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Hourly Price Forward Curves für Strommärkte
Get PDFIn dieser Arbeit betrachten wir die Konstruktion von Hourly Price Forward Curves (HPFC) für Strompreise. HPFC dienen als Grundlage für viele Energieunternehmen, um den Preis der Stromlieferung auf stündlicher Basis zu ermitteln. HPFC kombinieren Informationen von historischen Spot-Preisen und exogenen Variablen mit Informationen von aktuell verfügbaren Futures-Kontrakten zur Konstruktion einer
Kurve, die einen Preis für Strom mit Lieferung an einem gewissen Punkt in der Zukunft liefert. Zu Beginn der Arbeit vergleichen wir drei unterschiedliche Konstruktionsmöglichkeiten. Zwei Methoden stammen aus der Fachliteratur. Eine weitere, neuartigere Methode basiert auf dem gemeinsamen Optimierungsansatz der
Saisonalität als auch der Anpassung an Futures-Preisen. Ein derartiger Vergleich von unterschiedlichen Methoden ist derzeit nicht in der Literatur vorhanden. Durch den Vergleich erhalten wir einen besseren Einblick in die Vor- und Nachteile der einzelnen Methoden. Diese Vor- und Nachteile sind schwer zu erkennen, betrachtet man nur ein Modell, welches man als Standardmodell der Literatur ansieht.
Dieses Kapitel soll als Überblick und Ausgangspunkt der weitern Forschung dienen.
Wir erstellen kein abschließendes Ranking, da jedes Modell seine individuellen Stärken und Schwächen besitzt. Nach den Analysen der einzelnen Modelle zeigen wir vielmehr, wie man die jeweiligen Stärken extrahiert und zu einem einzigen Modell kombiniert.
Im zweiten Teil der Arbeit betrachten wir die Adjustierungsmöglichkeiten der Kurve, bzw. wie wir die HPFC an beobachtete Futures-Preise anpassen können.
Wir starten mit der Konstruktion einer ganzen Reihe von Price Forward Curves (PFCs) basierend auf den Daten eines Jahres, wobei wir die Saisonalität konstant halten. Durch das Beobachten der Kurvenveränderungen mit der Zeit kommen wir zu
neuen Einsichten hinsichtlich der natürlichen Merkmale der Einstellfunktion. UnserInteresse liegt darin zu erfahren, was passiert, wenn sich der Preis eines bestimmten Produktes ändert oder wenn ein Produkt in mehrere Produkte mit kürzeren Lieferperioden
kaskadiert. Zu diesem Zweck untersuchen wir den Zusammenhang zwischen der PFC und dem individuellen Futures-Produkt. Wir beobachten, dass ein linearer Zusammenhang besteht, wenn die Anzahl der Produkte konstant bleibt. Wir können daher leicht die Wirkung einer Veränderung eines jeden Future-Produkts
auf die Kurve untersuchen, da Linearität bedeutet, dass dieser Effekt unabhängig vom aktuellen Preisniveau der beobachteten Produkte ist. Des Weiteren können wir erkennen, dass für Modelle, bei denen die Anzahl der Parameter von der Anzahl der beobachteten Futures-Produkten abhängt, eine theoretische Arbitrage-Chance
besteht, wenn neue Produkte in den Markt eingebracht werden. Durch die Untersuchung der Änderung von PFCs, falls sich die Future-Preise ändern, erhalten wir neue Informationen, die man durch isolierte Betrachtung der PFC nicht beobachten kann. Solch eine Analyse der PFC in Bezug auf Futures ist bisher nicht unternommen worden. Benth and Paraschiv, 2017 führt eine ähnliche Analyse durch, wobei
Sie eine Menge an konstruierter HPFCs über einen längeren Zeitraum analysieren.
Allerdings betrachten Sie nicht den Zusammenhang zwischen den Futures und den resultierenden Kurven. Stattdessen betrachten Sie die resultierenden Kurven als Random Field und führen statistische Untersuchungen an diesem durch. Später passen Sie ein räumlich-zeitliche dynamisches Modell an diesen Datensatz an.
Im letzten Teil der Arbeit konstruieren wir ein stochastisches Modell für die PFC, welches konsistent mit einer PFC ist, die linear von Futures-Preis abhängt. Die meisten Studien über stochastische Modellierung von Futures-Produkten betrachten nur Produkte mit festgelegten Lieferlängen. Dies steht allerdings nicht im Einklang mit unserer Vorgehensweise. Wenn wir die Verteilung eines vierteljährigen Produktes betrachten wollen, ist es eventuell notwendig, die Summe der drei dazugehörigen monatlichen Produkte zu betrachten. Wir schlagen ein Modell vor, in dem wir die Futures-Preise durch einen Ornstein-Uhlenbeck-Prozess modellieren, bei der die
Verteilung aller dazugehörigen Produkte konsistent ist und zu der wir die PFC konstruieren können. Der Hauptbeitrag in diesem Abschnitt bestehet darin, zu untersuchen, wie sich die Parameter der verschiedenen Prozesse zueinander, zur Saisonalität und zur Anpassungsfunktion verhalten. Ein derartiges Framework, dass aus
einem stochastischen Modell für Future-Produkte besteht, welches sich im Einklang zur PFC befindet, wurde nach unserem Stand der Dinge bisher nicht in der Literatur behandelt. Benth and Paraschiv, 2017 tuen etwas ähnliches, wenn Sie in Ihrer Arbeit das räumlich-zeitlich dynamische Modell an Ihre HPFCs anpassen. Der Unterschied
besteht aber darin, dass Ihr Modell direkt an Daten angepasst ist, während unser Modell eine Transformation des Modells für Futures-Preise beinhaltet, welches die lineare Beziehung ausnutzt.This thesis is about the construction of the hourly price forward curve (HPFC) for electricity prices. The HPFC is the basis for many valuation problems energy companies face, as it determines the price they can take for the delivery of electricity on an hourly level. The HPFC combines the information from historical spot prices as well as other exogenous variables and the information of the currently observed
Futures products to construct a curve giving a price for electricity with delivery at some point in the future. We start the thesis with a comparison of three different methods for the construction of the HPFC, two methods from the literature and one novel method based on a joint optimization approach of both the seasonality pattern
and the fitting to the observed Futures prices. This section is meant as a review section and as the starting point of our further research. Such a comparison between different methods is not currently present in the literature. By comparing the different methods we get a greater insight in the pros and cons of the different methods. These pros and cons are hard to observe while one only consider a single model,
which seems to be the standard from the literature. We do not conclude which of the methods we compare is the best, as they all have their individual strengths and weaknesses. By understanding the individual models we show how we can extract the strengths from each model combining these strengths in one model.
