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Receptores de microondas y ondas milimétricas con aplicación en monitoreo de radiofrecuencias y radiometría

GUSTAVO ALONSO MARTINEZ ESCALANTE (2013)

En el presente trabajo se aborda el estudio y caracterización del ambiente

electromagnético del sitio del Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano

(GTM) y el estudio de receptores de microondas y ondas milimétricas. Para

llevar a cabo este proyecto se ha propuesto un esquema de mediciones de

señales de radiofrecuencia en las bandas 0-6 GHz y 18-40 GHz. Éstas han sido

seleccionadas por estar en la banda de frecuencia intermedia de los receptores

heterodinos que utiliza el GTM. La integración del esquema de mediciones ha

requerido del diseño y la construcción de dos monturas altazimutal, el

desarrollo de la electrónica de control y programas para el control del sistema

electromecánico, así como la medición de señales de interferencia del sitio.

Se han realizado diversas campañas de medición en el sitio del GTM y los

resultados obtenidos de esta caracterización han proporcionado información

de los servicios de telecomunicaciones que ocupan el espectro

electromagnético alrededor de Sierra Negra. Además, estos resultados han

permitido la gestión ante la Comisión Federal de Telecomunicaciones

(COFETEL), para que reconozca y asigne una zona silenciosa de protección

para el Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano.

Una parte importante de este trabajo de tesis ha sido el estudio del

funcionamiento de los receptores heterodinos, el ruido que generan y sus

componentes. Se ha integrado un conjunto de receptores en las bandas C (3.7-

4.2 GHz), Ku (11.7-12.2 GHz) y W (90-92 GHz), con los elementos disponibles

para comprender su funcionamiento. Los receptores desarrollados han sido

utilizados como radiómetros para medir la radiación del Sol y la Luna en las

bandas señaladas. Los resultados obtenidos demuestran que la operación de estos receptores es adecuada y concuerdan con los resultados obtenidos por

otros autores utilizando otro tipo de receptores.

El desarrollo de estos receptores representa un esfuerzo local por desarrollar

instrumentación milimétrica en el INAOE, adicional a la ya existente para el

GTM.

Doctoral thesis

Receivers Radiometry Radioastronomy CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA ASTRONOMÍA Y ASTROFÍSICA RADIOASTRONOMÍA

Caracterización de obleas de silicio utilizando radiometría fototérmica

DELIA MARIA HURTADO CASTAÑEDA (2009)

The Micro and Nano-Electronics industry is starting to use high-index silicon

substrates which show textured and stable surfaces enabling the fabrication

of new approach of MOS transistors and other technologies based on several

crystallographic orientations.

Photothermal Radiometry technique was used in this work to obtain electronic

parameters on high index crystallographic orientation silicon wafers. This

technique is non-destructive, non-invasive and non-contact, and allow

monitor sub-superficial structures and carrier transport properties in

semiconductor materials as: i) minority carrier lifetime (ƭ); ii) back and front

surface recombination velocities (S1, S2); iii) carrier diffusion coefficient (hole,

electron) (Dp, Dn). Also this technique allows studying kinetic surface

pasivation process by means of time signal evolution. Electronic parameters

test was done through Photocarrier Radiometry (PCR) that gets electronic

emission in 0.8 α 1.75µm range.

Quantitative results of transport properties in semiconductor silicon wafers

was gotten fitting the amplitude and phase of PCR signal in a theoretical

model using a multi-parametric fit program, where square variance was

minimize by means of square minimums methodology.

La industria de micro y nano-electrónica ha comenzando a utilizar sustratos

de alto índice cristalino con superficies estables y morfología texturizada que

juegan un papel importante en la operación de dispositivos superficiales, así

como en las tecnologías dependientes de la orientación cristalina del

sustrato.

En este trabajo se utilizó la técnica de Radiometría Fototérmica Infrarroja

(RFI) para la obtención de parámetros electrónicos sobre obleas de silicio de

alto índice cristalino. Estas técnicas tienen como ventaja que son de nocontacto,

no- invasiva y no- destructiva, además de permitir monitorear

estructuras sub-superficiales y propiedades de transporte de los portadores

en materiales semiconductores como son: i) tiempo de vida de portadores

minoritarios(ƭ); ii) velocidad de recombinación frontal y trasera (S1, S2); iii)

coeficiente de difusión de portadores (electrones-huecos) (Dn, Dp). De igual

manera nos permitió estudiar la cinética de los procesos de pasivación de las

superficies por medio de la evolución de la señal en el tiempo. La evaluación

de los parámetros electrónicos se realizó mediante la técnica de Radiometría

de Fotoportadores (PCR, por sus siglas en inglés), que sólo es sensible a las

emisiones electrónicas en el espectro de longitud de onda de 0.8 α 1.75µm.

Los resultados cuantitativos de las propiedades de transporte electrónico se

obtuvieron ajustando la amplitud y fase de la señal experimental en un

modelo teórico utilizando un programa de ajuste multi-paramétrico, donde la

varianza media cuadrada es minimizada por medio del método de mínimos

cuadrados.

