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On Prediction of Wave-Induced Loads and Vibration of Ship Structures with Finite Volume Fluid Dynamic Methods
No full textRational assessment of wave loads for ultimate strength of ship structures requires appropriate numerical tools capable of dealing with physical phenomena related to severe environmental conditions. In addition to low frequency wave loads, vibration caused by wave action adds to the total wave loading of the primary hull structure.
The thesis presents a numerical method for determining ship hull structural loads due to the action of waves, including the contributions from vibration of the fundamental vertical vibration modes of the hull. The proposed numerical method is based on a coupled numerical solution of the dynamics of fluid and structure. The fluid dynamics method is based on solution of the Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) equations combined with a multiphase fluid formulation, whereas the structural dynamics method relies on a simplified representation of the hull girder with a finite element beam. The fluid dynamics method is in principle well suited to capture nonlinear flow features relevant for time domain simulation of ships in severe or extreme environments due to the capability of capturing complex flows including highly disturbed free surfaces. Wave-wave interaction, wave breaking and wave impacts are implicitly accounted for. The coupled method presented here implicitly and consistently accounts for complex resonant excitation of hull girder vibrations in waves as well as impulsive vibratory excitation due to slamming.
Fundamental tasks of the work documented herein are the improvement and validation of the coupled numerical method, including investigations of required computational accuracy and estimations of numerical uncertainties. Available computational procedures for obtaining statistical properties of ship loads in irregular waves are adopted to the needs of the computationally expensive numerical method, and applied in case studies
The effect of depth of Propofol and sevoflurane anesthesia on the upper airway
No full textIn dieser Studie werden die Auswirkungen von Sevofluran und Propofol auf die Stabilität des oberen Atemwegs bei standardisierter Anästhesietiefe untersucht. Zu diesem Zweck erhielten 12 gesunde Freiwillige sowohl eine Sevofluran-, als auch eine Propofol-induzierte Allgemeinanästhesie mit variierter, definierter Anästhesietiefe.
Es wurde die Beziehung zwischen anästhesiebedingten Veränderungen der respiratorischen Aktivität des Atemwegsdilatators Musculus Genioglossus und Veränderungen des Schließdruckes des oberen Atemwegs (PCLOSE) untersucht. Die Versuchspersonen erhielten in randomisierter Reihenfolge eine Sevofluran und eine Propofol Allgemeinanästhesie. Nach einer anfänglichen Propofol Plasmakonzentration von 3,7 μg/ml, beziehungsweise 1,5 Vol % end-exspiratorischen Sevoflurans, wurden die Konzentrationen anhand eines Auf-Ab-Protokolls in Abhängigkeit von der Reaktion auf einen standartisierten Schmerzreiz um eine mittlere effektive Dosis (ED50) titriert und die Anästhesietiefe wurde elektroencephalographisch (mittels bispectralem Index) gemessen. Die Atemgaszufuhr wurde zur Messung des Schließdrucks des oberen Atemwegs mehrfach mit Hilfe eines externen Verschlussventils unterbrochen, was Inhalationsversuche und das sukzessive Kollabieren des oberen Atemweges zur Folge hatte. Der Atemwegsdruck oberhalb und unterhalb des kollapsiblen retroglossalen Atemwegssegments wurde mit Hilfe von Drucksensoren nahe der Epiglottis und in der Atemmaske analysiert. Messungen der Spontanatmung erfolgten sowohl bei atmosphärischem (Atemgasflusslimitierung), als auch bei erhöhtem end- exspiratorischem Druck (keine Flusslimitierung). Anästhesia führt zu einer signifikanten (pED50) wurden signifikant positivere PCLOSE-Werte gemessen als bei weniger tiefer Anästhesie (Dosis <ED50, -10,75 ± 4,53 cmH2O gegenüber -11,26 ± 4,42 cmH2O; p=0,001). Die phasische Aktivität des Atemwegsdilatators Musculus Genioglossus war bei tiefer Anästhesie um ein Viertel reduziert verglichen mit oberflächlicher Anästhesie (32,8 ± 2,1 % der maximal Aktivität gegenüber 26,0 ± 1,8 %; p<0,01). Bei flacher Anästhesie (BIS-Werten ≥ 40) zeigten die Versuchspersonen, sowohl unter Sevofluran-, als auch unter Propofolgabe einen signifikant stabileren oberen Atemweg als bei tiefer Anästhesie (BIS-Werte <40). Bei flacher werdender Anästhesietiefe nahm die Stabilität des oberen Atemweges mit der phasischen Musculus Genioglossus Aktivität zu. Im Vergleich zwischen Sevofluran und Propofol über beide Anästhesietiefen hinweg wurde kein signifikanter Unterschied des PCLOSE beobachtet (11,0 ± 4,8 cmH2O gegenüber -11,0 ± 4,0 cmH2O).