In the second part of the thesis we study the adjustment part of the curve, or how we fit the HPFC to the observed Futures prices. We start by constructing a set of price forward curves (PFCs) for 2015 fitted to Futures prices observed in 2014, resulting in 252 individual curves. We keep the seasonality curve constant for each set of PFCs.
By observing how these curves change in time, we get new insights on what are natural traits of the adjustment function. We are mainly interested in what happens when the price of a certain product is changing, and what happens when a product is cascaded into several products with shorter delivery periods. We therefore investigate
the relationship between the PFC and the individual Futures products and observe this relationship is linear when the number of products remain constant. We can therefore easily investigate the effect a change in each Futures product has on the curve, as the linearity means that this effect is independent of the current price level
of the observed products. We also observe that in models where the number of parameters are dependent on the number of observed Futures products, there exists a theoretical arbitrage opportunity when new products are included in the market. By investigating how the PFCs change when the Futures prices change, we get new
information, which can not be observed when only considering one PFC. Such an analysis of the derivative of the PFC with respect to the Futures prices is currently not present in the literature. Benth and Paraschiv, 2017 do a similar analysis where they analyze a set of constructed HPFCs for a longer time period, but they do not
consider the relationship between the Futures and the resulting HPFCs, they consider the resulting curves as a random field and make a statistical analysis of this random field. They later fit a spatio-temporal dynamical model to this data set. In the last part of our thesis we construct a stochastic model for the PFC which is
consistent with a PFC that is linear with respect to the Futures prices. Most studies on stochastic modeling of Futures products only take into account products with set delivery lengths, but this will not be in accordance to how we price our PFC. If one wants to look at the distribution of a quarterly product, one might in the future need
to consider the sum of three monthly products, while today one can only trade in the quarterly product. We propose a framework where we model the Futures prices by an Ornstein-Uhlenbeck process, where the distributions of all such products are consistent to each other and to how we construct our PFC. The main contributions in this section consist of how the parameters of the different processes compare toeach other, to the seasonality curve and to the adjustment function. Such a framework, where we construct a stochastic model for the different Futures products that is consistent to with respect to how we construct the PFC is to our knowledge not existing in the literature. Benth and Paraschiv, 2017 do something similar when they
fit their spatio-temporal dynamical model to their set of HPFCs, but the difference is that where they fit the model directly to the data. Our model is a transformation of the model for the Futures prices that preserves the linear relationship between the PFC and the observed Futures prices, which we studied in the previous section
Attachment under current – biofilm formation by electroactive bacteria
Get PDFBioelectrochemical systems (BES) are hybrid systems using electroactive bacteria and electrochemical techniques. Solid electrodes serve as electron donor for or acceptor from microorganisms for the production of current and/or the generation of valuable substances.
Research conducted on BES in this thesis ranged from fundamental investigations on microbial attachment to electrodes to the development of electrode materials for advanced reactor concepts.
The first part of this theses was the biochemical analysis of the extracellular polymeric substances (EPS) secreted by G. sulfurreducens under electroactive conditions. G. sulfurreducens was cultivated in MFC-mode on graphite based electrodes polarized to +400 mV vs. Ag/AgCl for 8 d. A maximum current density of 172 ± 29 μA cm-2 was reached after 7 d. Routine methods for the biofilm harvest and the EPS processing were established. Electroactive cultures secreted significantly more EPS compared to cells grown under standard heterotrophic conditions (fumarate respiration). With 116 pg cell-1, the highest amount of EPS was measured for the soluble EPS fraction of G. sulfurreducens using anode respiration, followed by the tightly bound (18 pg cell-1) and loosely bound (11 pg cell-1) fractions of the EPS. Proteins were found to dominate all EPS fractions of the biofilms grown under electrochemical conditions.
The second part was the development of a membrane separated flow cell for the simultaneous electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and confocal laser scanning microscopy (CLSM) [Stöckl et al. 2016]. A flow cell made from PEEK was constructed, using a transparent indium tin oxide electrode as working electrode. A fluorescent S. oneidensis was cultivated under MFC conditions. A decrease of the charge transfer (RCT) from 292 kΩ to 120 kΩ was observed with an increased current of 0.52 μA cm-2 after 17 h of operation. The
CLSM images revealed an increasing cell number of S. oneidensis on the WE electrode to a monolayer with 26 cells 100 μm-2 after 17 h under MFC conditions.
