Análisis y diseño de multiplicadores y mezcladores mediante el método de Monte Carlo en la banda de THz = Analysis and design of multipliers and mixers via Monte Carlo modelling at THz bands

La región del espectro electromagnético comprendida entre 100 GHz y 10 THz alberga una gran variedad de aplicaciones en campos tan dispares como la radioastronomía, espectroscopíamolecular, medicina, seguridad, radar, etc. Los principales inconvenientes en el desarrollo de estas aplicaciones son los altos costes de producción de los sistemas trabajando a estas frecuencias, su costoso mantenimiento, gran volumen y baja fiabilidad. Entre las diferentes tecnologías a frecuencias de THz, la tecnología de los diodos Schottky juega un importante papel debido a su madurez y a la sencillez de estos dispositivos. Además, los diodos Schottky pueden operar tanto a temperatura ambiente como a temperaturas criogénicas, con altas eficiencias cuando se usan como multiplicadores y con moderadas temperaturas de ruido en mezcladores. El principal objetivo de esta tesis doctoral es analizar los fenómenos físicos responsables de las características eléctricas y del ruido en los diodos Schottky, así como analizar y diseñar circuitos multiplicadores y mezcladores en bandas milimétricas y submilimétricas. La primera parte de la tesis presenta un análisis de los fenómenos físicos que limitan el comportamiento de los diodos Schottky de GaAs y GaN y de las características del espectro de ruido de estos dispositivos. Para llevar a cabo este análisis, un modelo del diodo basado en la técnica de Monte Carlo se ha considerado como referencia debido a la elevada precisión y fiabilidad de este modelo. Además, el modelo de Monte Carlo permite calcular directamente el espectro de ruido de los diodos sin necesidad de utilizar ningún modelo analítico o empírico. Se han analizado fenómenos físicos como saturación de la velocidad, inercia de los portadores, dependencia de la movilidad electrónica con la longitud de la epicapa, resonancias del plasma y efectos no locales y no estacionarios. También se ha presentado un completo análisis del espectro de ruido para diodos Schottky de GaAs y GaN operando tanto en condiciones estáticas como variables con el tiempo. Los resultados obtenidos en esta parte de la tesis contribuyen a mejorar la comprensión de la respuesta eléctrica y del ruido de los diodos Schottky en condiciones de altas frecuencias y/o altos campos eléctricos. También, estos resultados han ayudado a determinar las limitaciones de modelos numéricos y analíticos usados en el análisis de la respuesta eléctrica y del ruido electrónico en los diodos Schottky. La segunda parte de la tesis está dedicada al análisis de multiplicadores y mezcladores mediante una herramienta de simulación de circuitos basada en la técnica de balance armónico. Diferentes modelos basados en circuitos equivalentes del dispositivo, en las ecuaciones de arrastre-difusión y en la técnica de Monte Carlo se han considerado en este análisis. El modelo de Monte Carlo acoplado a la técnica de balance armónico se ha usado como referencia para evaluar las limitaciones y el rango de validez de modelos basados en circuitos equivalentes y en las ecuaciones de arrastredifusión para el diseño de circuitos multiplicadores y mezcladores. Una notable característica de esta herramienta de simulación es que permite diseñar circuitos Schottky teniendo en cuenta tanto la respuesta eléctrica como el ruido generado en los dispositivos. Los resultados de las simulaciones presentados en esta parte de la tesis, tanto paramultiplicadores comomezcladores, se han comparado con resultados experimentales publicados en la literatura. El simulador que integra el modelo de Monte Carlo con la técnica de balance armónico permite analizar y diseñar circuitos a frecuencias superiores a 1 THz. ABSTRACT The terahertz region of the electromagnetic spectrum(100 GHz-10 THz) presents a wide range of applications such as radio-astronomy, molecular spectroscopy, medicine, security and radar, among others. The main obstacles for the development of these applications are the high production cost of the systems working at these frequencies, highmaintenance, high volume and low reliability. Among the different THz technologies, Schottky technology plays an important rule due to its maturity and the inherent simplicity of these devices. Besides, Schottky diodes can operate at both room and cryogenic temperatures, with high efficiency in multipliers and moderate noise temperature in mixers. This PhD. thesis is mainly concerned with the analysis of the physical processes responsible for the characteristics of the electrical response and noise of Schottky diodes, as well as the analysis and design of frequency multipliers and mixers at millimeter and submillimeter wavelengths. The first part of the thesis deals with the analysis of the physical phenomena limiting the electrical performance of GaAs and GaN Schottky diodes and their noise performance. To carry out this analysis, a Monte Carlo model of the diode has been used as a reference due to the high accuracy and reliability of this diode model at millimeter and submillimter wavelengths. Besides, the Monte Carlo model provides a direct description of the noise spectra of the devices without the necessity of any additional analytical or empirical model. Physical phenomena like velocity saturation, carrier inertia, dependence of the electron mobility on the epilayer length, plasma resonance and nonlocal effects in time and space have been analysed. Also, a complete analysis of the current noise spectra of GaAs and GaN Schottky diodes operating under static and time varying conditions is presented in this part of the thesis. The obtained results provide a better understanding of the electrical and the noise responses of Schottky diodes under high frequency and/or high electric field conditions. Also these results have helped to determine the limitations of numerical and analytical models used in the analysis of the electrical and the noise responses of these devices. The second part of the thesis is devoted to the analysis of frequency multipliers and mixers by means of an in-house circuit simulation tool based on the harmonic balance technique. Different lumped equivalent circuits, drift-diffusion and Monte Carlo models have been considered in this analysis. The Monte Carlo model coupled to the harmonic balance technique has been used as a reference to evaluate the limitations and range of validity of lumped equivalent circuit and driftdiffusion models for the design of frequency multipliers and mixers. A remarkable feature of this reference simulation tool is that it enables the design of Schottky circuits from both electrical and noise considerations. The simulation results presented in this part of the thesis for both multipliers and mixers have been compared with measured results available in the literature. In addition, the Monte Carlo simulation tool allows the analysis and design of circuits above 1 THz.

