[pt] A utilização de transformadores de impedância banda larga possibilita o acoplamento de forma eficiente das linhas convencionais de 50 (ômegas) dos sistemas de alta freqüência aos componentes optoeletrônicos de alta velocidade de baixa impedância, tais como lasers semicondutores (tipicamente com 3 a 5 (ômegas) de resistência de entrada). Uma das principais restrições para a realização de um transformador de impedância planar para uso em sistemas de comunicações ópticas é a sua dimensão física. A fim de se obter um transformador de impedância compacto, de dimensões compatíveis com às dos dispositivos optoeletrônicos, foram analisadas diferentes configurações. Inicialmente foi analisada a configuração coplanar (CPW) utilizando substrato de altíssima constante dielétrica. Devido às limitações encontradas nesta configuração, são propostas, aqui, duas outras soluções. As duas novas configurações propostas associam ao substrato bulk convencional de alumina, filmes de elevada constante dielétrica. Foi desenvolvida uma técnica para caracterizar a constante dielétrica e as perdas dos filmes especialmente fabricados para este trabalho. As análises teóricas mostraram que as configurações propostas apresentam desempenho muito superior ao desempenho das configurações convencionais CPW. Foi implementado o transformador de impedância utilizando uma das soluções propostas e seu desempenho foi avaliado experimentalmente. / [en] Wide-band transmission line impedance transformer enables efficient coupling of 50 (ômegas) transmission line circuits to low impedance high-speed optoelectronic components such as semiconductor lasers (typically with input resistance of 3 to 5 [ômegas]). The physical dimensions of the planar transmission line transformer have to be properly chosen to allow its use in optical communication systems. In order to design a high performance impedance transformer with physical dimensions compatible with optoelectronic components, several possibilities were investigated. A CPW configuration with very high dielectric constant bulk substrate has been analyzed. Simulations have shown some limitations in the performance of this configuration. Then, two new configurations were introduced. Both configurations are obtained using high dielectric constant films and alumina bulk substrate. A new technique has been developed in order to characterize the dielectric constant and the losses of the films specially made for this thesis. Simulations have shown that the performance of both new configurations is much better than the conventional CPW configuration performance. The planar transmission line impedance transformer has been constructed using a new configuration and its performance has been experimentally evaluated.

[pt] A crescente demanda por dispositivos portáveis de tamanho e peso cada vez mais reduzidos vem estimulando a busca por materiais de alta constante dielétrica e baixas perdas na faixa de freqüência de microondas capazes de permitir a integração e miniaturização de circuitos. No presente trabalho foi realizado um estudo teórico e experimental sobre a utilização de filmes de alta constante dielétrica na fabricação de dispositivos passivos de microondas de tamanhos reduzidos. Foi feita uma análise no domínio da freqüência sobre a influência desses filmes nas características de diferentes configurações de linhas de transmissão planares com múltiplas camadas dielétricas. A partir dessa análise, foi escolhida a configuração, denominada aqui de QCPW (Quase-Coplanar Waveguide), que permite a realização prática de estruturas com diversos valores de impedância utilizando dimensões transversais confortáveis. Filmes espessos de compostos de titanato de cálcio e de titanato de magnésio depositados pelo método de screen-printing e filmes finos de titanato de estrôncio por RF Magnetron Sputtering foram fabricados e caracterizados. O método do ressoador linear CPW e da linha de transmissão CPW foram empregados para determinar o valor da constante dielétrica e da tangente de perdas desses filmes na faixa de freqüência de microondas e à temperatura ambiente. O método do ressoador linear CPW foi adaptado e aperfeiçoado para fornecer resultados satisfatórios para o caso dos filmes finos. Finalmente, foram projetados, analisados e fabricados, pela primeira vez, transformadores de impedância em linhas de transmissão (TLT) de tamanho reduzido e com resposta banda larga baseados na configuração QCPW utilizando filmes de alta constante dielétrica. / [en] The growing demand for portable devices with more reduced size and weight has stimulated the search for materials with high dielectric constant and low losses in the microwave frequency range allowing circuit integration and miniaturization. In this work, a theoretical and experimental study of the use of high dielectric constant films in the fabrication of microwave passive devices with reduced sizes has been made. A frequency domain analysis of the influence of these films on the characteristics of different configurations of multilayer transmission lines has been done. From this analysis, a configuration, called here as QCPW (Quasi-Coplanar Waveguide), that allows a practical implementation of structures with several values of impedance using comfortable transversal dimensions was chosen. Composite thick films of calcium titanate and magnesium titanate deposited by screen-printing and thin films of strontium titanate deposited by RF Magnetron Sputtering have been elaborated and characterized. CPW linear resonator method and CPW transmission line have been used to determinate the value of the dielectric constant and loss tangent of these films in the microwave frequency range at room temperature. The CPW linear resonator method was adapted and improved in order to provide satisfactory results for the case of thin films. Finally, for the first time, impedance transmission line transformers (TLT) with reduced size and wide-band response, based on the QCPW configuration using high dielectric constant films have been designed, analyzed, and fabricated.

