Dissertations / Theses on the topic 'Konstruksjon'

Effektforsterkere er viktige komponenter i dagens telekommunikasjonsutstyr. I de fleste trådløse kommunikasjonssystemer står effektforsterkeren for en stor andel av det totale effektforbruket. Derfor er virkningsgraden, eller effektiviteten, til denne av stor betydning. Ved å redusere overlapp mellom strøm og spenning i transistor er det mulig å bedre effektiviteten til effektforsterkere betydelig. Dette er mulig ved å reflektere harmoniske frekvenser tilbake til transistoren med riktig fase. Dette gjøres i klasse F effektforsterkere, og gir vesentlig bedre effektivitet enn tilsvarende klasse AB og B effektforsterkere. Ved design av en klasse F effektforsterker ble det sett på hvilke egenskaper denne har i forhold til en tilsvarende klasse AB design. Begge effektforsterkerne ble designet for bruk i et Inmarsat-bånd ved 1,64GHz. Det ble benyttet en GaAs MESFET-effekttransistor, beregnet for bruk i L-bånd, i design og konstruksjon av begge effektforsterkerne. I designen av klasse F effektforsterkeren var det hensiktsmessig å bruke parasittiske effekter i transistoren som en del av designen, for å oppnå ønsket refleksjon av andre- og tredjeharmonisk. Det ble benyttet diskrete passive komponenter, med små tap og gode modeller, til design og konstruksjon. ADS-simuleringer viser at det er mulig å oppnå en effektivitetsgevinst på 10 prosentpoeng ved riktig refleksjon av andre- og tredjeharmonisk. Ved hjelp av simuleringer i ADS er den harmonisk tunede klasse F designen sammenlignet med en tilsvarende klasse AB effektforsterkerdesign. Her ser en at bedret effektivitet går på bekostning av båndbredde. Effektiviteten faller også raskere med økende avstand fra senterfrekvensen, enn hva som er tilfellet for klasse AB designen. Til tross for dette har klasse F designen tilsvarende lineære egenskaper som klasse AB designen. Etter hvert som størrelsen til de harmoniske vokser vil de bidra til en gradvis økning av effektiviteten, inntil klasse F kriteriet inntreffer når transistoren drives nær metning. Begge designene gir rundt 14dB forsterkning og leverer effekter i overkant av 1W. Simulert PAE er 55,1% for klasse F effektforsterkerdesignen, og 45,1% for tilsvarende klasse AB design. Begge designene ble konstruert, og målte resultater ble sammenlignet med de simulerte. Dette viser at transistormodellen, som ble brukt ved simulering i ADS, gir et veldig konservativt estimat av forsterkning og effektivitet. Ved reduksjon av forsterkning var det mulig å oppnå tilstrekkelig stabilitet for klasse AB effektforsterkeren, der PAE ble målt til 55,3%. Det viser seg også at det er forskjeller mellom simulerte og virkelige S-parametere til transistoren. Ved konstruksjon av klasse F effektforsterkeren er det essensielt andre og tredjeharmonisk ser riktig impedans fra transistorens strømkilde for å få riktig refleksjon. I tillegg må tilpasningsnettverket gi grunnharmonisk riktig impedans for høyest effektivitet. Uten god modell for transistor, og begrensede muligheter til å måle refleksjon av harmoniske, ble det med tilgjengelig tid ikke mulig å realisere den designede klasse F effektforsterkeren. I forbindelse med skriving av en artikkel, som vil bli forsøkt publisert ved ”Radio Wireless Week 2007” i Long Beach, ble det gjennomført utfyllende målinger på en klasse AB og en klasse F effektforsterker som ble konstruert i fordypningsprosjektet. Her ble det hovedsaklig sett på tredjeordens intermodulasjonsdistorsjon. Disse målingene styrker tidligere indikasjoner som tilsier at den konstruerte klasse F effektforsterkeren gir mer lineær forsterkning enn tilsvarende klasse AB effektforsterker.

En klasse E forsterker er en høyeffektiv svitsjeforsterker. Teoretisk effektivitet for en klase E forsterker er 100%, men dette er ikke mulig å oppnå i praksis siden alle fysiske elementer inneholder tap. Ved å kontrollere svitsjingen riktig, reduseres overlappet mellom strøm og spenning over svitsjeelementet og effektiviteten øker. Forsterkeren er designet rundt en Gallium Arsenid (GaAs) MESFET fra Eudyna som også er brukt i klasse AB og klasse F sammenligningskretser konstruert ved NTNU. Transistoren er designet for L bånd og det er designet to forsterkere, en ved 10MHz og en ved 1.6GHz. Som vi skal se, stemmer transistormodellen bra ved 1.6GHz, men dårlig ved 10MHz. På grunn av dette var det ikke mulig å finne noe brukbart tilpasningsnettverk ved 10MHz. Ved å designe, simulere og måle er det i denne oppgaven oppnådd 67% effektivitet ved 1.6GHz, som er bedre enn tilsvarende klasse AB sammenligningskrets og også bedre enn typiske verdier for klasse E forsterkere. I tillegg til måling av effektivitet og båndbredde er inngangseffekt variert for å se på inngang/utgangskarakteristikk, selv om dette i utgangspunktet er mer interessant for en lineær forsterker. På bakgrunn av disse målingene er det mulig å se at forsterkeren oppfører seg som en tradisjonell klasse E forsterker ved 10MHz, mens ved 1.6GHz oppfører den seg som en lineær forsterker før den begynner å svitsje. Båndbredden ved 10MHz ble målt til cirka 2.25MHz, mens det var stor båndbredde rundt 1.6GHz. Båndbredden ble målt opp til 1.9GHz og under 800MHz som var laveste målte verdi.

