project aims to use the input-output capabilities of iOS-based mobile devices, in particular the iPhone, together with their processing power, wireless connectivity and geolocation features, to implement an acoustic measurement system that rivals the performance of existing devices. SonoPhone allows, with the addition of an adequate measurement microphone, to carry out measurements that comply with current technical regulations, as well as programming, configuring, storing and transmitting the results of the measurement. These measurements will be geolocated using the integrated GPS, and can be transmitted effortlessly to a remote cloud storage. The application is structured in modular fashion. A data acquisition module reads the signal from the microphone, while a back-end module carries out the necessary processing. Other modules permit the device to be calibrated, or control the configuration of the measurement and its storage or transmission. A Graphical User Interface (GUI) allows visual feedback on the measurement in progress, and provides the user with real-time control over the measurement parameters. Not only an application has been developed; a laboratory test was carried out with the goal of determining if the hardware of the iPhone permits the whole system to comply with international regulations regarding sound level meters.