Adsorption of ethylene on graphitized thermal carbon black and in slit pores: A computer simulation study

In this paper, we studied vapor-liquid equilibria (VLE) and adsorption of ethylene on graphitized thermal carbon black and in slit pores whose walls are composed of graphene layers. Simple models of a one-center Lennard-Jones (LJ) potential and a two-center united atom (UA)-LJ potential are investigated to study the impact of the choice of potential models in the description of VLE and adsorption behavior. Here, we used a Monte Carlo simulation method with grand canonical Monte Carlo (GCMC) and Gibbs ensemble Monte Carlo ensembles. The one-center potential model cannot describe adequately the VLE over the practical range of temperature from the triple point to the critical point. On the other hand, the two-center potential model (Wick et al. J. Phys. Chem. B 2000, 104, 8008-8016) performs well in the description of VLE (saturated vapor and liquid densities and vapor pressure) over the wide range of temperature. This UA-LJ model is then used in the study of adsorption of ethylene on graphitized thermal carbon black and in slit pores. Agreement between the GCMC simulation results and the experimental data on graphitized thermal carbon black for moderate temperatures is excellent, demonstrating that the potential of the GCMC method and the proper choice of potential model are essential to investigate adsorption. For slit pores of various sizes, we have found that the behavior of ethylene exhibits a number of features that are not manifested in the study of spherical LJ particles. In particular, the singlet density distribution versus distance across the pore and the angle between the molecular axis and the z direction provide rich information about the way molecules arrange themselves when the pore width is varied. Such an arrangement has been found to be very sensitive to the pore width.