Master thesis

Photothermal spectroscopy Radiometry Silicon CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA ELECTRÓNICA

Imaging system at millimeter-wave frequencies

BENJAMIN LOPEZ GARCIA (2008)

The need for a concealed weapons and explosive detection has increased in recent years. Millimeter-wave (MMW) imaging is a possible solution to this problem since millimeter-waves can penetrate thin clothing layers. This is a method of forming images through the detection of millimeter-wave radiation power from a scene. This power is a combination of what the scene object is directly emitting and what it is reflecting from its environment. The MMW has the ability to see under low visibility conditions (such as fog, clouds, smoke,

sandstorms, etc.) that would ordinarily blind visible or infrared sensors. Several millimeter-wave imaging systems for target identification have been reported in the current state of the art but the novelty of this thesis work is the incorporation of the Substrate Integrated Waveguide (SIW) technology in the receiver antenna and a Nipkow disc to reconstruct the image under surveillance. SIW technology has the advantages of low cost, lower losses than coplanar and microstrip lines, and it is highly integrable with microwave and millimeter wave integrated circuits. The Nipkow disc is a mechanical operating image scanning device. The device consists of a mechanically spinning disk with a series of equally distanced circular holes of equal diameter drilled in it that scan the image when rotating. This disc has the advantages of simple realization high speed scanning.

La necesidad de detección de armas y explosivos ocultos ha aumentado en los últimos años. Los sistemas de imagenología a través ondas milimétricas es una posible solución a este problema a partir de que las ondas milimétricas pueden penetrar capas delgadas de ropa. Este es un método de formación de imágenes a través de la detección de la potencia de radiación de ondas milimétricas de una escena. Esta potencia es una combinación de lo que el objeto de la escena esta directamente emitiendo y de lo que esta reflejando de su entorno. Las ondas milimétricas tiene la capacidad de ver bajo condiciones de baja visibilidad (tales como niebla, nubes, humo, arena, etc.) que normalmente cegaría a los sensores visibles o infrarrojos. Varios sistemas de imagenología a través ondas milimétricas para la identificación de objetos han sido reportados en el estado actual del arte, pero la novedad de este trabajo de tesis es la incorporación de la tecnología de guía de onda integrada en el mismo substrato en la antena receptora (SIW, por sus siglas en inglés) y un disco de Nipkow para reconstruir la imagen bajo observación. SIW se sintetiza por la colocación de dos filas de agujeros metálicos en un substrato. Las ventajas de la tecnología SIW son bajo costo de manufactura, menores pérdidas que las líneas coplanares y de microcinta, y su alta integrabilidad en circuitos integrados de microondas y milimétricos. El disco de Nipkow es un dispositivo mecánico de escaneo de imagen. El dispositivo consta de un disco girando mecánicamente con una serie de agujeros circulares de igual diámetro e igualmente distanciados perforados en él, que al girar escanean la imagen. Las ventajas de éste disco son su sencilla implementación y su alta velocidad de escaneo.

Master thesis

Remote sensing Substrate Radiometry CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA ELECTRÓNICA MICROELECTRÓNICA

Modelación tridimensional de la atmósfera solar en su régimen quieto para el estudio de su emisión en radio

VICTOR HUGO DE LA LUZ RODRIGUEZ (2007)

La evolución de modelos físicos y sus simulaciones computacionales, han avanzado de

forma paralela al poder de computo con el que se cuenta. En México, existen esfuerzos

serios que tratan de involucrarnos en la cada vez más competida carrera de las simulaciones

y visualizaciones. La UNAM cuenta con varios clusters y supercomputadoras,

así como laboratorios virtuales, conectados a una nueva red científica, el Internet 2. Esta

infraestructura, permite pensar en el uso extensivo de computo de alto rendimiento

con el fin de probar y recrear modelos numéricos. En este trabajo, damos el primer

paso, Recreando un modelo tridimensional del Sol, en esta etapa, para el régimen del

Sol quieto, pero dejándolo preparado para incorporar mejoras, o mejor dicho, para una

mejor aproximación física.

Este modelo, por si solo, no tendría mucha razón de ser, a menos que generara resultados

comparables con las observaciones.

Por esta razón, el objetivo de este trabajo, es que a partir de un modelo numérico,

geométrico (3D) y teórico del Sol quieto, podamos reconstruir imágenes bidimensionales

en múltiples frecuencias con el fin de comparar con observaciones realizadas.

Una vez probado el modelo, es decir, comparado con observaciones, procedemos a

realizar simulaciones a frecuencias no observadas, con el fin de predecir y tener herramientas

teóricas que nos permitan validar observaciones futuras, como será el caso del

Radio Telescopio Solar RT5.

La geometría utilizada en nuestro modelo es radial con origen en el centro del Sol.

Los cálculos se hacen sobre líneas de visión provenientes de la Tierra, que al integrarse

pueden generar una imagen bidimensional. Se usó esta configuración debido a que

los perfiles de temperatura y densidad necesarios como entradas para las funciones

de emisión y absorción son radiales, haciendo natural el uso de ellas en el modelo

numérico.

En el Primer Capitulo, haremos un recorrido histórico nacional e internacional sobre

la Radioastronomía Solar. Enumeramos la infraestructura con la que cuenta el país en

esta rama de las ciencias espaciales.