Propofol und Sevofluran zeigen einen dosisabhängigen und ähnlichen destabilisierenden Effekt auf die Stabilität des oberen Atemwegs. Der Effekt der Anästhetika auf die Kollabilität kann zum Teil durch die hemmende Wirkung von Anästhetika auf die Aktivität des Musculus Genioglossus erklärt werden.Background: Volatile anesthetics and propofol impair upper airway stability and possibly respiratory upper airway dilator muscle activity. The magnitudes of these effects have not been compared at equivalent anesthetic doses. We hypothesized that upper airway closing pressure is less negative and genioglossus activity is lower during deep compared with shallow anesthesia.
Methods: In a randomized controlled crossover study of 12 volunteers, anesthesia with propofol or sevoflurane was titrated using a pain stimulus to identify the threshold for suppression of motor response to electrical stimulation. Measurements included bispectral index, genioglossus electromyography, ventilation, hypopharyngeal pressure, upper airway closing pressure, and change in end-expiratory lung volume during mask pressure drops.
Results: A total of 393 attempted breaths during occlusion maneuvers were analyzed. Upper airway closing pressure was significantly less negative at deep versus shallow anesthesia (−10.8 ± 4.5 vs. −11.3 ± 4.4 cm H2O, respectively [mean ± SD]) and correlated with the bispectral index (P < 0.001), indicating a more collapsible airway at deep anesthesia. Respiratory genioglossus activity during airway occlusion was significantly lower at deep compared with light anesthesia (26 ± 21 vs. 35 ± 24% of maximal genioglossus activation, respectively; P < 0.001) and correlated with bispectral index (P < 0.001). Upper airway closing pressure and genioglossus activity during airway occlusion did not differ between sevoflurane and propofol anesthesia.
Conclusions: Propofol and sevoflurane anesthesia increased upper airway collapsibility in a dose-dependent fashion with no difference at equivalent anesthetic concentrations. These effects can in part be explained by a dose-dependent inhibiting effect of anesthetics on respiratory genioglossus activity
Role of anti-DFS70 antibodies in idiopathic interstitial pneumonia and in connective tissue disease associated interstitial lung disease
No full textAnti-DFS70 antibodies, corresponding to the dense fine speckled ANA indirect immunofluorescence pattern in HEp-2 substrates, have been observed in chronic inflammatory conditions, cancer and in healthy individuals but only in a small percentage of patients with systemic autoimmune rheumatic diseases. The aim of this study was to investigate the role of anti-DFS70 antibodies as biomarker in ILD. We evaluated its value to distinguish connective tissue disease associated interstitial lung disease (CTD-ILD) from idiopathic interstitial pneumonia (IIP). In addition, we explored potential correlations between anti-DFS70 antibodies and clinical parameters.
Methodologically, serum samples were collected from 49 healthy controls, 35 scleroderma-ILD (SSc-ILD) patients as negative controls for anti-DFS70 antibody, and 260 patients with ILDs. The ILD patients included 100 nonspecific interstitial pneumonia (NSIP) and 160 idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) patients. The serum anti-DFS70 antibodies were assessed by enzyme-linked immunosorbent assay.
The frequency and levels of serum anti-DFS70 antibodies were lower in ILD and SSc-ILD patients compared to healthy controls. Thirty-seven patients developed CTD during 24 months of follow-up (3 initial IPF and 34 initial idiopathic NSIP patients), most of them combined with ANA positivity and anti-DFS70 antibody negativity. Anti-DFS70 antibodies were not significantly different between CTD-ILD and idiopathic ILD. Anti-DFS70 antibody concentrations were inversely correlated with pulmonary functions in iNSIP.
In conclusion, the frequency and levels of serum anti-DFS70 antibodies are markedly decreased in patients with ILDs. Anti-DFS70 antibodies may play a role to predict CTD development in ILD patients
Fabrication of ion- and temperature responsive membranes via controlled coppolymerization methods
No full textIm Rahmen dieser Arbeit wurden neuartige Membranen entwickelt, die ihre Porengröße in Abhängigkeit zur Ionenart und -konzentration sowie zur Temperatur verändern. Die Tatsache, dass solche Membranen ihre Poren selbständig in Abhängigkeit der äußeren Stimuli öffnen und schließen können, könnte zu zahlreichen Anwendungen führen. Beispielsweise könnten solche Membranen in der Sensortechnik zur Detektion von bestimmten Ionen, in der Medizin zur kontrollierten Freisetzung bestimmter Stoffe wie Medikamente, oder generell als neue funktionelle Materialien eingesetzt werden.
Für die Herstellung derartiger Membranen wurden PET-Kernspurmembranen mit zwei verschiedenen Polymeren modifiziert. Bei dem einen Polymer handelt es sich um das sehr bekannte Temperatur-responsive Poly(N–isopropylacrylamid (PNIPAAm), welches eine LCST bei 32 °C aufweist. Bei dem anderen handelt es sich um das Polyzwitterion Poly(N,N-dimethyl-N-methacryloyloxyethyl-N-(3-sulfopropyl) ammonium betain) (PSPE), welches mit einer Volumenveränderung auf die Abwesenheit von Ionen reagiert.