The effects of energy sites on adsorption of Lennard–Jones fluids and phase transition in carbon slit pore of finite length a computer simulation study

A Monte Carlo simulation method is Used 10 study the effects of adsorption strength and topology of sites on adsorption of simple Lennard-Jones fluids in a carbon slit pore of finite length. Argon is used as a model adsorbate, while the adsorbent is modeled as a finite carbon slit pore whose two walls composed of three graphene layers with carbon atoms arranged in a hexagonal pattern. Impurities having well depth of interaction greater than that of carbon atom are assumed to be grafted onto the surface. Different topologies of the impurities; corner, centre, shelf and random topologies are studied. Adsorption isotherms of argon at 87.3 K are obtained for pore having widths of 1, 1.5 and 3 11111 using a Grand Canonical Monte Carlo simulation (GCMC). These results are compared with isotherms obtained for infinite pores. It is shown that the Surface heterogeneity affects significantly the overall adsorption isotherm, particularly the phase transition. Basically it shifts the onset of adsorption to lower pressure and the adsorption isotherms for these four impurity models are generally greater than that for finite pore. The positions of impurities on solid Surface also affect the shape of the adsorption isotherm and the phase transition. We have found that the impurities allocated at the centre of pore walls provide the greatest isotherm at low pressures. However when the pressure increases the impurities allocated along the edges of the graphene layers show the most significant effect on the adsorption isotherm. We have investigated the effect of surface heterogeneity on adsorption hysteresis loops of three models of impurity topology, it shows that the adsorption branches of these isotherms are different, while the desorption branches are quite close to each other. This suggests that the desorption branch is either the thermodynamic equilibrium branch or closer to it than the adsorption branch. (c) 2005 Elsevier Inc. All rights reserved.

Monte Carlo Random Walk Simulations Based on Distributed Order Differential Equations with Applications to Cell Biology

Mathematics Subject Classification: 65C05, 60G50, 39A10, 92C37

Accuracy and optimal sampling in Monte Carlo solution of population balance equations

Implementation of a Monte Carlo simulation for the solution of population balance equations (PBEs) requires choice of initial sample number (N0), number of replicates (M), and number of bins for probability distribution reconstruction (n). It is found that Squared Hellinger Distance, H2, is a useful measurement of the accuracy of Monte Carlo (MC) simulation, and can be related directly to N0, M, and n. Asymptotic approximations of H2 are deduced and tested for both one-dimensional (1-D) and 2-D PBEs with coalescence. The central processing unit (CPU) cost, C, is found in a power-law relationship, C= aMNb0, with the CPU cost index, b, indicating the weighting of N0 in the total CPU cost. n must be chosen to balance accuracy and resolution. For fixed n, M × N0 determines the accuracy of MC prediction; if b > 1, then the optimal solution strategy uses multiple replications and small sample size. Conversely, if 0 < b < 1, one replicate and a large initial sample size is preferred. © 2015 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 61: 2394–2402, 2015

Trimmed Likelihood Estimation of the Parameters of the Generalized Extreme Value Distributions: a Monte-Carlo Study

2000 Mathematics Subject Classification: Primary 62F35; Secondary 62P99

A medida e as escalas de avaliação da saúde das populações neonatais e pediátricas : estudo de simulação de Monte Carlo com variáveis ordinais

