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Changes in gene and miRNA expression after neuroendocrine trans-differentiation of prostate cancer cell line LNCaP
No full textDas Prostatakarzinom ist bei Männern die am häufigsten diagnostizierte Krebserkrankung und wird in späten Stadien mit einer Androgen-deprivierenden Therapie (ADT) behandelt. Eine dauerhafte ADT führt jedoch zu einer neuroendokrinen trans-Differenzierung (NETD) von Prostatakarzinomzellen, welche in vielen Fällen in einem aggressiveren Tumorrezidiv resultiert. Obwohl die Ursache und auch einige wichtige Signalwege der NETD bereits bekannt sind, gibt es aktuell keine Behandlungs-möglichkeiten. Daher müssen weitere Gene identifiziert werden, die während der NETD eine wichtige Rolle spielen, um neue therapeutische Ansätze zu liefern. Des Weiteren wurde bislang die Rolle von miRNAs in der NETD nicht genauer untersucht.
Zunächst wurde ein in vitro Modell der NETD von LNCaP Zellen etabliert, um anschließend ein mRNA und miRNA Expressionsprofil von neuroendokrin (NE)-ähnlichen LNCaP Zellen zu erstellen. Dabei wurde festgestellt, dass nach NETD von LNCaP Zellen sowohl die mRNA als auch die miRNA Expression stark verändert ist. Im Anschluss daran wurden putative Zielgene für deregulierte miRNAs vorhergesagt und die Bindung der miRNA an das Zielgen verifiziert. Dabei konnten AKT3, CCND1 und CREB5 als Zielgene der miR-17 Familie identifiziert werden. Durch die Reduktion der miR-17 Familie nach NETD könnte die induzierte Expression der drei Gene, aufgrund ihrer anti-apoptotischen Wirkung, die Apoptose-Resistenz und Androgen-Unabhängigkeit der NE-ähnlichen LNCaP Zellen erklären. Des Weiteren wurde CPEB1 als Zielgen der reprimierten miR-19a, -301a und-425 identifiziert. Das induzierte Protein CPEB1 leitet neben der Zellseneszenz, in einigen Geweben auch die neuronale Differenzierung ein. Außerdem wurde VEGFC als Zielgen der reprimierten miR-128 identifiziert. VEGFC ist in NE-ähnlichen LNCaP Zellen ebenfalls induziert und stimuliert die Vaskularisierung des Tumors. Zum Schluss wurde der Effekt der miR-17 Familie, sowie miR-19a, -301a und -425 auf LNCaP Zellen mittels verschiedener in vitro Assays untersucht. Dabei konnte festgestellt werden, dass Mitglieder der miR-17 Familie eine tumorsuppressive Wirkung und miR-19a, -301a sowie -425 eine onkogene Wirkung auf LNCaP Zellen haben. Somit konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass nach NETD neben der mRNA, auch die miRNA Expression verändert ist und diese direkte Auswirkungen auf zelluläre Eigenschaften der LNCaP Zellen besitzen.Prostate cancer (PCa) is the most commonly diagnosed cancer in men worldwide and is treated with an androgen deprivating therapy (ADT) in late stages. However, permanent ADT leads to a neuroendocrine trans-differentiation (NETD) of PCa cells, which results in a recurrence of a more aggressive tumor. Although the cause and some important signaling pathways of the NETD are already known, there are no treatment options available jet. Therefore, additional genes must be identified that play a significant role during NETD of PCa cells to provide new therapeutic approaches. Furthermore, the role of miRNAs in the NETD of PCa cells has not been further investigated.