Für die Postmodifikation wurden mittels verschiedener Syntheserouten unterschiedliche Architekturen hergestellt, welche auf ihre Responsivität bezüglich Temperatur und Ionen untersucht worden sind. Zum einen wurden die Membranporen mit statistischen Hydrogelen aus PNIPAAm und PSPE mittels reaktivem Pore-filling gefüllt. Als Polymerisationstechnik wurde hierbei die freie radikalische Polymerisation verwendet, wobei sich herausstellte, dass die redoxinitiierte Polymerisation zu einer besseren Copolymerisierbarkeit und reproduzierbareren Ergebnissen führte, als die photoinitiierte Polymerisation. Bei Membranen, die mit statistischem Hydrogel gefüllt waren, zeigte sich, dass mit zunehmendem zwitterionischen Anteil im Gel die Temperatur-Sensivität verloren ging, während mit zunehmendem Temperatur-responsiven Anteil die Ionen-Sensitivität stark abnahm. Dementsprechend wurden die Membranporen mit einem Homopolymer wie PNIPAAm bzw. PSPE gepfropft, während das jeweils andere Polymer als Hydrogel in die Poren eingearbeitet wurde. Bei diesen Membranen konnte sowohl eine starke Temperatur- als auch Ionen-Responsivität beobachtet werden.Teilweise zeigten derartige Membranen sogar eine stärkere Sensitivität auf Temperatur als jene, die nur mit reinem PNIPAAm-Gel gefüllt waren, was auf die besondere Architektur zurückgeführt werden kann.
Bei der anderen Syntheseroute wurden die Porenwände mit Bürsten aus PSPE und PNIPAAm mittels ATRP gepfropft. Dabei wurden zum einen die Bürsten in einer Blockstruktur, bei der ein Block auf dem anderen aufgepfropft wurde und zum anderen in einer cogepfropften Struktur angeordnet, bei der die beiden Homopolymerketten nebeneinander an den Porenwänden gepfropft waren. Es wurde deutlich, dass in beiden Fällen ein langsames und somit gut kontrolliertes Wachstum wichtig für die Einstellung der Eigenschaften der Membran, sowie für weitere Reaktionen ist, weshalb zunächst die Syntheseparameter eingestellt wurden. Mit diesen Syntheseparametern konnte eine Diblockstruktur aus PNIPAAmund PSPE mit verschiedenen Funktionalisierungsgraden effizient gepfropft werden. Die so erhaltenen PET-g-PSPE-b-PNIPAAm Membranen reagierten sowohl auf Ionen, als auch auf Temperatur mit einer Änderung des Porendurchmessers. Bei hohen Temperaturen kollabierte der PNIPAAm Block, während der PSPE-Block durch die Zugabe von Ionen expandierte, was mittels Permeabilitäts- und Diffusionsmessungen von Dextranen nachgewiesen wurde. Auf diese Weise konnte der Porendurchmesser der Membran gezielt eingestellt werden.
Ebenfalls gelang es durch gezielte Vormodifizierung eine Membran mit cogepfropfter Struktur herzustellen, bei der PSPE- und PNIPAAm-Bürsten nebeneinander an der Membranoberfläche angebracht waren. Diese sollte ihre Poren nur dann öffnen, wenn beide Stimuli, Ionen und Temperatur, vorhanden sind. Allerdings führte eine Änderung der Ionenkonzentration nur zu geringen Permeabilitätsänderungen, was damit erklärt werden konnte, dass die PSPE-Ketten wesentlich kürzer sind, als die PNIPAAm-Ketten und die Eigenschaften der Membran daher vor allem von diesen bestimmt werden.
Mittels PIGP-Methode wurden zudem statistische Copolymerbürsten an die Porenwände einer PET-Membran gepfropft. Mit dieser Struktur wurden sehr hohe Schalteffekte bei einer Änderung der Temperatur erreicht, was auf die hohe Polydispersität der Ketten zurückgeführt werden kann. Allerdings zeigten die mittels PIGP modifizierten Membranen eine geringe Reproduzierbarkeit, so dass sich unterschiedliche Permeabilitätsergebnisse für verschiedene Membranen ergaben, was die Wichtigkeit einer guten Kontrolle der Wachstumsgeschwindigkeit während der Pfropfung von Polymerbürsten bestätigt.The focus of this work were the development of novel membranes which change their pore size in dependency of temperature and ion type or ionic strength. Because of their unique feature of autonomous opening and closing pores in dependency of an outer stimulus, such membranes could be employed in several applications. For instance they could be used in sensors for detection of special ions, in medicine for controlled release of drugs or as new functional materials.
For the fabrication of such membranes PET-track-etched membranes had been modified by different polymers. In this work, the well known temperature-responsive poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm) is combined with the ion responsive zwitterionic polymer poly(N,N-dimethyl-N-methacryloyloxyethyl-N-(3-sulfopropyl) ammonium betaine) (PSPE).