A investigação na área da saúde e a utilização dos seus resultados tem funcionado como base para a melhoria da qualidade de cuidados, exigindo dos profissionais de saúde conhecimentos na área específica onde desempenham funções, conhecimentos em metodologia de investigação que incluam as técnicas de observação, técnicas de recolha e análise de dados, para mais facilmente serem leitores capacitados dos resultados da investigação. Os profissionais de saúde são observadores privilegiados das respostas humanas à saúde e à doença, podendo contribuir para o desenvolvimento e bem-estar dos indivíduos muitas vezes em situações de grande vulnerabilidade. Em saúde infantil e pediatria o enfoque está nos cuidados centrados na família privilegiando-se o desenvolvimento harmonioso da criança e jovem, valorizando os resultados mensuráveis em saúde que permitam determinar a eficácia das intervenções e a qualidade de saúde e de vida. No contexto pediátrico realçamos as práticas baseadas na evidência, a importância atribuída à pesquisa e à aplicação dos resultados da investigação nas práticas clínicas, assim como o desenvolvimento de instrumentos de mensuração padronizados, nomeadamente as escalas de avaliação, de ampla utilização clínica, que facilitam a apreciação e avaliação do desenvolvimento e da saúde das crianças e jovens e resultem em ganhos em saúde. A observação de forma sistematizada das populações neonatais e pediátricas com escalas de avaliação tem vindo a aumentar, o que tem permitido um maior equilíbrio na avaliação das crianças e também uma observação baseada na teoria e nos resultados da investigação. Alguns destes aspetos serviram de base ao desenvolvimento deste trabalho que pretende dar resposta a 3 objetivos fundamentais. Para dar resposta ao primeiro objetivo, “Identificar na literatura científica, os testes estatísticos mais frequentemente utilizados pelos investigadores da área da saúde infantil e pediatria quando usam escalas de avaliação” foi feita uma revisão sistemática da literatura, que tinha como objetivo analisar artigos científicos cujos instrumentos de recolha de dados fossem escalas de avaliação, na área da saúde da criança e jovem, desenvolvidas com variáveis ordinais, e identificar os testes estatísticos aplicados com estas variáveis. A análise exploratória dos artigos permitiu-nos verificar que os investigadores utilizam diferentes instrumentos com diferentes formatos de medida ordinal (com 3, 4, 5, 7, 10 pontos) e tanto aplicam testes paramétricos como não paramétricos, ou os dois em simultâneo, com este tipo de variáveis, seja qual for a dimensão da amostra. A descrição da metodologia nem sempre explicita se são cumpridas as assunções dos testes. Os artigos consultados nem sempre fazem referência à distribuição de frequência das variáveis (simetria/assimetria) nem à magnitude das correlações entre os itens. A leitura desta bibliografia serviu de suporte à elaboração de dois artigos, um de revisão sistemática da literatura e outro de reflexão teórica. Apesar de terem sido encontradas algumas respostas às dúvidas com que os investigadores e os profissionais, que trabalham com estes instrumentos, se deparam, verifica-se a necessidade de desenvolver estudos de simulação que confirmem algumas situações reais e alguma teoria já existente, e trabalhem outros aspetos nos quais se possam enquadrar os cenários reais de forma a facilitar a tomada de decisão dos investigadores e clínicos que utilizam escalas de avaliação. Para dar resposta ao segundo objetivo “Comparar a performance, em termos de potência e probabilidade de erro de tipo I, das 4 estatísticas da MANOVA paramétrica com 2 estatísticas da MANOVA não paramétrica quando se utilizam variáveis ordinais correlacionadas, geradas aleatoriamente”, desenvolvemos um estudo de simulação, através do Método de Monte Carlo, efetuado no Software R. O delineamento do estudo de simulação incluiu um vetor com 3 variáveis dependentes, uma variável independente (fator com três grupos), escalas de avaliação com um formato de medida com 3, 4, 5, e 7 pontos, diferentes probabilidades marginais (p1 para distribuição simétrica, p2 para distribuição assimétrica positiva, p3 para distribuição assimétrica negativa e p4 para distribuição uniforme) em cada um dos três grupos, correlações de baixa, média e elevada magnitude (r=0.10, r=0.40, r=0.70, respetivamente), e seis dimensões de amostras (n=30, 60, 90, 120, 240, 300). A análise dos resultados permitiu dizer que a maior raiz de Roy foi a estatística que apresentou estimativas de probabilidade de erro de tipo I e de potência de teste mais elevadas. A potência dos testes apresenta comportamentos diferentes, dependendo da distribuição de frequência da resposta aos itens, da magnitude das correlações entre itens, da dimensão da amostra e do formato de medida da escala. Tendo por base a distribuição de frequência, considerámos três situações distintas: a primeira (com probabilidades marginais p1,p1,p4 e p4,p4,p1) em que as estimativas da potência eram muito baixas, nos diferentes cenários; a segunda situação (com probabilidades marginais p2,p3,p4; p1,p2,p3 e p2,p2,p3) em que a magnitude das potências é elevada, nas amostras com dimensão superior ou igual a 60 observações e nas escalas com 3, 4,5 pontos e potências de magnitude menos elevada nas escalas com 7 pontos, mas com a mesma ma magnitude nas amostras com dimensão igual a 120 observações, seja qual for o cenário; a terceira situação (com probabilidades marginais p1,p1,p2; p1,p2,p4; p2,p2,p1; p4,p4,p2 e p2,p2,p4) em que quanto maiores, a intensidade das correlações entre itens e o número de pontos da escala, e menor a dimensão das amostras, menor a potência dos testes, sendo o lambda de Wilks aplicado às ordens mais potente do que todas as outra s estatísticas da MANOVA, com valores imediatamente a seguir à maior raiz de Roy. No entanto, a magnitude das potências dos testes paramétricos e não paramétricos assemelha-se nas amostras com dimensão superior a 90 observações (com correlações de baixa e média magnitude), entre as variáveis dependentes nas escalas com 3, 4 e 5 pontos; e superiores a 240 observações, para correlações de baixa intensidade, nas escalas com 7 pontos. No estudo de simulação e tendo por base a distribuição de frequência, concluímos que na primeira situação de simulação e para os diferentes cenários, as potências são de baixa magnitude devido ao facto de a MANOVA não detetar diferenças entre grupos pela sua similaridade. Na segunda situação de simulação e para os diferentes cenários, a magnitude das potências é elevada em todos os cenários cuja dimensão da amostra seja superior a 60 observações, pelo que é possível aplicar testes paramétricos. Na terceira situação de simulação, e para os diferentes cenários quanto menor a dimensão da amostra e mais elevada a intensidade das correlações e o número de pontos da escala, menor a potência dos testes, sendo a magnitude das potências mais elevadas no teste de Wilks aplicado às ordens, seguido do traço de Pillai aplicado às ordens. No entanto, a magnitude das potências dos testes paramétricos e não paramétricos assemelha-se nas amostras com maior dimensão e correlações de baixa e média magnitude. Para dar resposta ao terceiro objetivo “Enquadrar os resultados da aplicação da MANOVA paramétrica e da MANOVA não paramétrica a dados reais provenientes de escalas de avaliação com um formato de medida com 3, 4, 5 e 7 pontos, nos resultados do estudo de simulação estatística” utilizaram-se dados reais que emergiram da observação de recém-nascidos com a escala de avaliação das competências para a alimentação oral, Early Feeding Skills (EFS), o risco de lesões da pele, com a Neonatal Skin Risk Assessment Scale (NSRAS), e a avaliação da independência funcional em crianças e jovens com espinha bífida, com a Functional Independence Measure (FIM). Para fazer a análise destas escalas foram realizadas 4 aplicações práticas que se enquadrassem nos cenários do estudo de simulação. A idade, o peso, e o nível de lesão medular foram as variáveis independentes escolhidas para selecionar os grupos, sendo os recém-nascidos agrupados por “classes de idade gestacional” e por “classes de peso” as crianças e jovens com espinha bífida por “classes etárias” e “níveis de lesão medular”. Verificou-se um bom enquadramento dos resultados com dados reais no estudo de simulação.