As final part a straight forward approach to synthesize magnetic electrode particles allowing the artificial fixation of electroactive bacteria was developed [Stöckl, et al. 2016, DE102014112685A, Frankfurt, Germany]. The microwave assisted synthesis of magnetite was applied for the production of the magnetic electrode particles with activated carbon (PMAG/AC). The surface area is around 300 m2 g-1 and the particle size ranges between 20 and 200 μm. Resting cells of S. oneidensis attached to a maximum concentration of 8 · 10^10 ± 3 · 10^9 resting cells g-1 PMAG/AC. Electrochemical examination revealed that magnetically immobilized PMAG/AC showed a capacitive current response during cyclic voltammetry. Linear sweep voltammetry indicated that particles were stable down to a potential of –680 mV vs.
Ag/AgCl
Die Wirksamkeit von Tai Chi Chuan verglichen mit Usual Care bei chronischen unspezifischen Nackenschmerzen - eine randomisierte kontrollierte Studie mit qualitativen Interviews-
Get PDFChronische unspezifische Nackenschmerzen sind häufig und betreffen durchschnittlich um die 26% der Bevölkerung jedes Jahr. In der vorliegenden Arbeit wurde die Wirksamkeit von Tai Chi Chuan bei 38 Patienten mit chronischen unspezifischen Nackenschmerzen im Vergleich zu einer Usual Care-Gruppe (n=39) untersucht. Die vornehmlich weiblichen Patienten der Tai Chi Chuan-Gruppe erhielten über 12 Wochen eine Trainingseinheit von 75 bis 90 Minuten pro Woche und übten zusätzlich eigenständig zu Hause.
Mittels Fragebögen und individuellem Tagebuch wurde der primäre Zielparameter Schmerzintensität und die sekundären Zielparameter Schmerzen bei Bewegung, Beeinträchtigung durch den Schmerz, Lebensqualität, psychisches- und allgemeines Wohlbefinden, Stress, Haltungsbewusstsein, Zufriedenheit mit der Intervention und Sicherheit erfasst. Ergänzend wurden von den Patienten nach der Intervention Zeichnungen zur Wahrnehmung ihres Nackens erstellt und qualitative Interviews dazu geführt, um individuelle Wirkungen zu berücksichtigen.
Nach dem Kurs hatten die Teilnehmer der Tai Chi Chuan-Gruppe signifikant weniger Schmerzen als die Usual Care-Gruppe (Gruppendifferenz in mm auf der visuellen Analogskala (VAS): -10,5; 95% Konfidenzintervall -20,3; -0,9; P= 0,033). Weitere signifikante Unterschiede fanden sich in den Bereichen Schmerz bei Bewegung, Beeinträchtigung, Lebensqualität und teilweise in der Haltung. Keine Unterschiede fanden sich hingegen im psychischen Wohlbefinden (innere Ruhe, Angst, Depression und Stress) und dem Körperbewusstsein.
Sowohl in den qualitativen Interviews als auch in vorhergehenden Studien zu Tai Chi Chuan zeigen sich zusätzliche Effekte im Bereich des psychischen Wohlbefindens. Es stellt sich unter anderem die Frage nach der Dosis-Wirkungs-Beziehung von Tai Chi Chuan sowie dem nötigen Erfahrungsgrad des Praktizierenden.
Insgesamt erwies sich Tai Chi Chuan im Vergleich zu Usual Care als effektive Behandlungsoption bei Patienten mit chronischen unspezifischen Nackenschmerzen. Die Patienten waren durchweg zufrieden mit der Intervention und es wurden nur wenige leichte unerwünschte Ereignisse berichtet. Tai Chi Chuan kann daher als sinnvolle Alternative konventioneller Nackenübungen betrachtet werden. Weitere Studien sollten unter anderem zur Bestätigung der Befunde und zur Erforschung bislang unbekannter Aspekte wie der Dosis-Wirkungs-Beziehung durchgeführt werden
Cognitive performance changes in chronic kidney disease patients related to cardiovascular risc factors and diseases over a 2-year-follow-up
Get PDFEinleitung. Viele Patienten mit einer chronischen Nierenerkrankung (CKD) weisen kognitive Defizite und gleichzeitig kardiovaskuläre Risikofaktoren und Erkrankungen auf. Wie sich die kognitive Leistung bei CKD-Patienten im zeitlichen Verlauf ändert und welche Rolle dabei kardiovaskuläre Risikofaktoren und Erkrankungen spielen, ist bislang unklar.
Methode. In unserer Studie wurden 120 Probanden (73 Patienten mit CKD, Stadium 3-5D, Alter 64,3 ± 13,6 Jahre und 47 Kontrollpatienten mit vergleichbaren kardiovaskulären Risikofaktoren und Erkrankungen, Alter 62,6 ± 10,2 Jahre) im Rahmen der Studie „New Tools for the Prevention of Cardiovascular Disease in Chronic Kidney Disease“ (NTCVD) bei Baseline und nach 2 Jahren untersucht. Die Nierenfunktion wurde anhand von eGFR beurteilt. Die neuropsychologische Untersuchung bestand aus zehn Tests, die fünf kognitive Bereiche erfassten.