Various architectures has been prepared by different synthesis routes and the responsivity towards ions and temperature had been investigated. Firstly the membrane pores had been filled with a statistical hydrogel made out of PNIPAAm and PSPE by reactive pore-filling technique. For synthesis the free radical polymerization has been used, while it became obvious that redoxinitiated polymerization led to a better copolymerization and more reproducible results than photoinitiated poylmerization. For membranes which were filled with statistical hydrogel it could be observed that a high amount of temperature responsive polymer led to a loss of ion responsivity and a high amount of ion responsive polymer led to a loss of temperature responsivity. In order to achieve high ion and temperature responsivity the membrane pores have been first grafted by a homopolymer and then filled with a homopolymer gel. Such mebranes showed both responsitivities. In some cases such membranes showed even a stronger temperature responsivity than those which were filled with pure PNIPAAm-gel what can be explained by the particular architeture.
At the second synthesis route the pore walls has been grafted with PNIPAAm and PSPE chains by ATRP in two different structures: A block structure with one block grafted on the other and a cografted structure with both blocks grafted next to each other on the pore wall. It became clear that a slow and well cotrolled polymer growth is important for the membrane properties and further graftings. Therefore the synthesis parameter had been adjusted so that a diblockstructure from PNIPAAm and PSPE could be grafted efficiently on the pore walls. The obtained PET-g-PSPE-b-PNIPAAm membranes were changed their pore size in dependency to ions and temperature. At high temperatures the PNIPAAm block collapsed while the PSPE block expanded in presence of ions what could be determined by permeability and dextran diffusion experiments. So the pore size could be easily adjusted by ions and temperature.
Furthermore a cografted structure could be generated at which PSPE and PNIPAAm chains are grafted next to each other. Such membranes should open their pores only if both stimuli, temperature and ions are active. However a change in ion concentration led to a very small permeability change what can be explained by the fact that the PSPE chains were much shorter than the PNIPAAm chains so that the membrane properties were determined mainly by PNIPAAm.
By PIGP method also statistical copolymer chains have been grafted on PET membrane pores. This structure led to very high permeability changes by temperature change what can be explained by a high polydispersity of the grafted chains. But the membranes which were modified via PIGP show a low reproducibility what stresses the importance of a well controlled grafting
Modellierung des Preises von Emissionzertifikaten
No full textTo stabilize the greenhouse gas concentrations in the atmosphere, market-based policy instruments are considered as effective solutions. Among these, the cap-and-trade systems are very popular and have been established over the globe. In most carbon markets, the European Union Emission Trading Scheme (EU ETS) has the largest scale. The regulatory framework of international and European emission trading scheme will be studied in this thesis.
The benchmark product of EU ETS, the EUA futures contract, is largely traded. In the present research for pricing the carbon permits, reduced-form models have proved to be useful. The performance of the model proposed by Carmona and Hinz will be empirically analyzed. As evidence for a time-varying market price of risk can be found by applying statistical tests, the Carmona-Hinz framework can be extended by introducing a bivariate pricing model. This extended pricing model is able to extract information on the market price of risk and evaluate its impact on the EUA options.
For international emission trading, linking emission trading systems have become a significant issue. This thesis develops a market equilibrium model on deterministic settings and investigates the price convergence behavior in trading schemes to be linked under different regimes. The model results explain the price convergence behavior on a quantitative basis, which coincide with the qualitative analysis of Grüll and Taschini
Indoor positioning and tracking based on the received signal strength
No full textReceived Signal Strength Indicator (RSSI)-based indoor Location and Tracking (L&T) is a promising and challenging technology that enables mobile users/nodes to obtain their location information. This dissertation focuses on overcoming the challenges as well as improving the positioning accuracy for the RSSI-based L&T. In particular, the author considers 4 L&T solutions.
In the first, the author develops a L&T solution by designing the Kalman Filter (KF) to work linearly within the positioning framework. To elaborate on this implementation, the equations of the KF are presented in a consistent manner with the implementation. In the second, the author designs a L&T solution based on the Iterated Extended Kalman Filter (IEKF) to improve the accuracy compared
with the popular Extended Kalman Filter (EKF). In the third, the author overcomes the particular implementation challenges of the EKF by designing a L&T solution based on the implementation of the Scaled Unscented Transformation
(SUT) to the KF. The author calls the resulting filter Scaled Unscented Kalman Filter (SUKF). In the forth, the author overcomes the implementation difficulties of the EKF by designing a L&T solution based on the implementation of the Spherical Simplex Unscented Transformation (SSUT) to the KF. The author calls
the resulting filter the Spherical Simplex Unscented Kalman Filter (SSUKF).
The proposed solutions with their corresponding achievements enhance the role of RSSI-based L&T in wireless positioning systems. The contributions led to significant
improvement in the positioning accuracy, reliability and the ease of implementation
Effects of a systemic inflammatory response on somatic pain sensitivity in human
No full textHintergrund: In der Erforschung akuter und chronischer Schmerzen wird vielfach der Einfluss des Immunsystems auf die Schmerzwahrnehmung diskutiert. Im Rahmen systemischer Entzündungsreaktionen kommt es zu adaptiven Verhaltensänderungen, die als Sickness Behavior bezeichnet werden und auch eine erhöhte Schmerzsensitivität umfassen. Beim Menschen bietet die Gabe von Endotoxin (Lipopolysaccharid, LPS) ein etabliertes experimentelles Modell, um eine transiente systemische Entzündungsreaktion zu induzieren. Ziel unserer Studie war es, zeit- und dosisabhängige Effekte von LPS auf die somatosensorische Schmerzwahrnehmung sowie die Zusammenhänge zwischen Immunaktivierung, Schmerzsensitivität und negativen Emotionen zu untersuchen.