Quantum Monte Carlo study of effective masses in a polarized unitary Fermi gas

Ultracold gases provide an ideal platform for quantum simulations of many-body systems. Here we are interested in a particular system which has been the focus of most experimental and theoretical works on ultracold fermionic gases: the unitary Fermi gas. In this work we study with Quantum Monte Carlo simulations a two-component gas of fermionic atoms at zero temperature in the unitary regime. Specifically, we are interested in studying how the effective masses for the quasi-particles of the two components of the Fermi liquid evolve as the polarization is progressively reduced from full to lower values. A recent theoretical work, based on alternative diagrammatic methods, has indeed suggested that such effective masses should diverge at a critical polarization. To independently verify such predictions, we perform Variational Monte Carlo (VMC) calculations of the energy based on Jastrow-Slater wavefunctions after adding or subtracting a particle with a given momentum to a full Fermi sphere. In this way, we determine the quasi-particle dispersions, from which we extract the effective masses for different polarizations. The resulting effective masses turn out to be quite close to the non-interacting values, even though some evidence of an increase for the effective mass of the minority component appears close to the predicted value for the critical polarization. Preliminary results obtained for the majority component with the Fixed-node Diffusion Monte Carlo (DMC) method seem to indicate that DMC could lead to an increase of the effective masses in comparison with the VMC results. Finally, we point out further improvements of the trial wave-function and boundary conditions that would be necessary in future simulations to draw definite conclusions on the effective masses of the polarized unitary Fermi gas.