Denne oppgaven beskriver hvilke algoritmer og metoder som kan benyttes til å utføre regneoperasjonen multiplikativ divisjon i maskinvare. Videre beskrives arkitekturen til de mest egnete metodene for å beregne divisorens resiprokal. Dette resiprokalet multipliseres så med dividenden for å produsere en kvotient. Av de grunnleggende aritmetiske operasjonene addisjon, subtraksjon og multiplikasjon, er divisjon den som er mest krevende å utføre. Kongsberg Defence & Aerospace har gidd denne oppgaven med å undersøke mulighetene for å realisere en divisjonsmodul på en FPGA. Divisjonsmodulen skal være pipelinet, operere med 16 og 32 bits operander og basert på algoritmer for multiplikativ divisjon. Det ble valgt å benytte Newton-Raphson-algoritmen for å iterere over en approksimert verdi av divisorens resiprokal. Denne approksimasjonsverdien hentes fra en bipartit oppslagstabell som adresseres med divisoren. Resiprokalene som er lagret i oppslagstabellen har en nøyaktighet på 1 ULP og Newton-Raphson-algoritmen dobler antall riktige bit for hver iterasjon. Dermed er det kun nødvendig med en iterasjon for å beregne en korrekt verdi av resiprokalet. Selve den iterative regneoperasjonen består av to sekvensielle multiplikasjoner og en subtraksjon. Arkitekturmessig er arbeidet med divisjonsprosessen fordelt på ulike hovedblokker som er sekvensielt sammenkoblet og som hver utfører sin del av prosessen. For hver blokk i de spesifiserte løsningene i denne rapporten, kommer divisjonsoperasjonen et steg nærmere en kvotient og en rest. Det ble ikke tid til å implementere de spesifiserte løsningene i VHDL så det er ikke utarbeidet noen synteserapport for løsningene. Det burde imidlertid være relativt ukomplisert å utføre implementeringen basert på arkitekturene som er spesifisert i denne rapporten. Ut i fra teoristudiet med egnete algoritmer og metoder, ble de metodene som virket best med tanke på ytelse benyttet til å spesifisere løsninger for 16 og 32 bits operander. Løsningene er like med unntak av den bipartite oppslagstabellen som får plass i RAM på FPGA for 16 bits operander, men blir så stor at den må legges i ekstern RAM for 32 bits operander. Ytelsesmessig er det ingen forskjeller på disse to løsningene, men realiseringen av løsningen for 32 bits operander er litt mer komplekst.

Denne oppgaven tar for seg linearisering av GaAs MMIC effektforsterkere. Det er brukt en pHEMT-prosess og senterfrekvensen ligger på 2,45 GHz. Effektforsterkerne som er konstruert kan levere utgangseffekter i størrelsesorden 1 W. Agilent Advanced Design System (ADS) ble brukt til konstruksjon og simulering. Moderne modulasjonsteknikker med varierende envelope krever lineære forsterkere for å fungere. Ulinearitetene i forsterkeren vil forvrenge signalet og skape støy både i og utenfor båndet. Effektiviteten til en lineær forsterker er vesentlig lavere enn for en ulineær forsterker. Ved bruk av linearisering kan effektiviteten økes ved at forsterkeren kan levere større utgangseffekt uten å generere mer støy. Lineariseringsteknikker kan også brukes til å forbedre en forsterker som ikke oppfyller kravet til linearitet, for eksempel støy i nabobånd. Teori for lineære effektforsterkere og lineariseringsmetoder blir presentert. Det er lagt vekt på predistorsjon og ``difference-frequency feedback''. Det ble også gjort simuleringer med disse to metodene. Begge metodene ga redusert intermodulasjon. Det er gjort målinger på komponenter i MMIC for å få en indikasjon på påliteligheten til dataverktøyet. Resultatet av disse målingene viste at modellene er nøyaktige for 2,45 GHz.

Denne masteroppgaven tar for seg en totrinns Dohertyforsterker på 2.4 GHz. De to delforsterkerne er identiske klasse AB effektforsterkere, og «Auxillary»-forsterkerens påslag styres av et variabelt dempeledd. I tillegg til dempeleddet og delforsterkerne består systemet av en kobler, en envelopedetektor og en effektsplitter. Alle delkretsene er designet og produsert, og simuleringer og målinger på disse hver for seg er foretatt. Sammenkoblingen av alle delkretsene til det fullstendige systemet er ikke utført på grunn av tidsmangel og uforutsette komplikasjoner. Utfyllende teori for Dohertyforsterkeren og delkretsene den består av er presentert, samt en detaljert beskrivelse av design-, produksjon- og målemetode. Dempeleddet ble valgt til å ha -konfigurasjon, og utifra måleresulatene konkluderes det med at konfiguarasjonen muligens burde vært en annen. Det samme gjelder for envelopedetektoren som skal gi dempeleddet riktig styresignal; denne er trolig for enkel til å kunne benyttes i en god Dohertyforsterker.