Methodik: In dieser randomisierten, kontrollierten und doppelblinden Studie applizierten wir N=59 gesunden, männlichen Probanden LPS in einer Dosis von 0,4 oder 0,8 ng/kg Körpergewicht oder Placebo. Die somatische Schmerzsensitivität wurde mittels Algometrie und Pin Prick vor (Baseline) sowie 1, 3 und 6 Stunden nach Injektion erhoben. Zytokine, Cortisol und Körpertemperatur wurden vor (Baseline) sowie 1, 2, 3, 4 und 6 Stunden nach Injektion gemessen. Parallel wurden psychologische Parameter mittels etablierter Fragebögen erfasst.
Ergebnisse: Die Injektion von LPS führte zu einer akuten systemischen Entzündungsreaktion, charakterisiert durch einen signifikanten Anstieg pro- und anti-inflammatorischer Zytokine mit stärkerer Ausprägung in der höheren Dosierung. Im Rahmen der Immunaktivierung wurden in den Schmerztestungen signifikant reduzierte Druckschmerzschwellen in allen untersuchten Muskelgruppen 3 Stunden nach Injektion beobachtet, wobei der Effekt unabhängig von erhobenen psychologischen Parametern und überwiegend in der höheren Dosierung auftrat. Eine Zunahme der mechanischen Schmerzsensitivität ließ sich hingegen nicht feststellen.
Schlussfolgerung: Unsere Studie konnte als eine der ersten beim Menschen eine erhöhte muskuloskelettale Schmerzsensitivität im Rahmen einer systemischen Immunaktivierung nach Gabe von LPS zeigen, wobei wir im untersuchten Dosisbereich Hinweise auf einen konzentrationsabhängigen Effekt gefunden haben. Unsere Ergebnisse erweitern den aktuellen Kenntnisstand über immunvermittelte Mechanismen bei der Schmerzwahrnehmung und bieten somit einen potentiellen Beitrag zum besseren Verständnis der Pathophysiologie chronischer Schmerzen und ihrer Therapiemöglichkeiten
Geringer RF-Komplexität Massive MIMO Systemen: Antennenselektion und Hybrid Analog-Digital Strahlformung
No full textWireless data traffic has been increased dramatically in the last decades, and will continue to increase in the future. As a consequence, the infrastructure of wireless communication systems needs to advance on the data capacity. Massive Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) is a promising candidate technology to meet the demand. By scaling up the conventional MIMO by orders of magnitude number of \emph{active} antennas, a massive MIMO system can harvest considerable channel degrees of freedom to increase the spectral efficiency. However, increasing the number of \emph{active} antennas needs to increase both the numbers of Radio Frequency (RF) transceivers and antenna elements \emph{at the same rate}, which will increase the RF complexity and cost dramatically. It is known that the complexity and cost of antenna elements are usually much lower than that of RF transceivers, which motivates us to scale up MIMO by a lower increasing rate of the number of RF transceivers than that of antenna elements, resulting in so-called low RF-complexity massive MIMO systems. In this thesis, we study two types of low RF-complexity massive MIMO systems, i.e., massive MIMO antenna selection systems and massive MIMO hybrid analog-digital beamforming systems. Both systems use specific RF networks to bridge a massive number of antennas and a small number of RF transceivers, leading to signal dimension reduction from antennas to RF transceivers. The RF network used in antenna selection is referred to as RF switching network; while the RF network used in hybrid beamforming is referred to as Phase Shifting Network (PSN). Both RF networks have two types of architectures, i.e., full-array architecture and sub-array architecture. The latter has lower insertion loss, lower complexity and better scalability than the former, but at the price of performance degradation caused by connection constraint, which will be studied for both low RF-complexity systems in this thesis. In addition, a low RF-complexity PSN for the hybrid analog-digital beamforming system needs also to be studied to replace the conventional high-complexity-and-cost phase-shifter-based PSN.
In the antenna selection system, the upper bounds on the channel capacity using asymptotic theory on order statistics are derived at the large-scale limit. The optimal antenna selection algorithms are also developed, which are based on Branch And Bound (BAB) search algorithm. Through the theoretical and algorithm studies, it is found that the sub-array antenna selection has close performance to the full-array antenna selection. In the hybrid beamforming system, we propose to use Rotman lens as PSN, which is of lower complexity and cost than the conventional phase-shifter-based PSN. Two beam selection algorithms, i.e., sub-optimal greedy search and optimal BAB search, are also proposed. In addition, the Rotman lenses are designed, fabricated and measured. The measurement results together with the beam selection algorithms are used to perform Monte Carlo simulation. Simulation results show that the proposed Rotman-lens-based system with the sub-array architecture suffers noticeable performance degradation compared to the system with the full-array architecture when ideal Rotman lenses are used. But when practical non-ideal Rotman lens are used, the former outperforms the latter when the number of antennas is large enough. Most interestingly, with non-ideal hardware, the sub-array Rotman-lens-based system has close performance to the sub-array phase-shifter-based system, and also exhibits a wideband capability. To prove the advantage of the low RF-complexity massive MIMO, two testbeds are built up for the antenna selection and hybrid beamforming systems, respectively. The measurement results show the low RF-complexity massive MIMO systems have superior performance over the small-scale MIMO systems under the condition of the same number of RF transceivers.