First, an in vitro model of NETD of LNCaP cells was established to subsequently generate an mRNA and miRNA expression profile of neuroendocrine (NE) -like LNCaP cells. After NETD of LNCaP cells both the mRNA and the miRNA expression is stongly altered. Subsequently, putative target genes for deregulated miRNAs were predicted and the binding of miRNA to the target gene was verified. AKT3, CCND1 and CREB5 could be identified as target genes of the miR-17 family. The reduced expression of miR-17 family after NETD of LNCaP cells induced the expression of the three genes, which could explain the apoptosis resistance and androgen independence of NE-like LNCaP cells due to their anti-apoptotic effects. Furthermore, CPEB1 was identified as a target gene of the repressed miR-19a, -301a and -425. In addition to cell senescence, the induced CPEB1 protein also induces neuronal differentiation in several tissues. Furthermore VEGFC was identified as a target gene of the repressed miR-128. VEGFC is also induced in NE-like LNCaP cells and stimulates vascularization of the tumor. Finally, the effect of miR-17 family, as well as miR-19a, -301a, and -425 on LNCaP cells was investigated by various in vitro assays. Members of miR-17 family have a tumor suppressive effect while miR-19a, -301a and -425 have an oncogenic effect on LNCaP cells. In this work it could be shown that NETD of LNCaP cells leads to changes in mRNA and miRNA expression and that these miRNAs have direct effects on cellular properties of LNCaP cells
The hostile media effect 2.0: influences of social networking sites on the (hostile) perception of news content
No full textSocial media platforms like Facebook have become crucial venues for news distribution and news consumption. Given this new form of news presentation, the question inevitably arises of how users perceive and process news in the context of social networking sites. In this regard, a key research question is whether people’s perception of news content is influenced by the environment, platform characteristics, and social information (e.g., user-generated comments or “likes”). As proposed by the hostile media effect, partisans tend to perceive neutral news coverage as biased and hostile. Most of the studies examining this effect have focused on a linear reception (e.g., newspapers, TV) of news. Social media, however, challenge the assumptions of the hostile media effect, as different information types (e.g., a news article and social information, such as user-generated comments) converge and seek the user’s attention. Owing to the increase of politically and civically relevant news content on social media platforms, this dissertation analyzes to what extent a biased and hostile perception of news content occurs on social networking sites. More specifically, the present thesis examines (1) whether people perceive news content on social networking sites as biased, (2) to what extent a friend as source or envoy of news content (e.g., via sharing a post) affects people’s biased perception in contrast to a professional journalistic source (e.g., news service), and (3) whether people’s perception of news content is affected by social information on networking platforms (e.g., user-generated comments, likes).
Based on three empirical studies, people’s perception of news content on social networking sites is examined. The first study analyzes to what extent the environment in which news content is published (social networking site vs. homepage of a news service) as well as the source of the news content has an influence on people’s (biased) perception. An online experiment was conducted using a between-subjects design with four conditions varying the source of a news article (N = 212). Results showed a biased perception of a news article when participants’ personal opinion was considered. However, neither an effect of the environment wherein news content was published nor of the source on the perceived hostility of the news content was found. But, results revealed that the source has an influence on the evaluation of the argumentation of the news content. People who saw the news service post on a social networking site rated the arguments of the article as less right, less fair, and less relevant than did participants who saw a post by a friend, a shared post by a friend authored by a news service, or news content on a news service’s website.
Study 2 examines the influence of the source and reach of news content. To this end, it was analyzed to what extent a wide reach increases people’s perceived hostility and bias of the presented news content. Results of an online experiment using a 2 (source: friend vs. news service) × 3 (reach: low, mid, high) between-subjects design (N = 360) showed that people with an extreme opinion perceived the news content as more biased than did participants with a moderate or low opinion. However, neither an effect of the source nor of reach on participants’ perceived news content hostility was found. In line with previous literature, results, however, showed that participants who reported higher perception of a general media slant (prior beliefs) perceived greater bias and hostility of the presented news content.
The third study investigated the influence of source and user-generated comments below a posting on people’s perception of ostensibly neutral news content. An online experiment using a 2 (source: friend vs. news service) × 4 (comments: pro, contra, mixed, none) between-subjects design was conducted (N = 331). Results showed that under consideration of people’s personal opinion, participants perceived a moderate hostile news content perception. Comments, however, did not influence participants’ hostile news content perception. Nevertheless, different standards (fairness, correctness, relevance of the argumentation of news content) were found to influence people’s perception of news content.