En CompactPCI datamaskin med et NallaTech BenERA FPGA-kort har blitt kjøpt inn til bruk innen forskning på evolusjonær maskinvare. Denne datamaskinen er i stand til å rekonfigurere og kjøre en vilkårlig krets på en FPGA, og kan kommunisere med FPGAen kjapt over en PCI-buss. Øvre hastighet for kommunikasjon med moduler på FPGA-en begrenses av CompactPCI-bussen til 132MB pr. sekund.

Denne hovedoppgaven går ut på konstruksjon av et system basert rundt BenERA FPGA-kortet som skal benyttes til kjøring av sblokkbaserte eksperimenter, med fokus på development. Prosjektet baserer seg på tidligere forskning innen sblokker og development ved NTNU.

Det har blitt utviklet et system der sblokkmatriser kan lastes ned til en FPGA og kjøres der. Kretsen har også spesialkonstruert maskinvare som kan kjøre development på sblokkmatrisen. Sblokkmatrisen kan på et hvilket som helst tidspunkt undersøkes av programvare på CompactPCI-maskinen ved tilbakelesning av data over PCI-bussen. All styring skjer ved hjelp av programvare og kan automatiseres.

Kretsen er implementert som en samlebåndsbasert koprosessor. Koprosessoren er i stand til å prosessere to sblokker pr. sykel både ved kjøring av developmentsteg og ved konfigurering av sblokkmatrise. Ved kjøring av sblokkmatrise vil alle sblokker oppdateres pr. sykel. Ved tilbakelesning av data fra sblokkmatrise behandles 8 sblokker pr. sykel.

Ved syntese ble det oppnådd en klokkefrekvens på 80MHz.

Målet med denne oppgaven har vært å konstruere og teste ut en spesialsentrifuge for simulering av lave g-nivåer i biofysikkeksperimenter, nærmere bestemt månens gravitasjon. Det blir gjort rede for hvilket teoretisk grunnlag den bygges på, og hvilke krav det stiller til sentrifugen og dens eksperimentvolum, EV. Det teoretiske grunnlaget baserer seg på, hvordan en plante reagerer på gravitasjon, og hvordan man tidligere har simulert vektløshet for planter. Dette, i sammen med kunnskap om hvordan krefter virker i en sentrifuge, danner grunnlaget for hvor hvordan simuleringen kan utføres, og hvilke krav det stiller til sentrifugen. Det vil i oppgaven blir gjort rede for hvilket teoretisk grunnlag konstruksjonen baserer seg på, og hvilke antagelser som er gjort i den sammenheng. Teorien stille spesifikke krav til sentrifugen, og konstruksjonen må være praktisk i bruk. Under konstruksjonen har det vært valgmuligheter. Alternativene er tatt med, og valget som er tatt er begrunnet. Det er også tatt med hva som vil være ønskelig å gjøre med sentrifugen ved en forbedring av den konstruksjonen som er nå, hvor det viktigste er å få kameraet stabilt. I den siste delen av oppgaven blir resultatene fra testene presentert, hva som er testet, og hva som er blitt notert under testingen. Under avslutningen tar jeg for meg resultatene og hvilke forbedringer som bør gjennomføres. På noen av problemene blir det også presentert en mulig løsning. EMCS er en del av oppgaven. Min oppgave er å kontrollere akselerasjonstall for sentrifugen, og produsere grakk som kan være til hjelp i tolkningen av resultatene. Det blir også forklart hva EMCS har i sammenheng med hoved oppgaven. Bakerst i oppgaven er det en brukerveiledning for de som skal kjøre forsøk framover.

I dagens industriorganisasjoner er store mengder kunnskap og informasjon spredd utover organisasjonen gjennom ulike dokumenter som er lagret digitalt. I store organisasjoner vil mengden dokumenter øke svært raskt, og kravet om effektiv tilgang og gjennfinning av informasjon er derfor sterkt økende. Dette gjelder spesielt for kunnskapsintensive bedrifter hvor god informasjonsforvaltning ofte er en av nøkkelfaktorene for å oppnå suksess. På bakgrunn av dette har Statoil ASA og gruppe for informasjonssystemer ved IDI/NTNU inngått et samarbeidsprosjekt, KUDOS (Kunnskap i Dokumenter i Statoil), som skal bygge systemer for informasjonsforvaltning, understøttet av semantisk søk og uttrekking av informasjon fra dokumenter. Bruk av ontologier i søkesammenheng er sentralt i prosjektet. I arbeidet er det blitt konstruert to ontologier; en rent manuelt, og en semiautomatisk. Begge ontolgiene har bakgrunn i domenet project management og er realisert i Web Ontology Language (OWL) ved hjelp av ontologieditoren Protégé. Jobben med å konstruere den manuelle ontologien er gjort ved å inspisere domenespesifikke dokumenter, samt å holde møter med en domeneekspert for å komme frem til viktige begreper og relasjoner som beskriver domenet. I den semi-automatiske tilnærmingen er det brukt et system for uttrekning av nøkkelfraser fra tekst, utviklet ved IDI, til å komme med forslag til relevante begreper og fraser fra dokumentsamlingen. Forslagene er så blitt kontrollert av en domeneekspert før selve ontologibyggingen. For å evaluere ontologienes kvalitet oppimot hverandre har man valgt en tredelt evaluering: Sammenligning og evaluering av elementene i ontologiene. Evaluering av ontologiene utifra et sett kvalitetskriterier. Evaluering av ontologiene utifra bruk i praktisk søk. På grunn av få evaluatorer og liten dokumentsamling er variasjonene i resultatene fra de to tilnærmingene liten. Det er dermed vanskelig å dra noen faste konklusjoner, men man ser likevel en klar tendens til at den manuelle ontologien jevnt over har et høyere kvalitetsnivå enn den semi-automatiske ontologien i alle de tre evalueringsfasene.