[pt] Ondas ultrassônicas podem ser usadas para ensaios não destrutivos. Elas são geradas e adquiridas por transdutores. Transdutores acústicos eletromagnéticos (EMATs) possuem algumas vantagens em relação a transdutores tradicionais piezoelétricos, principalmente a capacidade de gerar ondas ultrassônicas sem necessidade de contato físico com o meio em teste. No entanto, sua principal desvantagem é a menor eficiência, que resulta em uma relação sinal-ruído mais baixa. Técnicas de casamento de impedância podem ser utilizadas para combater isso. A rede de casamento de impedância do tipo circuito L é comumente utilizada para garantir a transferência máxima de potência da eletrônica de excitação para o EMAT. Existem diversas variáveis que podem afetar a impedância de um EMAT além do próprio transdutor, como as propriedades e distância do material, a temperatura e a frequência de excitação. Portanto, para garantir a transferência máxima de potência, o circuito de casamento de impedância precisa ser reconfigurado e ter seus valores ajustados sempre que um dos fatores mencionados acima sofrer alteração. O processo de ajuste manual desta rede é trabalhoso e demorado, portanto, sua automação pode trazer grandes benefícios para o uso de transdutores EMAT. Esta dissertação propõe um circuito simplificado, com um único elemento, para casamento de impedância de EMATs. Os valores teóricos ideais para circuitos mono-elemento foram obtidos. Simulações confirmaram sua viabilidade em aumentar a eficiência do EMAT. Circuitos de casamento manual e automáticos foram projetados e construídas. Configurações experimentais foram elaboradas e postas em prática. Experimentos com dois transdutores EMATs distintos foram conduzidos utilizando várias frequências. O sistema automático foi capaz de determinar a melhor configuração para o circuito mono-elemento de casamento de impedância e forneceu um ganho de até 5,6 dB, similar à solução manual. A configuração automática foi mais de duas vezes mais rápida do que a manual. / [en] Ultrasonic waves can be used for nondestructive testing. They are generated and acquired by transducers. Electromagnetic acoustic transducers (EMATs) have some advantages over traditional piezoelectric transducers. Mainly, the ability to generate ultrasonic waves without requiring physical contact with the medium under test. Nevertheless, they present a main drawback of less efficiency, which leads to a lower signal-to-noise ratio. To overcome this, impedance matching techniques can be used. The L-network impedance matching network is often used in order to ensure maximum power transfer to the EMAT from the excitation electronics. There is a wide range of variables that can affect an EMAT s impedance besides the transducer itself, namely, the properties and distance to the specimen material, the temperature, and the excitation frequency. Therefore, to ensure optimal power transfer, the Lnetwork s configuration needs to be tuned whenever one of the factors that affect impedance changes. The process of manually adjusting the impedance matching network is a laborious and time-consuming task, therefore, its automation can be of great benefit to the use of EMAT transducers. In this work, a simplified one-element automatic matching network is proposed. The theoretical optimal values for the one-element matching networks are derived. Simulations confirmed their effectiveness to increase EMAT efficiency. Manual and automatic networks were designed and built. Experiments were performed with two dierent EMATs at several frequencies. The automatic system was able to determine the best conguration for the one-element matching network and provided up to 5.6 dB gain, similar to the manual solution. The automatic setup was more than two-fold faster than the manual one.