Ergebnisse. Die Nierenfunktion, kardiovaskuläre Risikofaktoren und Erkrankungen sowie kognitive Leistungen blieben innerhalb von 2 Jahren in den beiden Patientengruppen sehr stabil. Der Summenwert für globale kognitive Leistung veränderte sich von Baseline (BL) zum Follow-up (FU) in den beiden Patientengruppen nahezu nicht (z = -0,63 ± 0,76 bei BL vs. z = -0,54 ± 0,79 bei FU, p = 0,113 für CKD-Patienten; z = -0,01 ± 0,59 bei BL vs. z = 0,01 ± 0,70 bei FU, p = 0,862 für Kontrollpatienten). Es gab eine signifikante Verbesserung im kognitiven Bereich „Sprache“ bei CKD-Patienten (z = -0,61 ± 0,85 bei BL vs. z = 0,41 ± 0,94 bei FU, p = 0,008). Das Gesamtcholesterin verringerte sich in den beiden Patientengruppen innerhalb des Untersuchungszeitraums signifikant, die Intima-Media-Dicke nahm in der CKD-Gruppe signifikant ab. Die wichtigsten Prädiktoren für eine Verschlechterung bzw. geringere Verbesserung der globalen kognitiven Leistung in multivariablen Regressionsanalysen waren hohes Alter und hohe kognitive Leistung zum Zeitpunkt der Baseline.
Diskussion. In der NTCVD-Kohorte, die engmaschig untersucht und optimal behandelt wurde, trat keine kognitive Verschlechterung innerhalb von 2 Jahren auf. Unsere Daten betonten die Bedeutung der Auswahl einer geeigneten Kontrollgruppe mit kardiovaskulären Risikofaktoren. Außerdem erlaubten unsere Ergebnisse anzunehmen, dass bei einer optimalen medizinischen Behandlung von CKD-Patienten eine kognitive Verschlechterung im Erkrankungsverlauf vermieden werden könnte
Sensitivität und Spezifität des Screening-Messgerätes ApneaLink® im Vergleich zur Polysomnographie bei gesunden Kindern mit V.a. schlafbezogene Atmungsstörungen und Kindern bzw. Jugendlichen mit chronischen Erkrankungen welche mit einer erhöhten Inzidenz von schlafbezogenen Atmungsstörungen einhergehen
No full textZusammenfassung
Ziel: Das Ziel dieser Studie ist die Untersuchung der Sensitivität und Spezifität des ambulanten Screeninggeräts Apnea Link® im Vergleich zur Polysomnographie bei gesunden Kindern mit V.a. schlafbezogenen Atmungsstörungen und Kindern bzw. Jugendlichen mit chronischen Erkrankungen, welche mit einer erhöhten Inzidenz von schlafbezogenen Atmungsstörungen einhergehen.
Methoden: Apnea Link® ist ein tragbares ambulantes Screeninggerät, um Apnoen, Hypopnoen und Sauerstoff-Desaturationen während der Schlafzeit zu diagnostizieren. Seine Validierung bei Kindern ist Ziel dieser Studie, wohingegen dies mit einem vergleichbaren Gerät bei Erwachsenen bereits erfolgt ist Die Polysomnographie ist der diagnostische Goldstandard zur Auffindung schlafbezogener Atmungsstörungen bei Kindern und Erwachsenen. Während des gesamten Nachtschlafes der 60 geprüften Kinder und Jugendlichen, zwischen 0 und 22 Jahren, führten wir eine parallele Messung von Polysomnographie und Apnea Link durch. Die untersuchten Parameter waren: Gesamtschlafzeit, Apnea-Hypopnoe-Index, durchschnittliche O2-Sättigung (SaO2),minimale SaO2, Schlafzeit mit SaO2 weniger als 90%.
Ergebnisse: Diese Studie inkludiert 60 Patienten, 17 Mädchen und 43 Jungen, gesund oder mit chronischer Erkrankung, mit V.a. schlafbezogene Atmungsstörungen. Die Durchführung der Polysomnographie definiert bei 28 Patienten (47 %) die Diagnose OSA. In den ApneaLink® Messungen zeigten sich 29 Patienten als positiv und 31 als negativ klassifiziert. Die weitere Analyse des ambulanten Screeninggerätes ergab eine Sensitivität und Spezifität von 82 % und 84 %, mit einem negativen und positiven prädiktiven Wert von 84 % und 82 %. Die ApneaLink® Ergebnisse bezogen auf die Spezifität in der Gruppe von Kindern unter 10 Jahren (Spezifität 72 %) sind deutlich schlechter als in den anderen Gruppen, welche ältere Kinder und jugendliche Patienten einschliessen.
Zusammenfassung: Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass ein ambulantes Gerät wie ApneaLink® allein als Screeninginstrument unzureichend ist, um OSA bei Kindern unter einem Alter von 10 Jahren zu entdecken. Andere Screeningmethoden müssen daher in naher Zukunft noch identifiziert werden.Abstract
Purpose: The purpose of this study is to objectify the sensitivity and specificity of the ambulant screening device ApneaLink® in comparison to polysomnography in children with chronic diseases which are correlating with sleep disordered breathing, and healthy children with suspicion upon sleep disordered breathing.
Methods: ApneaLink® is a portable ambulant screening device to diagnose apneas, hypopneas and oxygen desaturations during sleeping time. Its validation in children is issue of this study whereas the same in grown ups is already done. Polysomnography is the diagnostic goldstandard in finding sleep disordered breathing during sleep in children and grown ups. During the hole night sleep of the 60 tested (reviewed) children, between 0 and 22 years, we accomplished a parallel measurement with polysomnography and ApneaLink® on them. The parameters which were investigated: hole sleeping time, apnea-hypopnea-index, average O2 saturation (SaO2), minimal SaO2, sleepingtime with SaO2 under 90%.
Results: This study included 60 patients, 17 girls and 43 boys, which where healthy or with chronical disease, with suspicion of having sleep disordered breathing. Polysomnography results determined 28 patients (47%) with a diagnosis of OSA. ApneaLink® results classified 29 patients as positive and 31 as negative. Further analysis of the positive and negative ambulant screening device results showed a sensitivity and specificity of 82 % and 84 %, with a negative and positive predictive value of 84% and 82%, respectively. Parts of the ApneaLink® results in the group of children under 10 years (specifity 72 %) were quite poorer than in the other groups, which included older children and adolescent patients.