Jeg har i denne oppgaven jobbet med digital heltallsaritmetikk, og da sett spesielt på feltet deling. Deling er en meget ressurskrevende opperasjon i digitalteknikk, det er derfor mye tid og areal å spare på å forbedre delingsopperasjonen. Jeg ser her på hvordan det er mulig å benytte multiplikative algoritmer til å utføre delingen, og da med hovedfokus på Newton- Raphson metoden. Newton-Rapson metoden er en gammel algoritme som har vært gjenstand for en mengde analyser rettet mot flere bruksområder, det finnes altså gode bevis på nøyaktighet, beregningsmengde og ressursbruk ved implementering i digitalekretser. Det er derfor ikke blitt utviklet noe nye algoritme basert på Newton-Raphson, men benyttet en godt dokumentert algoritme, da denne ser ut til å være den best egnede for implementasjon. Som andre iterative algoritmer trenger Newton-Raphson metoden et startpunkt for å kunne finne frem til det riktige svaret. Som vist i oppgaven har Newton-Raphson metoden den egenskapen at den fordobler antallet korrekte siffer per iterasjon og derfor er det viktig med et bra startpunkt hvis algoritmen skal komme fort fram til det antall korrekte bit som er ønsket i svaret. Problemet med å startverdier er hvis man skal ha stort antall korrekte bit trenger man mange verdier lagret og dette vil ta stor plass, eller man trenger en egen utregnings krets noe som ville ta ekstra tid. Oppgaven her viser først den simpleste formen for startverdi der algoritmen benytter samme startverdi til alle innverdier. Bare en innverdi vil gi lite areal kostnad men det vil føre til at man trenger flere iterasjoner for å finne det korrekte svaret og dermed vil det ta lenger tid. Oppgaven viser vider mer kompliserte oppslagstabeller og lineære interpolasjons metoder for å kunne øke antall korrekte bit i startverdien til minst mulig arealkostnad. Noen typer av oppslagstabellene er også blitt simuler for å vise at de faktisk gir tilstrekkelig korrekt svar. Til slutt i oppgaven er det hvis hvordan Newton-Raphson metoden og startverditabellene kan implementeres i FPGA.

I denne oppgaven er det blitt studert hvilket effektivitetsforbedringspotensial det ligger i å bruke envelope tracking-teknikken på en RF-forsterker med et amplitudevarierende inngangssignal. Denne teknikken går i grove trekk ut på å dynamisk forspenne RF-transistoren i forsterkeren i variasjon med inngangssignalet slik at effektiviteten blir best mulig, samtidig som forsterkerens linearitetsegenskaper bevares. En metode for å realisere denne teknikken er blitt presentert og består hovedsaklig av tre deler. Disse tre delene er en kobler, en envelopedetektor og en driverkrets. De to sistenevnte delkretsene har i denne oppgaven blitt analysert, designet og simulert. Deretter ble delkretsene produsert og funksjonaliteten ble målt. Den fysiske envelopedetektoren opererte ikke helt på ønsket måte. For de høyeste inngangseffektene detekterte den envelopen veldig godt, men for de aller laveste klarte den ikke å detektere noe som helst. Hvor godt den klarte å følge envelopen varierte også med envelopefrekvensen. Driveren ble realisert med en komponent som den egentlig ikke var tiltenkt på grunn av noen tekniske problemer. På grunn av båndbreddebegrensning i denne nye komponenten ble driveren undersøkt på lavere frekvens en planlagt, men på denne frekvensen opererte driveren på tilfredsstillende måte.