Empirical studies of the present work expand prior research and the state of knowledge by testing the hostile media effect in the context of a social networking site and examining the influence of mechanisms and social information on people’s (biased) perception of news content. Moreover, this work points out potential boundaries as well as new perspectives of the hostile media effect in social networking sites and strives for a systematic conceptualization of a complex phenomenon.Social Media Plattformen wie Facebook sind zentrale Orte für die Verbreitung und den Konsum von Nachrichten geworden. Die Frage, welche sich aufgrund dieser Entwicklung stellt ist, ob sich die Wahrnehmung von Nachrichteninhalten durch die Umgebung sowie Plattform-Charakteristika und soziale Informationen, wie z.B. Nutzer-Kommentare, bei den Konsumentinnen und Konsumenten ändert. Vor allem Anhänger bestimmter Meinungen nehmen oftmals neutrale Berichterstattungen als verzerrt und feindselig gegenüber ihrer eigenen Meinung wahr. Dieses Phänomen ist bekannt als Hostile Media Effekt. Die meisten Studien zu diesem Effekt untersuchten dabei die lineare Rezeption von Nachrichten in klassischen Medien, wie Zeitungen und Zeitschriften oder Fernsehen. Soziale Medien hingegen fordern einige Annahmen des Hostile Media Effekts heraus, da auf diesen Plattformen viele Informationen und unterschiedliche Informationstypen zusammenlaufen (z.B. der Nachrichtenartikel und nutzergenerierte Kommentare), die um die Aufmerksamkeit der Nutzenden konkurrieren. Auf Grundlage der steigenden Menge an politischen und gesellschaftlich relevanten Nachrichteninhalten auf Social Media Plattformen wird in dieser Dissertation analysiert inwiefern die verzerrte und feindselige Wahrnehmung von Nachrichteninhalten in sozialen Netzwerkseiten auftritt. In diesem Zuge wird in der vorliegenden Arbeit betrachtet, (1) ob Personen Nachrichteninhalte auf sozialen Netzwerkseiten als verzerrt wahrnehmen, (2) ob ein/e Freund/in als Quelle oder Bote einer Nachricht (z.B. durch das Posten/Teilen von Nachrichteninhalten) zu einer Verringerung der verzerrten Wahrnehmung im Gegensatz zu einer professionellen journalistischen Quelle (z.B. Nachrichtendienst) führt und (3) ob die Wahrnehmung von Personen durch soziale Informationen (z.B. Nutzerkommentare, „Likes“) auf sozialen Netzwerkseiten beeinflusst wird.
Auf Basis von drei empirischen Studien wurde die Wahrnehmung von Nachrichteninhalten auf sozialen Netzwerkseiten untersucht. Dabei untersuchte die erste Studie (N = 212), inwieweit das Umfeld, in dem eine Nachricht veröffentlicht wird (soziale Netzwerkseite vs. Internetseite eines Nachrichtendienstes) sowie die Quelle einen Einfluss auf die Wahrnehmung eines Nachrichteninhalts hat. Ergebnisse dieses Online-Experiments zeigen, dass Personen Nachrichteninhalte als verzerrt wahrnehmen, wenn ihre persönliche Meinung mit einberechnet wird. Es konnte jedoch kein Effekt der Quelle auf die wahrgenommene Verzerrung und Feindseligkeit des Nachrichteninhalts festgestellt werden. Die Ergebnisse zeigten jedoch, dass die Quelle einen Einfluss auf die Evaluation der Argumentation einer Nachricht hat. Personen, die einen Post eines Nachrichtendienstes auf der sozialen Netzwerkseite sahen, nahmen den Inhalt als weniger richtig, weniger fair und weniger relevant wahr.