Conclusions: These results suggest that an ambulant device like ApneaLink® alone is insufficient as a screeningtool to detect OSA in children under an age of 10. Other screening methods need to be identified in the near future.
Keywords: ApneaLink®, ambulant screening device, sleep disordered breathing, polysomnography, validatio
Laminat-Basierte Integrationsplattformen für Millimeterwellen-RoF-Photodioden-Module
Get PDFThis thesis investigates the potential offered by cost-effective printed circuit technology (PCT) for the packaging of mm-wave photodiode (PD) modules, as an alternative to the commonly used integration approaches based on thin/ thick-films or co-fired ceramics.
We will therefore analyze the limitations imposed by this technology, focusing on the loss mechanisms and the theoretical frequency limits due to the material properties of the laminates and the RF circuitry concepts, as well as limitations imposed by the resolution and tolerances achievable in the printed circuit board (PCB) manufacturing processes.
For the RF circuitry design, we will investigate characteristics and performances of traditional planar transmission lines (PTL), in particular microstrips and grounded coplanar waveguides (GCPW), and innovative substrate integrated waveguides (SIW).
We will show that via holes play a fundamental role in the RF circuitry design, as they ultimately decide the highest possible frequency, independently of other parameters like conductor and dielectric loss, or etching inaccuracies. In fact, it is found that they are vital to guarantee a correct functioning of both GCPW and SIW, by avoiding board resonances and interferences between different lines. We will show that the current PCB via-hole technology allows the development of circuits working up to at least the upper limit of the W-band.
As conventional microstrips are subject to higher radiation in the mm-wave region, GCPWs will be preferred for practical applications, also by virtue of their other practical advantages, such as easily accessible ground planes, increased design freedom, and extended impedance range.
We will thus introduce the first concept of mm-wave PD modules with rectangular waveguide (WR) output for E-band Radio-over-Fiber (RoF) applications based on PCT integration boards.
A particular feature of the proposed integration approach, is that a photonic transmitter can conveniently be assembled without any mechanical modifications of the WR, using standard off-the-shelf WR components, therefore simplifying the assembly process and reducing the cost of the module.
We will also show that the availability of laminates with low moisture absorption as dielectric carrier furthermore opens up the possibility to develop quasi-hermetic packages without the need of dedicated radomes to seal the WR opening. The developed PD module will be used in mm-wave RoF demonstrators in order to prove the suitability of our approach for the development of commercial communication systems: We will be able to show a successful, error-free, 1-Gb/s, wireless connectivity in the 70-GHz communication band, with a power penalty limited to 1.5 dB. We will also present several additional prototypes, which include dedicated, on-board, biasing circuits, to allow integration of in-house-developed PDs and commercial amplifiers, and other solutions to reduce the loss of the signal power.
In order to overcome the shortcomings of microstrips and GCPWs, such as unwanted radiation and increased power dissipation due to high current densities, we will then introduce for the first time the PCB SIW in the packaging of mm-wave photonic transmitters.
The properties and advantages of this innovative transmission line in terms of low loss and high integration will be investigated and assessed, showing that its unique configuration allows a superior control of radiation and interferences, and drastically reduces losses. This suggests its use in all mm-wave systems where long on-board interconnects are required.
A new integration approach for the development of quasi-hermetic PD modules with in-package antennas based on PCB SIW will thus be presented, focusing in particular on non-directive data distribution systems. It will be shown that compact, low-loss, and quasi-hermetic packaging solutions can conveniently be designed making use of the PCB SIW.
We will furthermore introduce innovative GCPW-to-SIW transitions necessary for the integration of PDs on SIW platforms. Theoretically predicted performances will be compared with experimentally determined performances for a specifically optimized 60-GHz band GCPW-to-SIW transition. Also, the design and optimization of mm-wave antennas for indoor 60 GHz RoF systems will be presented, testing their performance against PCB manufacture inaccuracies. Finally, we will show an example of a fully characterized integration platform for PD modules, confirming the suitability of PCB SIW for the development of future, low-loss, and cost-effective photonic RoF transmitters.Diese Arbeit untersucht das Potenzial kostengünstige Leiterplattentechnik (PCT) für das Packaging von Millimeter-Wellen-Photodioden (PD) als Alternative zu den üblicherweise verwendeten Dünn-/ Dickschicht-Substraten oder co-fired Keramiken einzusetzen.
Zunächst werden die physikalischen Grenzen dieser PCT-Technologie hinsichtlich eines Einsatzes bei höchsten Frequenzen untersucht. Die materialbedingten Verlustwinkel im Millimeter-Wellen-Bereich aber auch Abstrahlverluste im Zusammenhang mit verschiedenen planaren Schaltungs¬konzepten werden sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht. Zum Einsatz kommen hierbei neben konventionellen planaren Übertragungsleitungen (PTL), wie Mikrostreifen und Grounded-Coplanar-Waveguides (GCPW), auch innovative Substrat-Integrierte-Wellenleiter (SIW).