Lavstøyforsterkeren anses ofte som en av de mest kritiske komponentene i en mobil enhet, da den skal sørge for at det mottatte signalet fra antennen blir tatt best mulig vare på og forsterket uten å legge til støy. Dagens trådløse elektronikkprodukter benytter seg gjerne av flere frekvensbånd (GSM, WLAN, WiMAX etc.) og trenger derfor forsterkere som kan operere på flere enn én frekvens. Tradisjonelt har dette vært løst ved å bruke flere forskjellige forsterkere. Denne oppgaven hadde derimot som formål å finne en forsterker som kunne operere på to bånd, 2,4 GHz (WLAN, Bluetooth etc.) og 5,8 GHz (ekspansjon av 2,4 GHz-båndet). I denne oppgaven har det blitt gjort simuleringer i Agilent ADS (Advanced Design System) på hvorvidt nettverk kan tunes/rekonfigureres ved hjelp av transistorer, eller om passive nettverk matchet til flere frekvensbånd er bedre egnet. Resultatene viste at passive nettverk ga lavest støyfaktor og var minst plasskrevende på fysisk chip, ved minst mulig bruk av tid på design. Jobbing med rekonfigurerbarhet var mer tidkrevende siden en hele tiden må ta hensyn til to forskjellige styrespenninger på transistor, noe som gjorde optimalisering for to forskjellige frekvenser vanskelig. Det ble derfor besluttet å designe en dualband forsterker. Den ferdige totrinns forsterkeren oppnådde til slutt en forsterkning på 34,4 dB ved 2,4 GHz og 27,8 dB ved 5,8 GHz, med støyfaktorer på 1,22 dB ved 2,4 GHz og 1,37 dB ved 5,8 GHz. Mellom trinnene ble det satt inn et dempeledd, med mulighet for å dempe opp til 10 dB (i steg på 1 dB) i begge frekvensbåndene. Totalt trakk forsterkeren en strøm på oppunder 50 mA. Med en forsyningsspenning på 2 V betyr det at effektforbruket holdt seg under 100 mW. I tillegg til å designe en dualbandforsterker ble det lagd DRC (Design Rule Check)-godkjent layout av forsterkeren (og de individuelle trinnene) fra prosjektoppgaven. Etter ferdig produksjon ble det gjort målinger, som igjen ble sammenlignet med simuleringene. Resultatene viste et noe større enn forventet avvik fra simuleringer, med en forflytning av maksimal forsterkning opp i frekvens, og ca 10 dB lavere forsterkning enn simulert ved 2,4 GHz. Maksimal forsterkning var ca 26,4 dB ved 2,7 GHz. Støymålingene var, til tross for gjentatte forsøk og med forskjellige støykilder, mislykkede.

Arbeidet i denne masteroppgåva er ein fullføring av arbeidet som vart påbegynt i prosjektoppgåva. Der skulle det konstrueres ein 20 GHz lågstøyforsterker med gain-kontroll i GaAs MMIC-teknologi. På grunn av tidsmangel vart det i prosjektoppgåva konstruert ein lågstøyforsterker uten gain-kontroll. I denne masteroppgåva har det blitt lagd utlegg til lågstøyforsterkeren konstruert i prosjektoppgåva. Denne vart sendt til TriQuint Semiconductor for produksjon, men på grunn av feil i dimensjoneringa av probepadene i utlegget var det ikkje mulig å få målt på kretsen. Det vart derfor gjort målinger på passive MMICkomponenter på chip for å prøve å anslå ytelsen til den produserte lågstøyforsterkeren og for generelt å teste gyldigheten av simuleringsresultat ved høge frekvenser. Dempeleddet som opprinnelig var ein del av prosjektoppgåva, men som det ikkje vart tid til å lage, har blitt konstruert. Det andre forsterkertrinnet i lågstøyforsterkeren har blitt konstruert på nytt med anrikningstype transistor i staden for deplesjonstype transistor. Ulike andre endringer i kretsen har også blitt gjort for å forbedre forsterkinga til lågstøyforsterkeren. Agilents Advanced Design System (ADS) har blitt benytta for å konstruere og simulere kretsene, samt for å lage utlegg. Det nye designet av det andre forsterkertrinnet ga den totale forsterkeren eit gain på 24,85 dB, noko som er ei forbedring på omlag 5,5 dB i forhold til den opprinnelige forsterkeren. Støytalet økte med 0,76 dB til 4,18 dB. Det nye forsterkertrinnet medførte at forsterkeren tålte mindre signal på inngangen. Den nye forsterkeren hadde sitt 1dB-kompresjonspunkt ved -22 dBm inngangseekt, mens den opprinnelige forsterkeren hadde sitt ved -4 dBm. Maksimalt strømtrekk for den nye forsterkeren var 75 mA. Den nye forsterkeren var ubetinga stabil ved alle frekvenser. Dempeleddet viste seg å forbedre ffekthåndteringsegenskapene til lågstøyforsterkeren. Det vart konstruert med ei forsyningsspenning på 3V og hadde eit maksimalt strømtrekk på omlag 10 mA. Innsatt i den opprinnelige forsterkeren vart dempeverdier mellom 2 og 10 dB oppnådd. Ved innsetting i den nye forsterkeren kunne ein variere dempeverdiene frå 3 til 10 dB. Eit nettverk vart konstruert slik at dempeleddet kunne kontrolleres med kun ei kontrollspenning. Under arbeidet er det vist nokre viktige moment for forsterkerkontruksjon ved 20 GHz. Transistortype må velges ut frå bruksområde, og små transistordimensjoner gir bedre signal-gain. Større DC-innføringsspoler gir generelt bedre ytelse. Transmisjonslinjer kan ved denne frekvensen brukes i staden for sentrerte komponenter og vil gi bedre støy- og gain-ytelse. Ved bruk av dempeledd vil støy-ytelsen til forsterkertrinnet som kjem etter dempeleddet vere viktig.