Studie 2 fokussierte den Einfluss der Quelle und der Reichweite einer Nachricht und untersuchte, ob eine große Reichweite zu einer stärker wahrgenommenen Verzerrung führt. Ergebnisse eines Online-Experiments mit 360 Teilnehmenden (2 [Quelle: Freund vs. Nachrichtendienst] × 3 [Reichweite: klein, mittel, groß] between-subjects design) zeigten, dass Personen mit einer extremen Meinung zu dem präsentierten Thema den Nachrichteninhalt als stärker verzerrt wahrnahmen als Personen mit einer geringen oder moderaten persönlichen Meinung. Es wurden keine Effekte der Quelle sowie der Reichweite auf die wahrgenommene Verzerrung und Feindseligkeit des Nachrichteninhalts gefunden. Die Ergebnisse zeigten, dass Personen, die generell voreingenommen gegenüber den Medien waren (prior beliefs) und die generelle mediale Berichterstattung als verzerrt wahrnahmen, eine größere Verzerrung und Feindseligkeit des gezeigten Medieninhalts wahrnahmen.
Die dritte Studie untersuchte, welchen Einfluss die Quelle sowie Nutzerkommentare auf die Wahrnehmung von neutralen Nachrichteninhalten haben (N = 331). Ergebnisse eines Online-Experiments (2 [Quelle: Freund vs. Nachrichtendienst] × 4 [Kommentare: pro, contra, gemischt, keine]) zeigten gleichermaßen wie bei Studie 1 und 2, dass unter Einbezug der persönlichen Meinung, Personen eine verzerrte Wahrnehmung hinsichtlich des Nachrichteninhalts wahrgenommen haben. Zudem wurde erkenntlich, dass die Fairness, Korrektheit und Relevanz der Argumentation des Nachrichteninhalts (different standards) die Wahrnehmung von Personen beeinflusst. Kommentare hingegen hatten keinen Einfluss auf die Wahrnehmung des Nachrichteninhalts.
Die empirischen Studien dieser Arbeit erweitern den aktuellen Forschungsstand dahingehend, dass der Hostile Media Effekt in einer sozialen Netzwerkseite untersucht wurde und zudem der Einfluss von sozialen Nutzerinformationen auf die (verzerrte) Wahrnehmung von Personen betrachtet wurde. Darüber hinaus zeigt die vorliegende Arbeit potentielle Grenzen sowie neue Perspektiven des Hostile Media Effekts in sozialen Netzwerkseiten auf und strebt nach einer systematischen Konzeptualisierung eines komplexen Phänomens
Spontaneous respiratory alkalosis in patients with chest trauma
No full textMetabolische und respiratorische Azidosen sind bekannte Störungen des Säure-Base-Haushalts nach Thoraxtrauma. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Häufigkeit und Charakteristika respiratorischer Alkalosen nach Thoraxtrauma aufzuzeigen, Hinweise zu beteiligten Pathomechanismen zu sammeln und ihre mögliche klinische Bedeutung abzuschätzen.
In die retrospektiv durchgeführte Studie wurden 50 Patienten mit Thoraxtrauma eingeschlossen. Der Beobachtungszeitraum betrug maximal 20 Tage. Die Schwere des Thoraxtraumas wurde über den „abbreviated injury scale“ (AIS) abgeschätzt. Neben den klinischen Befunden und den therapeutischen Maßnahmen wurden die arteriellen Blutgasanalysen ausgewertet.
Bei ca. 42 % der Patienten war bei Spontanatmung eine respiratorische Alkalose nachweisbar (= spontane respiratorische Alkalose). Diese trat in der Regel in der Spätphase des Intensivstation-Aufenthalts auf und dauerte meist mehrere Tage an. Die PaCO2-Werte variierten um 30 mmHg; zeitweise wurden aber auch deutlich niedrigere Werte erreicht. Bei ca. 75 % der Patienten waren im Verlauf der respiratorischen Alkalose phasenweise PaO2-Werte < 60 mmHg zu finden. Herzkontusionen, Pneumonien und Rippenverletzungen waren bei den Patienten mit respiratorischer Alkalose deutlich häufiger und/oder deutlich stärker ausgeprägt als bei den Patienten ohne respiratorische Alkalose. Ebenfalls war die mechanische Beatmungszeit und somit die Intensivzeit dieser Patienten deutlich länger. Im Bezug auf das Auftreten von Pneumonien, Beatmungszeit, Intensivzeit, „injury severity score“ (ISS) und der Schwere der Rippenverletzungen zeigten sich signifikante bis höchst signifikante Unterschiede.