Weiterhin wird der Einfluss prozessbedingter Parameter, wie die minimal erreichbare Strukturgröße sowie Fertigungs¬toleranzen, auf das Hochfrequenzverhalten analysiert. Die Arbeit wird zeigen, dass Durchkontaktierungen (engl. Via Holes) eine fundamentale Rolle spielen. Unabhängig von anderen Einflussgrößen wie den dielektrischen Verlusten, den Abstrahlverlusten oder Fertigungstoleranzen begrenzt die minimal erreichbare Strukturgröße der Vias das Hochfrequenz¬verhalten der PCT-Technologie. Es wird theoretisch und experimentell nachgewiesen, dass die Vias für GCPW und SIW auf PCT-Technologie erforderlich sind, um geringe Ausbreitungsverluste zu gewährleisten, sowie um Resonanzen im Übertragungsverhalten und elektrischen Überkoppeln zwischen benachbarten Leitungen zu unterdrücken. Die Arbeit zeigt, dass die aktuelle PCB-Technologie die Entwicklung von planaren Hochfrequenz-Schaltungen erlaubt, die bis zur oberen Grenze des W-Bands (ca. 110 GHz) anwendbar sind.
Da Mikrostreifenleitungen bekanntermaßen erhöhte Abstrahlverluste im Millimeterwellen-Bereich aufweisen, werden für technologische Realisierungen GCPWs vorgezogen. GCPW bieten gegenüber Mikrostreifenleitungen auch weitere Vorteile, wie leicht zugängliche Erdungsebenen, eine erhöhte Gestaltungsfreiheit und einen deutlich erweiterten Abstimmbereich der Leitungs-Impedanz.
Basierend auf der PCT-Technologie und einer planaren GCPW-Schaltung wird im Folgenden ein neuartiger Ansatz für die Anbindung von hochfrequenten InP-basierten Photodioden-Chips an einen Rechteckhohlleiter entwickelt. Ein besonderes Merkmal des in dieser Arbeit vorgeschlagenen Integrationsansatzes besteht darin, dass sich das Photodioden-Modul ohne eine mechanische Modifikation des Hohlleiters realisieren lässt, was hinsichtlich Montageprozess und -kosten einen deutlichen Vorteil darstellt. Die Arbeit zeigt auch, dass die Verwendung von Laminaten mit geringer Feuchtigkeitsaufnahme weiterhin die Möglichkeit eröffnet, quasi-hermetische Module ohne die sonst erforderlichen Radome zu realisieren. Da eine wesentliche Anwendung für solche hochfrequenten Photodioden-Module im Bereich der Funkkommunikation und speziell für die Entwicklung von Punkt-zu-Punkt-Funkverbindungen im E-Band (60-90 GHz) liegt, konzentriert sich diese Arbeit auf die Entwicklung einer PCT-Integrationstechnologie für E-Band-Photodioden-Module mit WR-12 Hohlleiter.
Die Arbeit beschreibt das Design und die Herstellung der GCPW-PCT-Schaltung. Die theoretisch simulierten Streuparameter der GCPW-PCT-Schaltung werden mit experimentellen Werten verglichen, bevor im Anschluss näher auf die erfolgreiche technologische Realisierung eines Prototyp-Photodioden-Moduls mit WR-12-Hohlleiterausgang eingegangen wird. Die Funktionalität des entwickelten PD-Moduls wird durch Einsatz in einer 70-GHz-Funkstrecke nachgewiesen. Es gelingt die Funkübertragung eines 1-Gbit/s-Datensignals im regulierten 70-GHz-Frequenzbereich (71-76 GHz).
Die Arbeit zeigt im Anschluss weitere Prototypen, welche die Integration von hausintern entwickelten Photodioden und kommerziellen RF-Verstärkern erlauben, sowie Lösungen zur Reduzierung des Signalleistungsverlusts.
Obwohl die verwendeten GCPW im Vergleich zu Mikrostreifenleitungen geringere Abstrahlverluste aufweisen, kommt es bei hohen Frequenzen doch zu einer unerwünschten Dämpfung durch Strahlungs- und ohmsche Verluste aufgrund der hohen Stromdichten in der GCPW-Schaltung. Zur weiteren Reduzierung dieser Verluste werden in dieser Arbeit daher erstmalig SIW-PCB-Schaltungen für die Integration von Millimeterwellen-Photodioden vorgeschlagen und entwickelt. Die Vorteile dieser innovativen Leitungsstruktur hinsichtlich der elektrischen Dämpfung im Millimeterwellen-Bereich werden theoretisch und experimentell untersucht. Es kann gezeigt werden, dass die SIW-PCT gegenüber den GCPW-PCT signifikant geringere Verluste aufweisen, was insbesondere für den Einsatz in planaren Hochfrequenz-Schaltungen mit vergleichsweise langen Verbindungsleitungen vorteilhaft ist.