Bølgeprober og direksjonelle koblere er rene passive kretser. Dette betyr at de bruker passive komponenter, og dermed ikke har evne til å forsterke signaler. Eksempler på passive komponenter er lyspærer, lysdioder, motstander, motorer, batterier, spoler og kondensatorer. I tillegg kommer for eksempel brytere, vendere, koblingsklemmer, ledninger, transmisjonslinjer og viahull for sammenkobling av de ulike kretselementene avhengig av hva slags teknologi som benyttes. For bølgeproben og den direksjonelle kobleren er det bare viahull, transmisjonslinjer, spoler og kondensatorer som er aktuelle komponenter. Denne diplomoppgaven tar hovedsaklig for seg bølgeprober. Disse konstrueres i GaAs ved bruk av MMIC-teknologi. Ved å plassere en bølgeprobe i nærheten av en bølgeledene struktur(Som i denne oppgaven er en transmisjonslinje i metall to) vil det eletriske feltet(E-feltet) og magnetiske feltet(H-feltet) til den bølgeledene strukturen sette opp strømmer i bølgeproben. Direktivitet og effekt på utgangsportene er de viktigste faktorene for bølgeprobene. Direktivitet er differansen mellom de to utgangsportene. Oppgaven ser også på den direksjonelle kobleren som ble designet i prosjektoppgaven før jul. Denne benytter seg av samme teknologi og har en senterfrekvens på 5.8 GHz. Den direksjonelle kobleren har fire porter; èn inngangsport, èn isolert port og to utgangsporter. Signalet deles likt mellom de to utgangsportene, men det ene signalet er forskyvet $90^{circ}$ i forhold til det andre. For bølgeprobene er hovedfokuset å optimalisere de som allerede er produsert. Det er i alt åtte bølgeprober; en type som går inn i metall null og opp i metall èn(type1) og en type som går inn i metall èn og ned i metall null(type2). De har bredde på 10 um, 20 um, 50 um og 100 um. Optimaliseringen gir bølgeprobene mer gunstige signalverdier på utgangene. Spolene i den direksjonelle kobleren tas også for seg i denne oppgaven. Dette er for å se på kapasitiv kobling mellom spolesegmenter i en spole og på kobling mellom flere spoler. Resultatene brukes for beskrive hvordan spolene bør plasseres når det lages utlegg for blant annet en koblerkrets. Kondensatorene har ingen koblingseffekter som påvirker resten av kretsen, siden disse oppfører seg som idelle komponenter ved 5.8 GHz. De blir dermed ikke analysert. I instrumenteringsdelen blir det tatt for seg måling på laboratorium ved bruk av måleprobestasjon og VNA. Det blir også målt på de allerde produserte bølgeprobene for å kartlegge signalverdiene ved utgangene og for å sammenligne med de simulerte verdiene fra textit{Advanced Design System}(ADS). Det blir også målt på ulike spoler for å se på kapasitiv kobling i spoler og for å analysere kobling mellom spoler. Disse blir også sammenlignet med simulerte resultater fra ADS. Det viser seg at de målte og simulerte verdiene avviker litt fra hverandre. Dette kommer av unøyaktigheter i kalibreringen av måleprobene, og ulike parasittiske effekter knyttet til blant annet kanteffekter på paddene der måleprobene plasseres. De produserte bølgeprobene blir tatt for seg videre i metodedelen for optimalsering. Ved å justere posisjonen til bølgeproben i forhold til den bølgeledene strukturen finnes en posisjon som gir mest gunstige signalerverdier på utgangsportene til bølgeprobene. Det viser seg at det er best å plassere sløyfen til bølgeprobene nær kanten av den bølgeledene strukturen. Dette gjelder for alle de produserte bølgeprobene. Det viser seg også at type1-bølgeprobene jevnt over er de beste bølgeprobene. Disse legges derfor hovedvekt på videre i optimaliseringsprosessen. Resultatene fra simuleringene viser også at de smale bølgeprobene(10 um og 20 um) er de med best direktivitet, mens de brede bølgeprobene(50 um og 100 um) er de med mest gunstig effekt på utgangsportene. Det er ønskelig at effekten ligger opp mot -20dB på port tre på bølgeproben. Effekten på port fire bør være uendelig liten for å gi best mulig direktivitet. Videre er noen av bølgeprobene blitt optimalisert ved å forandre på sløyfebredden og ved å forkorte lederene, som forbinder bølgeprobens sløyfe med utgangsportene. Dette gir enda bedre resultat med tanke på direktivitet og effekt på utgangsportene for noen av bølgeprobene. De optimaliserte bølgeprobene er fullverdige for bruk i for eksempel ulike tilbakekoblingssystemer eller for å lage nøyaktige transistormodeller på en enkel måte.

Det stilles stadig strengere krav til effektforsterkeren i dagens radiosystem. Høyordens modulasjon krever lineære forsterkere, samtidig som kravene øker til forsterkerens effektivitet. For å imøtekomme disse kravene kan en ta i bruk forskjellige metoder for å kompensere de forskjellige ulinearitetene og øke effektiviteten. Spesiell fokus vil bli lagt på metoder som kan lett integreres sammen med effektforsterkeren i MMIC.

The purpose of this work has been to investigate the ultimate capacities of aluminium plates. The aluminium plates are supposed to be part of a marine structure. Their behaviour has been explored by taking advantage of non-linear finite element simulations. The loading conditions included axial compression, transverse compression, pure shear loading, axial compression in combination with transverse compression and axial compression in combination with shear loading.

Different patterns of heat affected zones have been studied with particular attention on conventionally welded plates and extruded, welded plates. The plates have been given realistic boundary conditions in addition to boundary conditions believed to represent the extremities in plate collapse behaviour. The initial deflection patterns chosen, were generally conservative, and the variations in collapse capacities for different initial deflection patterns have been investigated. The initial deflection amplitudes were systematically varied to cover all values of the initial deflection amplitudes likely to occur.