Reconfiguration of distribution networks to minimize loss and disruption costs using genetic algorithms

In this paper a computational implementation of an evolutionary algorithm (EA) is shown in order to tackle the problem of reconfiguring radial distribution systems. The developed module considers power quality indices such as long duration interruptions and customer process disruptions due to voltage sags, by using the Monte Carlo simulation method. Power quality costs are modeled into the mathematical problem formulation, which are added to the cost of network losses. As for the EA codification proposed, a decimal representation is used. The EA operators, namely selection, recombination and mutation, which are considered for the reconfiguration algorithm, are herein analyzed. A number of selection procedures are analyzed, namely tournament, elitism and a mixed technique using both elitism and tournament. The recombination operator was developed by considering a chromosome structure representation that maps the network branches and system radiality, and another structure that takes into account the network topology and feasibility of network operation to exchange genetic material. The topologies regarding the initial population are randomly produced so as radial configurations are produced through the Prim and Kruskal algorithms that rapidly build minimum spanning trees. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Programa com abordagem probabilística do sistema de avaliação de qualidade de taludes Slope Quality Index (SQI)

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Civil

Hankintaprosessin suorituskyvyn arviointi ja kehittäminen

Tämän työn tarkoituksena oli tarkastella kohdeorganisaation hankintaprosessin suorituskykyä. Tutkimuksen päämääränä oli tuottaa yritykselle sellaista tietoa ja arviointikriteerejä, joiden avulla yritys voi kehittää valmiuksiaan oman suorituskyvyn tehokkaampaan arviointiin tulevaisuudessa. Tutkielma tehtiin Skanska Oy:n osto-osastolle Helsinkiin. Tutkimuksen kohteeksi valittiin kausisopimusten hankintaprosessi epäsuorissa hankinnoissa, kotimaisilla markkinoilla. Keskitetyn kausisopimusten hankintaprosessin tarkoituksena on tuottaa yritykselle kilpailukykyisiä sopimuksia sekä saavuttaa prosessin parempi hallinta ja läpinäkyvyys. Tietoa tutkimuksen kohteena olevasta prosessista kerättiin haastatteluilla ja keskustelutuokioilla sekä yrityksen dokumenteista. Aineiston keräämisen kautta pyrittiin saamaan syvempi kuva prosessin toiminnasta, sen ongelmakohdista sekä niiden syistä ja seurauksista. Toisen tarkastelunäkökulman prosessin arvioinnille tarjosi läpimenoajan mittaaminen. Saatua aineistoa luokiteltiin vika- ja vaikutusanalyysiin pohjautuvalla mallilla sekä Monte Carlo – simulaatiomenetelmään perustuvalla ohjelmalla. Työn tuloksena esitetään tutkimuksen kohteena olevalle prosessille sopivia kehitystoimenpiteitä sekä suositeltavia prosessin mittaamisalueita.

Viabilidade econômica e seleção de sistemas de irrigação utilizando simulação e dominância estocástica

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Analise de desempenho de um sistema híbrido de geração de energia solar-eólico-diesel considerando variações probabilísticas da carga e dos recursos renováveis

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Fluxo de potência em redes de distribuição de energia elétrica considerando incertezas

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Dinâmica de modelos minimalistas de solvente em reações de transferência de elétrons: aplicação à experimentos de única molécula

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)