In the past decade, there has been an increased interest in low-cost, low-power, high data rate wireless systems for both commercial and defense applications. Some of these include air defense systems, remote sensing radars, and communication systems that are used for unmanned aerial vehicles, ground vehicles, and even the individual consumer. All of these applications require state-of-the-art technologies to push the limits on several design factors such as functionality, weight, size, conformity, and performance while remaining cost effective. There are several potential solutions to accomplish these objectives and a highly pursued path is through the utilization of advanced integrated system platforms with high frequency, versatile, multilayered materials. This work intends to explore advanced 3-D integration for state-of the art components in wireless systems using LCP multilayer organic platforms. Several packaging techniques are discussed that utilize the inherent benefits of this material. Wire bond, via interconnect, and flip-chip packages are implemented at RF and millimeter-wave (mm-wave) frequencies to explore the benefits of each in terms of convenience, reliability, cost, and performance. These techniques are then utilized for the demonstration of bulk acoustic waveguide (BAW) filter applications and for the realization of highly integrated phased-array antenna systems.

Die zerstörungsfreie Ultraschallprüfung von akustisch anisotropen Werkstoffen stellt auch heute noch eine Herausforderung dar. Die Gefügestruktur in solchen Materialien beeinflusst die Wellenausbreitung derart, dass es zum einen zu starken Streuungen durch die großflächigen Korngrenzen und zum anderen, aufgrund der akustischen Anisotropie, zu einer Richtungsabhängigkeit der Schallgeschwindigkeiten kommt. In den vergangenen Jahren wurden bereits Lösungsansätze zur mathematischen Modellierung der Schallausbreitung in anisotropen Materialien vorgestellt. Diese basieren in der Regel auf FEM- bzw. FIT- Algorithmen, die durch die Diskretisierung des gesamten Volumens einen hohen Rechenaufwand erfordern und in der täglichen Prüfpraxis aufgrund ihrer Komplexität bei der Parametrierung nur bedingt einsetzbar sind. Aus diesem Grund wird hier ein Ansatz zur Schallfeldberechnung gewählt, der auf die praktische Anwendung von Gruppenstrahler-Prüfköpfen zugeschnitten ist. Während sich andere Verfahren auf einzelne Wellenanteile und monofrequente Lösungen beschränken, um den Rechenaufwand zu reduzieren, können mit diesem Ansatz die reale Signalform des Prüfkopfes sowie alle auftretenden Wellenanteile in homogenen transversalisotropen Medien berücksichtigt werden. Durch entsprechende Optimierungen im Berechnungsalgorithmus lässt sich das gesamte vierdimensionale Schallfeld eines Gruppenstrahler-Prüfkopfes im Halbraum in kürzester Zeit berechnen. Die analytische Lösung der Wellengleichung für den Halbraum in Form einer Greenschen Funktion wird dabei in eine Gleichung umgeformt, die hier als vierdimensionale Punktrichtwirkung bezeichnet wird. Dieser Modellansatz ermöglicht es, die Parameter eines Gruppenstrahlersystems in der praktischen Anwendung zu überprüfen und durch iterative Rechnungen zu optimieren. Mit Hilfe einer einfach zu handhabenden Visualisierungstechnik ist es möglich diesen Modellansatz mit realen Schallfeldmessungen zu vergleichen. Dazu werden mit elektrodynamischen Sonden die einzelnen Komponenten des dreidimensionalen Vektors der Teilchenverschiebung an der Oberfläche von Festkörpern abgetastet. Die an den Messpunkten ermittelten Zeitfunktionen des Verschiebungsvektors werden dann dem berechneten Zeitverlauf der Wellenausbreitung gegenübergestellt. Die berechneten und gemessenen Schallfelder stimmen in der Phasenlage und im Amplitudenverlauf gut überein. Die Ergebnisse zeigen, dass mit dem verwendeten Rechenmodell alle in der Realität auftretenden Wellenanteile vollständig berücksichtigt werden und dreidimensionale Problemstellungen aus der Praxis mit diesem Modell korrekt berechnet werden können. / The non-destructive ultrasonic testing of acoustic anisotropic materials is an important challenge. The texture of these materials causes a strong scattering of the sound wave