The results in this thesis show that the low RF-complexity massive MIMO systems proposed in this thesis are feasible in technology and promising in performance, validating its potential usage for the future 5G wireless communication systems.Der drahtlose Datenverkehr ist in den letzten Jahrzehnten dramatisch gestiegen und wird auch in Zukunft weiter zunehmen. Infolgedessen muss die Datenkapazität der drahtlosen Infrastruktur erhöht werden. Mehrantennen Systeme mit einer sehr großen Anzahl an Antennen (engl. Massive Multiple-Input Multiple-Output (MIMO)) sind vielversprechende Technologiekandidaten, um diese Nachfrage zu erfüllen. Durch die Hochskalierung der Antennenanzahl eines konventionellen MIMO um mehrere Größenordnungen kann ein Massive MIMO-System erhebliche Kanalfreiheitsgrade erlangen, um die spektrale Effizienz zu verbessern. Allerdings muss mit der Anzahl der \emph{aktiven} Antennen sowohl die Anzahl der Hochfrequenz (engl. Radio Frequency (RF)) Transceiver als auch die der Antennenelemente \emph{im gleichen Maße} vergrössert werden, was die RF-Komplexität und Kosten dramatisch erhöht. Dabei ist bekannt, dass die Komplexität und die Kosten von Antennenelementen in der Regel viel niedriger sind als die von RF-Transceivern. Dies führt uns dazu dass wir das MIMO-System um eine im Verhältnis zur Antennenzahl geringere Anzahl von RF-Transceivern erweitern wollen, den so genannten Massive MIMO-Systemen mit geringer RF-Komplexität. In dieser Arbeit untersuchen wir zwei Arten von Massive MIMO-Systemen mit geringer RF-Komplexität, nämlich Massive MIMO-Antennenselektionssysteme und Massive MIMO-Hybrid-Analog-Digital-Strahlformungssysteme. Beide Systeme verwenden spezielle RF-Netzwerke, um eine größere Anzahl von Antennen von einer kleineren Anzahl von RF-Transceivern zu versorgen, was zu einer Signalraumreduktion von den Antennen zu den RF-Transceivern führt. Das bei der Antennenselektions verwendete RF-Netzwerk wird als RF-Koppelfeld bezeichnet, während das RF-Netzwerk, das bei der Hybrid-Strahlformung verwendet wird, als Phasenverschiebungsnetzwerk (engl. Phase Shifting Network, PSN) bezeichnet wird. Beide RF-Netzwerke können als Voll-Array-Architektur oder als Sub-Array-Architektur realisiert werden. Letztere hat eine geringere Einfügedämpfung, eine geringere Komplexität und eine bessere Skalierbarkeit als die erstere, aber zum Preis der Leistungsverschlechterung, die durch eine eingeschränkung Anzahl von Antennen-Transceiver-Verbindungen verursacht wird. Die vorliegende Arbeit untersucht dies für beide Systeme mit niedriger RF-Komplexität. Darüber hinaus wird auch ein PSN mit niedriger RF-Komplexität für das Hybride-Analog-Digital- Strahlformungssystem untersucht, das das herkömmliche hochkomplexe und kostenintensive PSN ersetzen soll.
Im Antennenselektionssystem werden die Obergrenzen der Kanalkapazität unter Verwendung der Asymptoten Theorie der Ordnungsstatistik im Grenzverhalten abgeleitet. Die optimalen Antennenselektions-Algorithmen, die auf dem Branch and Bound (BAB) Suchalgorithmus basieren, werden ebenfalls entwickelt. Die theoretischen und algorithmischen Untersuchungen zeigen, dass die Leistung der Sub-Array-Antennenauswahl dicht bei der der Voll-Array-Antennenselektions liegt. Im Hybrid-Strahlformungssystem schlagen wir vor, eine Rotman-Linse als PSN zu verwenden, die von geringerer Komplexität und Kosten ist als das herkömmliche auf Phasenverschiebung basierende PSN. Es werden zwei Strahlauswahlalgorithmen vorgeschlagen, eine suboptimale Greedy-Suche und eine optimale BAB-Suche. Darüber hinaus wird die Rotman-Linse entworfen, gefertigt und vermessen. Die Messergebnisse werden zusammen mit den Strahlselektionsalgorithmen zur Durchführung einer Monte-Carlo-Simulation verwendet. Simulationsergebnisse zeigen, dass das vorgeschlagene Rotman-Linsen-basierte System mit der Sub-Array-Architektur eine spürbare Leistungsverschlechterung im Vergleich zum System mit der Full-Array-Architektur erleidet, wenn ideale Rotman-Linsen verwendet werden. Aber wenn reale nicht-ideale Rotman-Linsen verwendet werden, übertrifft erstere die zweite, wenn die Anzahl der Antennen groß genug ist. Noch interessanter, mit nicht-idealer Hardware, zeigt das Sub-Array Rotman-Linsen-basierte System in etwa die gleiche Leistung wie das Sub-Array Phasenschieber-basierte System und weist auch Breitbandfähigkeiten auf. Um den Vorteil der Massive MIMO-Systeme mit geringer RF-Komplexität zu beweisen, werden zwei Testumgebungen für die Antennenauswahl- und Hybrid-Strahlformungssysteme aufgebaut. Die Messergebnisse zeigen, dass, unter der Bedingung einer gleichen Anzahl von RF-Transceivern, die Massive MIMO-Systeme mit geringer RF-Komplexität in der Leistung den normalen MIMO-Systemen überlegen sind.