In addition to studying different patterns of the heat affected zones, systematic variations of the breadths of the heat affected zones have been performed. Systematic variations in the magnitudes of the residual stresses and systematic variations of the reductions of the 0.2 percent tensile proof stresses in the heat affected zones have also been carried out. Three different aluminium alloys were studied. They were believed to represent a high, medium and low utilised aluminium alloy. The aspect ratio of the plates was varied to cover both plates that were completely square to plates with a length equal to five times the breadth of the plates.

It was found that axially loaded plates with heat affected zones along loaded edges had lower ultimate capacities than plates with heat affected zones along unloaded edges, and if the plates had heat affected zones along loaded edges, having additional heat affected zones along unloaded edges did not alter the buckling capacities. The reduction in ultimate capacity could be modelled to vary linearly with the breadth of the heat affected zones, and the reduction in ultimate capacity could be modelled to vary linearly with the relationship between the value of the 0.2 percent tensile proof stress in the heat affected zones and the 0.2 percent tensile proof stress of the base material.

The ultimate capacities of transversally loaded plates could be found as the sum of a square plate and a plate strip, even if the plates contained heat affected zones. Square plates and plate strips with relevant patterns of heat affected zones had to be employed. Biaxial interaction curves showed a considerable slenderness dependence for all values of the aspect ratio investigated. The biaxial interaction curves were only slightly affected by introduction of different patterns of heat affected zones. The stress corresponding to equal elastic and plastic strain was better suited as the normalising stress than the more commonly used 0.2 percent tensile proof stress. One design curve could be used to represent all the different aluminium alloys investigated. Changing the aluminium alloy did not change the shape of the biaxial interaction curves.

Based on the detailed study of the collapse behaviour of aluminium plates carried out, and established practice, new ULS design formulas for axial compression, transverse compression, pure shear loading, axial compression in combination with transverse compression and axial compression in combination with shear loading were proposed. The new design formulas accounted for reductions in ultimate capacities due to heat affected zones, including heat affected zones along loaded edges. They took full advantage of non-linear residual strength for slender plates; and the slenderness dependence and aspect ratio dependence for biaxial interaction curves were systematically incorporated.

The present thesis deals with ultimate strength and collapse analysis of ship structures. Within this are, the attention is directed towards simple and efficient nonlinear finite element models for stiffened plate panels in ship structures. Several types of Morley elements are investigated and two are selected for further development. These triangular elements assume constant stress distribution over the element area.

The first element considered is a nonlinear facet shell element which is valid within moderate rotations. Its elastic formulation has been proposed earlier. In this work, the element matrices are extended to account for material plasticity. The second element, is a displacement-based curved element which undergoes arbitrary large displacements and rotations. The discrete equilibrium equations for this element are re-derived so as to make them more efficient with standard Newton-Raphson solution procedures.

Material plasticity formulation using through-the thickness integration as well as resultants plasticity is presented. The evolution laws are derived from the natural laws of thermodynamics, and a return mapping algorithm with a backward Euler difference scheme is used for a solution of the evolution equations. The plasticity computations involve a solution of a single scalar yield surface for the plasticity multiplier. By performing the matrix algebra analytically, simple and explicit expressions are derived. These equations reduce the computational costs remarkably.

Numerical examples, mostly selected from well-know benchmark problems, are presented to demonstrate the performance of the proposed formulations. Very good agreement is obtained when compared with published results. In addition, typical problems for ultimate strength and collapse analysis of ship hull-girder are analyzed. These include plate girders, stiffened plate panels, as well as a cruciform element. The results show good agreement not only with those obtained from commercial finite element programs, but also from the experimental observations. For stiffened plate panels, comparison is made with DNV design rules, which is found to give non-conservative estimates for some load conditions.

Finally, a study on multi-span stiffened panels is performed so as to compare the estimates provided by the conventional single span model. It is observed that the conventional model provides conservative estimates, and the effect of transverse frames is especially significant on the finite element model of stiffened panels.

This study is centered on assessment of the fatigue strength of titanium fusion welds for deep-water riser’s applications. Deep-water risers are subjected to significant fatigue loading.

Relevant fatigue data for titanium fusion welds are very scarce. Hence there is a need for fatigue data and life prediction models for such weldments.

The study has covered three topics: Fatigue testing, Fractography and defect assessment, and Fracture Mechanics modelling of fatigue crack growth.

Two series of welded grade of titanium consisting of 14 specimens in each series were fatigue tested under constant amplitude loading. Prior to fatigue testing, strain gauge measurements of some specimens was conducted to enable the definition of stress range in the fatigue assessment procedure. The results were compared with finite solid element analysis and related to fatigue stresses in a riser pipe wall.

Distribution and geometry of internal and surface defects both in the aswelded and in the post-welded machined conditions were assessed using fractography. This served as a tool to determine the fatigue initiation point in the welds.

Fracture mechanics was applied to model fatigue strength of titanium welds with initiation from weld defects. Two different stress intensity factor formulations for embedded eccentrically placed cracks were used for analysis of elliptical cracks with the major axis parallel and close to one of the free surface. The methods were combined to give a satisfactory model for crack growth analysis.

The model analyses crack growth of elliptical and semi-elliptical cracks in two directions, with updating of the crack geometry. Fatigue strength assessment was conducted using two crack growth models, the Paris-Erdogan relation with no threshold and the Donahue et al. relation with an implied threshold.

The model was validated against experimental data, with a discussion on the choice of crack growth model.