by the extensive grain boundaries and a direction dependent sound velocity by the acoustic anisotropy. Several approaches for the modelling of the sound propagation in anisotropic materials were presented in the last years. These approaches are normally based on FEM or FIT algorithms using a discretisation of the complete volume. Their calculation needs extensive time and a very complex parameterisation. Thus these algorithms are not suitable in practice of ultrasonic testing. In this work an approach is presented that is optimised for the application of phased array transducers. The new approach considers the real frequency spectrum of the transducer as well as all occurring wave modes in homogeneous transversely isotropic media, whereas other approaches are limited to solutions for single wave modes and single frequencies to reduce the calculation effort. The appropriate optimisations of the mathematical algorithm allow the fast calculation of the complete four-dimensional transient wave field of a phased array transducer in the half-space. The Green’s functions are derived by an analytical solution of the elastodynamic wave equation for the half-space. These functions will be transformed into an equation which will be referred to in this work as four-dimensional directivity pattern. This approach allows the verification of the parameters of a phased array system and their optimisation by iterative calculations in the practical application. To get accurate results in these calculations, the experimental verification of the applied mathematical model for the wave propagation is an essential task. The technique presented in this work applies electrodynamic probes, which provides a simple use. The probes can detect the particle displacement at a solid surface in all three spatial directions. The measured time-functions of the wave field will be compared with the calculated time-functions. They show a good accordance in the phase and the amplitude. This confirms that the applied mathematical model considers completely all in practice occurring wave modes. The results further show that three-dimensional problems in practice can be calculated correctly with this model.

Lors de l’usinage, les conditions de pression et de température à la surface usinée sont trèsélevées. La microstructure et l’état mécanique du matériau sont impactés, ce qui a desconséquences sur la réactivité chimique de la surface usinée. Dans cette thèse, ons’intéresse au tournage de superfinition de l’acier inoxydable martensitique X4CrNiMo16-5-1traité thermiquement (dénommé APX4 optimisé). Il présente la particularité d’êtremultiphasé à la température ambiante (martensite, ferrite et austénite). L’objectif est dequantifier les relations entre les conditions de coupe, les propriétés d’usage et ladégradation par corrosion des surfaces usinées. Des essais d’usinage en coupe orthogonale(type QST) ont été réalisés afin de comparer directement les résultats expérimentaux auxprédictions numériques 2D des surfaces usinées.Les changements de phase du matériau ont été étudiés par des essais de calorimétriejusqu’à 1200°C. Les cycles thermiques réalisés ont mis en évidence différentestransformations métallurgiques. L’étude bibliographique complémentaire permet deconclure quant aux possibilités de transformation de phase en usinage, qui sont quasiinexistantes du fait des cinétiques de chauffage extrêmement élevées en tournage.Les échantillons usinés ont été caractérisés avec une étude microstructurale parmicrographie optique et par MEB-EBSD. Ces deux techniques mettent en évidence lesdéformations importantes en extrême surface indiquées par l’étirement des îlots de ferriteparallèlement à la surface usinée. Ces résultats microstructuraux ont été mis en relationavec les résultats de microdureté Vickers. Une relation de la dureté superficielle a étéexprimée en fonction des conditions de coupe. La technique EBSD a permis de montrer pourles échantillons usinés dans les conditions les plus sévères la déformation de la ferrite avecapparition de sous-joints de grain, un affinement microstructural de la martensite et uneaccentuation de l’affinement de la matrice martensitique à proximité de la ferrite