Die Ergebnisse meiner Arbeit zeigen, dass die von mir vorgeschlagenen Massive MIMO-Systeme mit geringer RF-Komplexität technisch machbar und vielversprechend in der Leistung sind und bestätigen damit deren potentielle Nutzung für die zukünftigen 5G-Funkkommunikationssysteme
Formation of supramolecular aggregates through combinations of orthogonal switchable binding sites on a perylene bisimide scaffold
No full textDurch die gezielte Kombination von unterschiedlichen orthogonal schaltbaren Bindungsmotiven können neue Moleküle mit interessanten Eigenschaften entstehen. Die vorliegende Dissertation beschreibt und diskutiert die Synthesen und Untersuchungen von Molekülen, welche drei schaltbare Bindungsmotive vereinen. Bei den drei Bindungsmotiven handelt es sich um ein π-π-Stapelungsbindungsmotiv in Form eines Perylenbisimides, ein zwitterionische Bindungsmotiv in Form eines 5-(guanidiniocarbonyl)-1H-pyrrol-2-carboxylats und um ein metallkoordinierendes Bin-dungsmotiv in Form eines Terpyridins. Für die Kombination zwei dieser expliziten Bindungsmotive gibt es einige literaturbekannte Beispiele, neu ist die Kombination aller drei. Diese wurden in unterschiedlicher Anzahl miteinander kombiniert, sodass zwei Moleküle hergestellt wurden, die diese drei Bindungsmotive miteinander verknüpfen. Mittels unterschiedlichster Methoden, wie z. B. AFM-, TEM-, DLS- und UV-Messungen wurde die Aggregation bei der Aktivierung der unterschiedlichen Stimuli, wie pH-Wert, die Wahl des Lösungsmittels und das Vorhandensein von Metall-Ionen untersucht. War z. B. nur das zwitterionische Bindungsmotiv aktiviert, konnten mittels AFM-Messungen in DMSO ausgedehnte netzwerkartige Strukturen mit einer Höhe im Bereich von ca. 1.5 – 3.5 nm beobachtet werden. Die reversible Schaltbarkeit der gebildeten Aggregate wurde durch die Zugabe von Säure oder Base gezeigt. Des Weiteren wurde der Einfluss von Metallionen auf die Aggregation untersucht. Für den Aufbau der Aggregate wurden mit Hilfe von Kraftfeldrechnungen erste Modelle entwickelt. Zusätzlich konnten mit einem der hergestellten Moleküle kolloidale Lö-sungen in einer 9:1 Waser-DMSO-Mischung hergestellt werden. In diesem Lösungsmittelgemisch zeigte sich eine klar unterscheidbare Aggregation. Eine Besonderheit war bei der Zugabe von ZnCl2 zu beobachten, bei der es zur Ausbildung von vesikelartigen Aggregaten kam, in die erfolgreich ein IR-Farbstoff eingelagert werden konnte.Through specific combinations of orthogonal switchable binding sites, it is possible to develop new molecules with interesting properties. The present thesis describes and discusses the syntheses and measurements of molecules which combine three switchable binding sites. These three binding motifs are a π-π-stacking unit in the form of a perylene bisimide, a zwitterionic binding motif in the form of 5-(guanidiniocarbonyl)-1H-pyrrole-2-carboxylate and a metal coordination binding site in the form of a terpyridine. There are several literature known examples for the combination of two of this specific binding sites but the combination of all three in new. The binding motifs were combined in varying numbers so that two molecules were synthesised which combine these three binding motifs. The aggregation behaviour under different activated stimuli like pH-value, choice of solvent and the presence of metal ions was investigated with AFM-, TEM, DLS- and UV-measurements. With AFM-measurements extended network like structures with a height of about 1.5 to 3.5 nm were visible when only the zwitterionic form was activated in DMSO. By the addition of acid and base the formed aggregates could be switched reversible. Furthermore, the influence of metal ions on the aggregation behaviour could be investigated. With the help of force field calculations first models for the structure of the aggregates were developed. Additionally, it was possible to produce colloidal solutions in a 9:1 mixture of water and DMSO with one of the molecules. In this solvent mixture a clearly distinguishable aggregation behaviour was observable. After addition of ZnCl2 vesicle like aggregates were formed which could successfully loaded with an IR-dye
Entwicklung eines Hochtemperatur-Trench-Kondensators mit Hilfe von Methoden der Atomlagenabscheidung
No full textGegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung und Charakterisierung eines Hoch-temperatur-Trench-Kondensators. Im Bereich der Tiefenbohrung, der Raumfahrt oder auch der Automobilindustrie werden immer mehr passive Komponenten benötigt, die einer Betriebstemperatur von bis zu 300 °C standhalten.