Die Arbeit präsentiert eine neue Integrationstechnologie auf Basis planarer SIW-PCB-Schaltungen für quasi-hermetische PD-Module mit In-Package-Antennen. Es werden kompakte, verlustarme und quasi-hermetische SIW-basierte Lösungen für 60-GHz-PD-Module hergestellt und experimentell untersucht. Abschließend wird die Eignung der SIW-PCB-Technologie für die Entwicklung zukünftiger, verlustarmer und kostengünstiger photonischer Millimeter-Wellen-Funktransmitter diskutiert
Extension theorems for differential forms on low-dimensional good quotients
Get PDFIn this thesis I show that the pull-back of any regular differential form defined on the smooth locus of a good quotient of dimension zero to four to any resolution yields a regular differential form
Synthesis and Characterization of co-catalyst: semiconductor-composites for photocatalytic water splitting
Get PDFPhotokatalytische Wasserspaltung mit Halbleitermaterialien hat beträchtliche Beachtung erfahren, besitzt diese Technik doch das Potential nur mit Sonnenlicht und Wasser eine saubere
Quelle für H2 darzustellen. Um eine geeignete solare Energieumwandlung zu entwickeln, müssen stabile Halbleitermaterialien gefunden werden, die effizient unter sichtbarem Licht ( > 400 nm) wirken und geeignete Bandlücken zwischen 1,6 und 3,1 eV aufweisen. Viele
Studien haben gezeigt, dass bereits kleine Mengen an Edelmetallverbindungen, sogenannte
co-Katalysatoren, die Aktivität von Photokatalysatoren erheblich steigern. Diese Arbeit umfasst
die Entwicklung neuer co-Katalysator/Halbleiter-Komposite für die photokatalytische
Wasserspaltung. Dafür wurde im ersten Teil dieser Arbeit ein Reaktorsystem entwickelt,
welches zur Messung photokatalytischer Aktivitäten unter sichtbarem Licht dient. Es wurde
ein Verfahren etabliert, wobei mittels Reduktion von Silbernitrat als Opferreagenz die
Oxidation von Wasser zu Sauerstoff untersucht werden kann. In mehreren Parameterstudien
wurde ein ideales Messprotokoll entwickelt um partikuläre Proben zuverlässig zu charakterisieren.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die Synthese des Halbleiters BiVO4 unter
unterschiedlichen Bedingungen über eine Fällungsroute untersucht. Es wurde ein besonderes
Augenmerk auf die Präkursorenchemie gelegt, weil sich gezeigt hat, dass die Synthese
hoch sensibel auf die Prozesskontrollparameter reagiert. Verschiedene Charakteristika wurden
untersucht, wie zum Beispiel die Morphologie der Kristalle und die Auswirkungen auf
die photokatalytische Aktivität. Der dritte Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese
von co-Katalysatoren. Es konnte gezeigt werden, dass die Kombination vom Halbleiter
BiVO4 mit redoxaktiven co-Katalysatoren zu einer erheblichen Steigerung der photokatalytischen
Aktivität führt. Dabei wurde die Synthese von Kobaltoxid genauer untersucht, weil
sich dieses Material als besonders redoxaktiv erweisen konnte. Die Identifizierung dieser besonders
redoxaktiven Materialien erfolgte über einen im Rahmen dieser Arbeit etablierten
Test (CAN-Test), bei dem CerIV -Ionen als Opferreagenz verwendet wurde. Das Kobaltspinell
Co3O4 zeigte dabei deutlich mehr Aktivität als andere gemessenen Systeme wie IrO2 oder
Mn2O3. Abschließend wurden zwei unterschiedliche Imprägnierungsmethoden untersucht,
durch die das Kobalt effizient auf das BiVO4 aufgebracht werden kann. Wird das Kobalt
als Co3O4 direkt mittels Dispersion auf das Halbleitermaterial aufgebracht, liegt es als fein
dispergierte Nanopartikel vor. Die Aktivität des Komposits in der Sauerstoffentwicklungsreaktion
unter sichtbarem Licht lag 90 % höher als beim puren Halbleiter ohne co-Katalysator.
Diese Imprägnierung wurde verglichen mit der Imprägnierung mit einer Kobaltnitrat-Lösung.
Auch hier wurde die photokatalytische Aktivität verbessert.In recent years photocatalytic water splitting with semiconductor materials has received
considerable attention, as this technique has the potential to provide a clean source of H2
only with sunlight and water. In order to develop a suitable solar energy conversion, stable
semiconductor materials must be found which act efficiently under visible light irradiation
( > 400 nm) and have suitable band gaps between 1.6 and 3.1 eV. Many studies have
shown that even small amounts of noble metal compounds, so-called co-catalysts, significantly
increase the activity of photocatalysts. This work includes the development of new
co-catalyst / semiconductor composites for photocatalytic water splitting. For this purpose,
a reactor system was developed in the first part of this work, which is used to measure photocatalytic
activities under visible light. A method has been established whereby the oxidation
of water to oxygen can be investigated by reduction of silver nitrate as a sacrificial reagent. In
several parameter studies, an ideal measurement protocol was developed to reliably characterize
particulate samples. In the second part of this work, the synthesis of the semiconductor
BiVO4 was investigated under different conditions by a precipitation route. Special attention
was paid to precursor chemistry because it has been shown that the synthesis is highly sensitive
to the process control parameters. Various characteristics were investigated, such as the
morphology of the crystals and the effects on the photocatalytic activity. The third part of
this thesis deals with the synthesis of co-catalysts. It could be shown that the combination
of the semiconductor BiVO4 with redox-active co-catalysts leads to a significant increase in
photocatalytic activity. The synthesis of cobalt oxide was studied in more detail because this
material could prove to be remarkably redox active. This particularly redox-active material
was identified by a test (CAN test) established in this work, in which cerium(IV) ions were
used as sacrificial reagent. The cobalt spinel Co3O4 showed significantly more activity than
other measured systems such as IrO2 or Mn2O3. Finally, two different impregnation methods
were investigated by which the cobalt can be efficiently applied to BiVO4. If the cobalt is
applied as Co3O4 directly through dispersion on the semiconductor material, it is present as
finely dispersed nanoparticles. The activity of the composite in the oxygen evolution reaction
under visible light was 90% higher than the pure semiconductor without co-catalyst. This
impregnation method was compared with the impregnation with a cobalt nitrate solution.