En el Segundo Capitulo presentamos la radioemisión térmica, los principales componentes,

así como una serie de observaciones para el Sol Quieto.

En el Tercer Capítulo hacemos un recuento de la estructura del Sol Quieto, los principales

modelos que existen en los perfiles de temperatura y densidad.

Master thesis

Radiometry Radio waves Numerical analysis Radiometry - History - Mexico CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA ASTRONOMÍA Y ASTROFÍSICA RADIOASTRONOMÍA PROPAGACIÓN DE ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

Design of cryogenic balanced low-noise amplifiers for millimetric astronomical instrumentation

E Ibarra-Medel (2018)

Microwave Low-Noise Amplifiers (LNAs) are some of the most extended elements used in many fields from telecommunications engineering to instrumentations and science. Since the beginning of the radio astronomy, the LNAs have been an important part in the development of high sensitivity receivers, instruments and detectors used to perform sky observations. One of these instruments is the radiometer, which is based in the heterodyne principle and is widely used in radar systems, passive sensing and satellite communications. The first radiometer was employed in radio astronomy observations and represents an example of the use of LNAs applied in astronomy. For these reasons, the present thesis work tackles the use and development of LNAs at the INAOE facilities, focusing on the use in millimetric-wave instrumentation and with potential applications in heterodyne and homodyne receivers. The thesis starts explaining the scientific motivations in astronomy, an historical review of the use of LNAs in astronomy and the instrumental interest to use microwave electronics in the amplification of Lumped Elements Kinetic Inductance Detectors (LEKIDs) array developed at the INAOE. The LEKIDs will be tested in a cryogenic chamber adapted with special microwave connections and electronics, which the LNA will meet special requirements to work as the first amplification device. The established requirements were a bandwidth of 0.5 to 2 GHz, a gain of 10 dB and noise temperatura below 10 K. The technology choosen was the E-pHEMT commercial low-noise SMD transistor and it was implemented in a hybrid microwave integrated circuit topology. Each transistor was tested in room temperature and cryogenic temperature (12 to 4 K) and then the main merit figures were measured in both cases. With these measurements, a low-noise model for each transistor was performed and implemented in microwave simulations to design the LNAs topology. The _nal topology was a balanced amplifier structure, constructed over microstrip lines, SMD components and special bias networks. Four classes of LNAs were constructed and tested in cryogenic temperatures. They reached an average noise temperature of 7.5 K and a gain of 8 dB. The full proposed bandwidth was covered and had a low power consumption.

Los amplificadores de bajo ruido de microondas (LNAs por sus siglas en inglés), son uno de los dispositivos activos más extensamente usados en el ramo de las altas frecuencias, posen aplicaciones que van desde la ingeniería electrónica, telecomunicaciones hasta instrumentación científica. En el caso de la radioastronomía, desde el inicio los LNA han formado parte importante en el desarrollo de receptores de alta sensibilidad, así como de instrumentos de detección usados para realizar observaciones del cielo cada vez más precisas. Uno de estos instrumentos es el radiómetro, el cual se encuentra basado en el principio de detección heterodino y es ampliamente usado en sistemas de radar, censado pasivo y comunicaciones satelitales. El primer radiómetro diseñado fue empleado como primera etapa en el modelo de recepción para un radiotelescopio y representa el primer uso de los LNA enfocado en la astronómica. Algunos instrumentos, para incrementar su sensibilidad, han optado por colocar la etapa de aplicación a temperaturas criogénicas para reducir el ruido. Por estas razones, en el presente trabajo de tesis aborda el diseño y construcción de amplificadores de bajo ruido criogénico en las instalaciones del INAOE como parte del desarrollo de la electrónica de lectura para detectores de inductancia cinética (KIDs por sus siglas en ingles). Tales detectores forman parte de un conjunto instrumental enfocado en el desarrollo de una cámara para realizar observaciones en las longitudes de onda milimétrica. A su vez, los detectores y amplificadores presentan gran potencial en ser implementados en sistemas de recepción heterodinos y homodinos en otras longitudes de onda. El trabajo de tesis inicia explicando las motivaciones científicas, complementado con una semblanza histórica de la implementación de los LNA en investigaciones astronómicas y el interés de usar instrumentos de recepción en las bandas de microondas y milimétricas. También aborda el interés de usar electrónica de microondas como lectura de un arreglo de KID de elementos concentrados (LEKIDs, por sus siglas en inglés). El arreglo de LEKIDs fue diseñado y fabricado en las instalaciones del INAOE y fueron probados en una cámara criogénica a 250mK adaptada con conexiones de microondas especiales y electrónica de censado y monitoreo. Los LNA trabajan como etapa primaria de amplificaciones para los detectores. Los requerimientos especiales de los LNA fueron el establecer un ancho de banda de 0.5 a 2 GHz,

Doctoral thesis

Radio astronomy Low-noise amplifiers Microwave electronics Cryogenics pHEMTs radiometry CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA ASTRONOMÍA Y ASTROFÍSICA RADIOASTRONOMÍA RADIOASTRONOMÍA