déformée.Une simulation numérique de prédiction des déformations à l’échelle macroscopiquea été réalisée. Ces résultats numériques ont été comparés aux résultats de déformation etde microdureté issus d’une campagne d’essais. Des essais numériques complémentairesappliqués à l’échelle de la microstructure (matériau considéré biphasé) permettent ded’appréhender la déformation de la phase ferritique et son influence locale sur ladéformation de la matrice martensitique. Ces résultats sont cohérents avec les résultatsexpérimentaux.Les phénomènes de corrosion par piqûres ont été étudiés par le biais d’essais depolarisation à l’aide de la microcellule électrochimique et d’essais spécifiques pulsés. Cesderniers essais ont permis l’analyse des piqûres générées (en diamètre et en densité). Larésistance à la corrosion localisée des surfaces d’acier inoxydable martensitique reste bonneaprès usinage, même améliorée (densité de piqûres plusieurs fois plus faible que l’état deréférence). Ce comportement est corroboré à l’état de compression de la surface.La microdureté de surface, qui est contrôlée majoritairement par l’avance, conditionne lepotentiel de piqûre. L’augmentation du diamètre de piqûre a été reliée à l’affinementmicrostructural (observé à partir d’un certain seuil de microdureté superficielle). / During machining, pressure and temperature conditions at the machined surface are veryintensive. Machined material microstructure and mechanical state are changed, whichimpacts the chemical reactivity of the machined surface. In this PhD study, we focus onsuperfinish turning of heat treated martensitic stainless steel X4CrNiMo16-5-1 (namedoptimized APX4). It has to be mentioned that this material has a multiphased microstructureat ambient temperature (martensite, ferrite and austenite). The aim is then to quantifyrelationships between cutting conditions, properties and the deterioration (corrosion) ofmachined surfaces. Machining trials in orthogonal cutting configuration (QST) have beenrealized in order to compare experimental results directly to 2D numerical forecast ofmachined surfaces.Material phase transformations have been studied by calorimetry tests until 1200°C. Testshave evidenced different metallurgical transformations. The complementary bibliographystudy allows to conclude that phase transformation possibilities during machining are veryquasi nonexistent due to extremely high heating kinetics in turning.Machined samples have been characterized by a microstructural study by opticalmicrography and SEM-EBSD. Both techniques highlight high strains in extreme machinedsurface as indicated by the stretching of ferrite islands in parallel to the machined surface.Microstructural results have been linked to the Vickers microhardness results. Surfacehardness has been expressed as a function of the cutting conditions.EBSD measurements have shown for machined samples in the most severe conditionsstraining of the ferrite with low angle grain boundaries, microstructural refining ofmartensite and heightening of martensitic matrix close to the strained ferrite.A numerical simulation predicting strains at the macroscopic scale has been carried out.These numerical results have been compared to strain and microhardness results arise fromone trials campaign. Further numerical simulations applied at the microstructure level(considered as biphased material) allow understanding of ferritic phase strain and its localinfluence on martensitic matrix strain. These results are consistent with experimentalresults.Pitting corrosion phenomenon has been studied by polarization testing using theelectrochemical microcell and specific pulsed testing. Last used method has been conductedto analyze the generated pits (diameter and density). Localized corrosion resistance ofmachined martensitic stainless steel surfaces remains good, even improved (few times lowerpitting density than the reference state). This behaviour is corroborated to the compressivestate of the surface.Surface microhardness, which is mainly controlled by the feed rate, conditions the criticalpitting potential. Increased pitting diameter has been linked to microstructural refining(observed above a surface microhardness level).

The Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) industry has seen tremendous developments over the past several decades and state-of-the-art fabrication technology has likewise been developed. This fabrication technology develops Photonic Integrate Circuits (PIC) which can guide, split, and modulate photonic waves within a small chip scale. On-chip optical phased arrayed waveguides that operate at high power overcome the current limitations of some conventional applications. This paper discusses two applications of on-chip optical waveguide systems: optical phased array (OPA)-based Light Detection and Range (LiDAR) and waveguide array Dielectric Laser Accelerator (DLA). Both the LiDAR and DLA structures require similar properties to achieve optimized performance. These properties are as follows: capability to handle high power, the ability to split the high power evenly through several waveguide branches and distribute the same degree of optical phase on each branch at specific spatial locations, efficient designs of active phase-tuning structures, and the ability to re-combine several waveguide branches into the sub-wavelength pitch spacing array without crosstalk. Additionally, both structures must resolve specific fabrication challenges on each waveguide component. To address these issues, this paper discusses the theoretical reviews of OPA, the Laser-Induced Damage Threshold (LIDT) of optical waveguide materials, and techniques to reduce crosstalk in sub-wavelength pitch size arrays, such as extreme skin-depth (e-skid) waveguides and propagation constant mismatched waveguides. We propose optimized designs for both OPA-based LiDAR and waveguide array DLA with passive and active devices, respectively, and explain the optimized parameters and its simulation results for each component from the full layout of devices. Furthermore, we discuss the fabrication process of the devices and show the resolutions of fabrication challenges, such as trapping void gaps in an e-skid array structure, writing errors of electron beam lithography of large dense patterns, and silicon nitride to silicon hybrid waveguide pattern alignments. Next, we show the experimental setups and the measurement results from the fabricated OPA devices and analyze the results. Finally, this paper concludes the research of the proposed devices and proposes more designs for both OPA-based LiDAR and waveguide arrayed DLA structures that can further increase increase its performance.<br>

This thesis deals with design and implementation of digital beamformer for 3D radar. The text of this thesis contains derivation of beamforming algorithm and detailed description of it’s implementation on development kit with Cyclone V circuit. At the end of the thesis the beamformer design is verified and it’s further usage is discused.

This diploma thesis deals with the proposal of a single box girder bridge of three spans in the town Blansko. It bridges the river Svitava and the main railway Praha - Brno. The calculations were carried out by hand, the model was created in the Scia Engineer programme. The thesis also describes the solving of a complicated phased construction with the necessity of turning the bridge into the final position. The construction is considered by Eurocodes.

Die zerstörungsfreie Ultraschallprüfung von akustisch anisotropen Werkstoffen stellt auch heute noch eine Herausforderung dar. Die Gefügestruktur in solchen Materialien beeinflusst die Wellenausbreitung derart, dass es zum einen zu starken Streuungen durch die großflächigen Korngrenzen und zum anderen, aufgrund der akustischen Anisotropie, zu einer Richtungsabhängigkeit der Schallgeschwindigkeiten kommt. In den vergangenen Jahren wurden bereits Lösungsansätze zur mathematischen Modellierung der Schallausbreitung in anisotropen Materialien vorgestellt. Diese basieren in der Regel auf FEM- bzw. FIT- Algorithmen, die durch die Diskretisierung des gesamten Volumens einen hohen Rechenaufwand erfordern und in der täglichen Prüfpraxis aufgrund ihrer Komplexität bei der Parametrierung nur bedingt einsetzbar sind. Aus diesem Grund wird hier ein Ansatz zur Schallfeldberechnung gewählt, der auf die praktische Anwendung von Gruppenstrahler-Prüfköpfen zugeschnitten ist. Während sich andere Verfahren auf einzelne Wellenanteile und monofrequente Lösungen beschränken, um den Rechenaufwand zu reduzieren, können mit diesem Ansatz die reale Signalform des Prüfkopfes sowie alle auftretenden Wellenanteile in homogenen transversalisotropen Medien berücksichtigt werden. Durch entsprechende Optimierungen im Berechnungsalgorithmus lässt sich das gesamte vierdimensionale Schallfeld eines Gruppenstrahler-Prüfkopfes im Halbraum in kürzester Zeit berechnen. Die analytische Lösung der Wellengleichung für den Halbraum in Form einer Greenschen Funktion wird dabei in eine Gleichung umgeformt, die hier als vierdimensionale Punktrichtwirkung bezeichnet wird. Dieser Modellansatz ermöglicht es, die Parameter eines Gruppenstrahlersystems in der praktischen