Again, the photocatalytic activity was improved
Kostimulatorische Marker auf follikulären T-Helferzellen in Patienten mit systemischem Lupus erythematodes (SLE)
Get PDFDie Pathogenese des systemischen Lupus erythematodes ist durch eine T-Zell-abhängige Autoantikörperproduktion durch Plasmazellen gekennzeichnet. Follikuläre T-Helferzellen induzieren über die Produktion von IL-21 die Bildung von Plasmazellen aus B-Zellen. Ziel dieser Arbeit war es, den Phänotyp der IL-21-produzierenden follikulären T-Helferzelle darzustellen. Dies erfolgte anhand kostimulatorischer Marker (CD134, PD1), die möglicherweise charakteristisch sind für follikuläre T-Helferzellen. Es stellten sich die Fragen, ob es Unterschiede zwischen Patienten und gesunden Kontrollen in dieser Zellgruppe gibt und ob es Zellpopulationen gibt, die mit der Krankheitsaktivität oder einer Lupusnephritis assoziiert sind. Zur Beantwortung dieser Fragen wurde das periphere Blut von 39 Patienten sowie 19 gesunden Kontrollen ex vivo stimuliert und durchflusszytometrisch auf die Oberflächenmarker CD3, CD8, CD134 und PD1 sowie auf die intrazellulären Marker IL-21, IL-22 und IFNɣ untersucht. Die Untersuchungen wiesen bei Patienten eine erhöhte Expression von CD134 auf CD4+-Zellen (p=0,002) nach. Die Krankheitsaktivität korrelierte positiv zum Anteil von CD134 auf CD4+-Zellen (r=0,38; p=0,02). Bei Patienten war der An-teil IL-22-produzierender-Zellen an CD134+-Zellen signifikant niedriger als bei Gesunden (p=0,01). Es wurde eine erhöhte Expression von PD1 auf CD4+-Zellen bei bestehender Nephritis im Vergleich zu Gesunden gefunden (p=0,004). IFNɣ fand sich bei Patienten signifikant niedriger exprimiert in CD4+- und CD134+CD4+-Zellen als bei Gesunden (p=0,03; p=0,02); ebenso bei Patienten mit Nephritis im Vergleich zu Patienten ohne (p=0,003; p=0,007). Die Krankheitsaktivität erwies sich zur IL-21-Expression auf CD4+-Zellen als positiv korrelierend (r=0,32; p=0,048).
Diese Arbeit zeigt, dass sich die Expressionen der Marker CD134 und PD1 auf T-Zellen zwischen Patienten und Gesunden sowie innerhalb der Patientengruppe prozentual unterscheiden. CD134 ist auf T-Zellen von Patienten signifikant höher exprimiert als bei Gesunden. Die PD1-Expression auf T-Zellen ist bei Patienten mit Nephritis höher als bei Gesunden
Role of the infection-associated danger signal HMGB1 in the immunopathogenesis of Psoriasis vulgaris
Get PDFDie Rolle des entzündungsassoziierten Gefahrensignals HMGB1 wurde bereits in verschiedenen Autoimmunerkrankungen und Krebserkrankungen diskutiert, nachdem ein erhöhtes Ex-pressionslevel von HMGB1 in Blutseren und in Gewebe von Patienten im Vergleich zu gesunden Kontrollen erkannt wurde. In den letzten 5 Jahren, konnte eine mögliche Rolle von HMGB1 in der Entzündung deutlicher herausgearbeitet werden.
Bei genauerer Betrachtung der Autoimmunerkrankung Psoriasis vulgaris sind bislang nur sehr wenige Arbeiten zu HMGB1 erschienen. Psoriasis vulgaris ist eine der zehn häufigsten Auto-immunerkrankungen in der Bevölkerung und die Therapie nimmt einen immer spezifischeren Weg in der Pathogenese der Erkrankung.
Der erste Teil dieser Arbeit unterstreicht, dass HMGB1 auch ein potentielles Zielmolekül in der Therapie der Psoriasis vulgaris ist. Im Serum steigt die Konzentration in Korrelation mit dem Schweregrad der Erkrankung an und auch in der Haut zeigen sich erhöhte Werte in den betroffenen Hautarealen der Patienten. Aktuell verwendete Standardtherapien, wie Methotrexat, Fumarsäureester und TNFα-Inhibitoren, senken die HMGB1-Last im Serum. Und auch die neusten funktionellen Daten von Zhang et al. zeigen, dass die Injektion von Anti-HMGB1 Antikörpern in einem psoriasiformen Mausmodell die Entzündung in der Haut und im Serum signifikant senkt (Zhang et al., 2017). Der zweite Teil dieser Arbeit unterstützt die Annahme, dass HMGB1 Einfluss auf die regula-torischen T Zellen von Patienten mit Psoriasis vulgaris nehmen kann. Im Gegensatz zu den gesunden Kontrollen zeigen die psoriatischen Tregs und die CD8+ Zellen im Immunsystem eine deutlich erhöhte Expression von RAGE auf ihrer Zelloberfläche. Ein Einfluss von HMGB1 auf Tregs ist bereits in anderen Autoimmunerkrankungen beschrieben, in denen die-se zu IL-17 produzierenden Zellen differenzieren (Z. Su et al., 2011), (Xu et al., 2015). Die vermehrte Anzahl an Th17 Zellen konnte mit Hilfe der erhöhten Co-Expression von den Re-zeptoren CCR6 und IL-23-R in dem peripheren Blut in Patienten mit schwerer Psoriasis vul-garis nachgewiesen werden. In der Zusammenschau der Daten sind weitere funktionelle Untersuchungen von Bedeutung, um den genauen Zusammenhang zwischen der erhöhten HMGB1-Konzentrationen, der ver-mehrten Expression seines Rezeptors RAGE und der daraus resultierende Differenzierung von Tregs zu IL-17 produzierenden Zellen zu klären, jedoch ebnet diese Arbeit den Weg zu einem ersten Verständnis von der möglichen Rolle von HMGB1 in der Psoriasis vulgaris