Ziel dieser Arbeit ist es, einen Kondensator zu entwickeln, welcher bei höheren Temperaturen einen geringen Leckstrom zeigt und gleichzeitig eine Durchbruchspannung deutlich oberhalb der Betriebsspannung aufweist. Darüber hinaus soll der Kondensator aber auch einen großen Kapazitätsbelag zeigen.
Gemäß der Gleichung für einen Plattenkondensator, nimmt die Kapazität mit der relativen Dielektrizitätskonstante sowie mit der Fläche des Dielektrikums linear zu und mit der Dicke der dielektrischen Schicht linear ab. Eine Reduzierung der Dicke des Dielektrikums zur Verbesserung der Kapazität ist limitiert, da im Hochtemperatur-Bereich der Leckstrom, induziert durch Defekte im Dielektrikum, mit dünner werdendem Dielektrikum dramatisch zunimmt. Somit werden die verbleibenden Parameter relative Dielektrizitätskonstante und Fläche genutzt, um bei erhöhten Temperaturen gute Eigenschaften des Kondensators zu erzielen.
Um eine vergrößerte Fläche zu erhalten, wird der Kondensator 3D-integriert. Es werden mit reaktivem Ionentiefenätzen (DRIE) verschiedene Strukturen in das Substrat geätzt, um die Kondensatorfläche zu vergrößern. Zudem werden, statt des häufig eingesetzten SiO2 als Dielektrikum, high-k-Materialien verwendet. Die Kombination von verschiedenen Dielektrika, abgeschieden mit der Atomlagenabscheidung (ALD) und die 3D-Integration, geben exzellente Möglichkeiten, die Kondensator Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen zu verbessern. Es wird das ALD-Verfahren gewählt, da es ein sehr homogenes und konformes Abscheideverfahren ist, welches aufgrund der hohen Aspekt-Verhältnisse der geätzten Strukturen benötigt wird.
Im Rahmen dieser Arbeit werden der Prozessablauf entwickelt und die einzelnen Teilschritte optimiert. Die gefertigten Strukturen werden im Anschluss elektrisch charakterisiert. Hierbei geben Strom-Spannungs-Messungen bei unterschiedlichen Temperaturen, mit unterschiedlichen Materialkombinationen und 3D-Konfigurationen Aufschluss über den jeweils fließenden Leckstrom und die Durchbruchspannungen. Kapazitäts-Spannungs-Messungen liefern den Kapazitätsbelag und die Spannungs- und Temperaturabhängigkeiten der Kondensatoren.Subject of this thesis is the development and characterization of a high temperature trench capacitor. In the application of deep drilling, aerospace or in the automobile industry, more and more passives are needed, which have to withstand temperatures up to 300 °C.
In the frame of this work, the development of a capacitor is investigated, which shows a low leakage current at elevated temperatures and a breakdown voltage sufficiently above the operating voltage at the same time. Furthermore, the capacitor shall show a large capacitance per unit area.
According to the well known formula for the parallel plate capacitor, the capacitance value shows a linear increase with the relative permittivity and the area of the dielectric, respectively, and a linear decrease with the thickness of the dielectric layer. A further decrease of the thickness of the dielectric layer to enhance the capacitance per unit area is limited by the fact, that in the high temperature case the leakage current, induced by defects in the dielectric layer, increases dramatically with thinner layer. Thus, the remaining two parameters, area and permittivity, are used to get good capacitor performance at elevated temperatures.
To get a preferably large capacitor surface area, the capacitor is 3D-integrated. Deep reactive ion etching (DRIE) is used to etch different structures into the substrate, to increase the capacitor area. In addition, high-k materials are used as dielectrics, instead of the common used SiO2. The combination of different dielectric materials deposited via atomic layer deposition (ALD) and the 3D-integration technique gives an excellent opportunity to enhance the capacitor performance at high temperatures. ALD is chosen, because it is a very homogenous and conformal deposition technique, which is needed due to the high aspect ratios of the etched structures.
In scope of this work, the process flow is developed and every step is optimized. Subsequently, the processed structures are electrically characterized. Current-voltage measurements at different temperatures, with different material combinations and 3D-configurations give some indication of each leakage current and each breakdown voltage. Capacitance-voltage measurements give the capacitance per unit area and the voltage and temperature dependency of the capacitors