Anwendung zu überprüfen und durch iterative Rechnungen zu optimieren. Mit Hilfe einer einfach zu handhabenden Visualisierungstechnik ist es möglich diesen Modellansatz mit realen Schallfeldmessungen zu vergleichen. Dazu werden mit elektrodynamischen Sonden die einzelnen Komponenten des dreidimensionalen Vektors der Teilchenverschiebung an der Oberfläche von Festkörpern abgetastet. Die an den Messpunkten ermittelten Zeitfunktionen des Verschiebungsvektors werden dann dem berechneten Zeitverlauf der Wellenausbreitung gegenübergestellt. Die berechneten und gemessenen Schallfelder stimmen in der Phasenlage und im Amplitudenverlauf gut überein. Die Ergebnisse zeigen, dass mit dem verwendeten Rechenmodell alle in der Realität auftretenden Wellenanteile vollständig berücksichtigt werden und dreidimensionale Problemstellungen aus der Praxis mit diesem Modell korrekt berechnet werden können. / The non-destructive ultrasonic testing of acoustic anisotropic materials is an important challenge. The texture of these materials causes a strong scattering of the sound wave by the extensive grain boundaries and a direction dependent sound velocity by the acoustic anisotropy. Several approaches for the modelling of the sound propagation in anisotropic materials were presented in the last years. These approaches are normally based on FEM or FIT algorithms using a discretisation of the complete volume. Their calculation needs extensive time and a very complex parameterisation. Thus these algorithms are not suitable in practice of ultrasonic testing. In this work an approach is presented that is optimised for the application of phased array transducers. The new approach considers the real frequency spectrum of the transducer as well as all occurring wave modes in homogeneous transversely isotropic media, whereas other approaches are limited to solutions for single wave modes and single frequencies to reduce the calculation effort. The appropriate optimisations of the mathematical algorithm allow the fast calculation of the complete four-dimensional transient wave field of a phased array transducer in the half-space. The Green’s functions are derived by an analytical solution of the elastodynamic wave equation for the half-space. These functions will be transformed into an equation which will be referred to in this work as four-dimensional directivity pattern. This approach allows the verification of the parameters of a phased array system and their optimisation by iterative calculations in the practical application. To get accurate results in these calculations, the experimental verification of the applied mathematical model for the wave propagation is an essential task. The technique presented in this work applies electrodynamic probes, which provides a simple use. The probes can detect the particle displacement at a solid surface in all three spatial directions. The measured time-functions of the wave field will be compared with the calculated time-functions. They show a good accordance in the phase and the amplitude. This confirms that the applied mathematical model considers completely all in practice occurring wave modes. The results further show that three-dimensional problems in practice can be calculated correctly with this model.

Dans un monde où l’information va de plus en plus vite, il est important de pouvoir rester connecté en permanence. De nouvelles solutions émergent pour connecter les passagers à bord d’un avion grâce aux communications par satellite. Parmi elles, on retrouve les antennes à pointage électronique dans lesquelles cette thèse de doctorat s’intègre. Une étude sur les différentes antennes existantes ou en projet est présentée. Les puces électroniques MMIC AsGa permettent d’appliquer des lois d’amplitude et de phase pour chaque élément rayonnant d’une antenne réseau. Cette thèse de doctorat porte sur la conception d’un déphaseur, après avoir étudié les technologies et les topologies de celui-ci. Ensuite, la conception d’un amplificateur faible bruit à gain variable est proposée à partir d’un état de l’art. Les résultats de simulation et de mesures de ces deux fonctions sont exposés. / In a world where the information is moving faster and faster, it is important to be able to stay connected continuously. Some new solutions for air transport connectivity are in development thanks to the rise of satellite communications. This thesis work is part of an electronically steerable antenna array project, developed as a solution to achieve In-Flight Connectivity in Ka-band. A state- of-the art review on electronically steerable antenna arrays is also presented. In these arrays, each radiating element needs a specific amplitude and phase to obtain a scanning beam by adding their contribution. This thesis focus on the design of a GaAs MMIC chip inclusion two functions: a phase shifter and a variable-gain low-noise amplifier. The simulation and measurement results are presented for these two functions.

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