The contributions of this thesis fall naturally into two main categories: Part I: Feedback control of fluid flows, and; Part II: Modelling and control of marine structures.

Main Con tributions of Part I

Part I presents new results on stabilization (for the purpose of drag reduction or vortex shedding suppression) and destabilization (for the purpose of mixing) of channel, pipe and cylinder flows. In order to provide a stand-alone reference on this topic, the thesis also contains a comprehensive review of the research carried out in this field over the last decade or so, along with introductory chapters on fluid mechanics and control theory. The review also serves the purpose of placing the contributions by the author into the wider context of the field. The contributions by the author are the following:

Section 4.3.1: A new boundary feedback control law for stabilization of the parabolic equilibrium flow in 2D channel flow is derived using Lyapunov stability theory. The controller uses pressure measurements taken on the channel wall, and applies actuation in the form of wall transpiration, that is, suction and blowing of fluid across the wall. Although the analysis is valid for small Reynolds numbers, only, simulations indicate that the control is very effcient in stabilizing the flow at Reynolds numbers several orders of magnitude higher. The pressure-based control law performed much better than other Lyapunov-based control laws studied.

Section 4.3.3: The simple pressure-based control law derived in Section 4.3.1 is generalized to the 3D pipe flow. As for the 2D channel flow, the analysis is valid for small Reynolds numbers, only.

Section 4.3.4: The pressure-based feedback control law derived in Section 4.3.1 for the 2D channel flow results in flow transients with instantaneous drag far lower than that of the corresponding laminar flow. In fact, for the first time, instantaneous total drag in a constant-mass- flow 2D channel flow is driven to negative levels. The physical mechanisms by which this phenomenon occur is explained, and the possibility of achieving sustained drag reductions to below the laminar level by initiating such low-drag transients on a periodic basis is explored. The results add to the evidence that the laminar ow represents a fundamental limit to the drag reduction achievable by wall transpiration.

Section 4.4: A state feedback controller that achieves global asymptotic stabilization of a nonlinear Ginzburg-Landau model of vortex shedding from bluff bodies is designed using backstepping. Stabilization is obtained in two steps. First, the upstream and downstream parts of the system are shown to exhibit the inputto- state stability property with respect to certain boundary input terms governed by the core flow in the vicinity of the bluff body. Second, a finite difference approximation of arbitrary order of the core flow is stabilized using the backstepping method. Consequently, all the states in the core flow are driven to zero, including the boundary input terms of the upstream and downstream subsystems. The control design is valid for any Reynolds number, and simulations demonstrate its performance.

Section 5.2: For thefirst time, active feedback control is used to enhance mixing by exploiting the natural tendency in the flow to mix. By applying the pressurebased feedback control law derived for stabilizing the 2D channel flow in Section 4.3.1, with the sign of the input reversed, enhanced instability of the parabolic equilibrium flow is obtained, which leads rapidly to highly complex flow patterns. The mixing enhancement is quantified using various diagnostic tools.

Section 5.3: A Lyapunov based boundary feedback controller for achieving mixing in a 3D pipe flow governed by the Navier-Stokes equation is designed. It is shown that the control law maximizes a measure of mixing that incorporates stretching and folding of material elemen ts, while at the same time minim izing the control effort and the sensing effort. The penalty on sensing results in a static output- feedback control law (rather than full-state feedback). A lower bound on the gain from the control effort to the mixing measure is also deriv ed. For the openloop system, input/output-to-state stability properties are established, which show a form of detectability of mixing in the interior of the pipe from the chosen outputs on the wall. The effectiveness of the optimal control in achieving mixing enhancement is demonstrated in numerical sim ulations. Simulation results also show that the spatial changes in the control velocity are smooth and small, promising that a low number of actuators will suffice in practice.

Section 5.4: Motivated by the mixing results for channels and pipes in Sections 5.2 and 5.3, a simulation study that investigates the feasibility of enhancing particle dispersion in the wake of a circular cylinder is carried out. For a subcritical case, vortex shedding is successfully provoked using feedback.

Main Contributions of Part II

Part II deals with modelling and control of slender marine structures and marine vessels.

Chapter 8: A new finite element model for a cable suspended in water is developed. Global existence and uniqueness of solutions of the truncated system is shown for a slightly simplified equation describing the motion of a cable with negligible added mass and supported by fixed end-points. Based on this, along with well known results on local existence and uniqueness of solutions for symmetrizable hyperbolic systems, a global result for the initial-boundary value problem is conjectured. The FEM model for the cable is assembled to give a model of a multi-cable mooring system, whic h, in turn, is coupled to a rigid body model of the floating vessel. The result is a coupled dynamical model of a moored v essel, which can be applied to applications such as turret-based moored ships, or tension leg platforms. As a simple application of the sim ulator, controlling the line tensions dynamically as an additional means of station keeping is explored.

Chapter 9: Output feedback tracking control laws for a class of Euler-Lagrange systems subject to nonlinear dissipative loads are designed. By imposing a monotone damping condition on the nonlinearities of the unmeasured states, the common restriction that the nonlinearities be globally Lipschitz is removed. The proposed observer-controller scheme renders the origin of the error dynamics uniformly globally asymptotically stable, in the general case. Under certain additional assumptions, the result continue to hold for a simplified control law that is less sensitive to noise and unmodeled phenomena.