Eine spontane respiratorische Alkalose ist nach Thoraxtrauma ein regelmäßig zu beobachtendes Phänomen. Wesentlich verantwortlich für die der respiratorischen Alkalose zugrunde liegende Hyperventilation ist wahrscheinlich eine Aktivierung von Rezeptoren in Lunge, Atemwegen und Thoraxwand durch Entzündungsprozesse oder mechanische Irritationen. Eine zeitweise auftretende Hypoxämie kann einen zusätzlichen Beitrag leisten. Gefahr droht bei paralleler metabolischer Alkalose, Hypoxämie, Herzkontusion oder einem zusätzlichem Schädel-Hirn-Trauma.Metabolic and respiratory acidosis are known disorders of the acid-base balance after thoracic trauma. The aim of the present study was to demonstrate the frequency and characteristics of respiratory alkalosis after chest trauma, to gather information on the involved pathomechanisms and to estimate their possible clinical significance.
The retrospective study included 50 patients with chest trauma. The observation period was a maximum of 20 days. The severity of thoracic trauma was estimated using the abbreviated injury scale (AIS). In addition to the clinical findings and the therapeutic measures, the arterial blood gas analyzes were evaluated.
In about 42% of patients respiratory alkalosis was detected during spontaneous respiration (= spontaneous respiratory alkalosis). This usually occurred in the late phase of ICU stay and usually lasted several days. PaCO2 values varied by 30 mmHg; at times, however, significantly lower values were achieved. PaO2 values <60 mmHg were noticed in about 75% of the patients with respiratory alkalosis . Heart contusions, pneumonia and rib injuries were significantly more frequent and / or significantly more pronounced in patients with respiratory alkalosis than in those without respiratory alkalosis. Also, the mechanical ventilation time and thus the intensive care time of these patients was significantly longer. Significant to highly significant differences were seen in the incidence of pneumonia, respiratory time, ICU, injury severity score (ISS) and severity of rib injury.
Spontaneous respiratory alkalosis is a regularly observed phenomenon after thoracic trauma. Significantly responsible for the respiratory alkalosis underlying hyperventilation is probably activation of receptors in the lungs, respiratory tract and thoracic wall by inflammatory processes or mechanical irritation. A temporary hypoxemia can make an additional contribution. A combination with metabolic alkalosis, hypoxemia, heart contusion or additional craniocerebral trauma is dangerous
Entwicklung und Etablierung mehrerer Snapshot-Assays zur Bestimmung mitochondrialer Haplogruppen in unterschiedlichen europäischen und afrikanischen Populationen
No full textDie molekulargenetische Analyse zur Erstellung individualspezifischer DNA-Profile ist das wichtigste Instrument in der Verbrechensbekämpfung weltweit. Anhand eines Abgleichs der DNA-Profile von Spuren mit Tatverdächtigen kann der Täter ermittelt werden.
Gibt es allerdings keine tatverdächtigen Personen, kann es für die Polizei von Bedeutung sein, wenigstens die Ursprungspopulation dieser unbekannten Tatortspuren ermitteln zu können. Eine Möglichkeit hierzu ist die Analyse mitochondrialer DNA (mtDNA), die eine Vielzahl von single nucleotide polymorphism (SNP) aufweist, welche die Zuordnung in definierte Haplogruppen erlauben. Ein hierarchisch strukturiertes System bildet die Grundlage für diese Zuweisung. Das Vorkommen sowie die Verteilung der Haplogruppen kann in unterschiedlichen Populationen sehr stark variieren, sodass mit ihrer Hilfe eine Aussage zur ethnischen Herkunft des Täters getroffen werden und somit ein wichtiger Hinweis für die weiteren Kriminalermittlungen gegeben werden kann.
Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Etablierung mehrerer SNaPshot Assays mit insgesamt 85 SNPs zur routinemäßigen Bestimmung jener Haplogruppen. Für die Validierung dieser Methode werden die Haplogruppen von über 400 Probanden vom Balkan, aus der Türkei, dem Nahen Osten sowie Nord- und Westafrika bestimmt
Analyse eines neuartigen, allosterischen Inhibitors der AAA+ ATPase p97 und seines Mechanismus
No full textThe hexameric AAA+ ATPase p97/VCP is an abundant enzyme found in the cytoplasm and the nucleus and an essential part of protein homeostasis. In concert with the proteasome, p97 is involved in the degradation of ubiquitinated proteins. These substrate proteins can be unfolded by p97 using the energy provided by ATP hydrolysis. The enzyme harbors two ATPase domains, D1 and D2, that regulate the activity and conformation of p97. To understand the mechanism and function of p97 on the molecular and cellular level, inhibitors of p97 emerged as invaluable research tools that facilitated numerous experiments. Furthermore, a p97 inhibitor is currently in clinical trials to treat cancer types like multiple myeloma that rely on an effective ubiquitin proteasome system to deal with stress caused by aberrant or excessively synthetized proteins.
Our goal was to evaluate a new compound as an inhibitor of p97 that emerged from a high throughput screen. We confirmed that the compound called I8 inhibits purified p97 reversibly with an IC50 of 7 μM. To test the selectivity of I8, we used the AAA+ ATPases NSF and VPS4B. NSF is essential for trafficking and secretion and VPS4B is a key factor for reverse topology abscission events at membranes. We found that I8 has weak activity against NSF, whereas VPS4B is inhibited with an IC50 of 0.7 μM. Subsequently, we showed that I8 inhibits both ATPases p97 and VPS4B via an allosteric mechanism. Moreover, our study implicated a non-competitive inhibition, which is binding between I8 and p97 independently of ATP binding. Structure activity relationship studies revealed that the fluorinated bisphenyl and tetrahydrocarbazole group are important structural features of I8. We investigated effects of I8 on the structure of p97 and found that it does not influence the hexamerization but increases the stability of the D2 domain against degradation. Via mass spectrometry analysis and comparison of I8 with known p97 inhibitors, we found potential homologous binding sites of I8 in the p97 D1 and D2 domains and in VPS4B. The comparison revealed a possible shared inhibitory pathway in p97 between a diverse set of inhibitors that disrupts the inter-domain communication in the D2 domains.
In summary, our characterization of a novel ATPase inhibitor identified a possible general mechanism of action common to different classes of inhibitors.Die AAA+ ATPase p97/VCP ist ein hexameres Enzym, das in hoher Anzahl im Zytoplasma und Zellkern vorkommt und einen essentiellen Beitrag zur Proteinhomöostase leistet. Zusammen mit dem Proteasom ist p97 am Abbau von ubiquitinierten Proteinen beteiligt, die von p97 unter ATP Verbrauch entfaltet werden können. Das Enzym besitzt zwei ATPase-Domänen, D1 und D2, die die Aktivität und Konformation von p97 regulieren. Um den Mechanismus und die Funktion von p97 auf der molekularen und zellulären Ebene zu verstehen, dienen p97 Inhibitoren als wertvolle Forschungsinstrumente, die zahlreiche Experimente ermöglicht und erleichtert haben. Einer dieser Inhibitoren wird außerdem in klinischen Tests gegen Krebstypen wie das Multiple Myelom eingesetzten, die ein effektives Ubiquitin Proteasome System benötigen um mit Stress umzugehen, der von falsch gefalteten oder überzähligen Proteinen verursacht wird.
In dieser Studie untersuchten wir eine neue Substanz, die als p97 Inhibitor in einem Hochdurchsatz-Screening gefunden wurde. Wir konnten bestätigen, dass die I8 genannte Substanz aufgereinigtes p97 reversibel mit einem IC50 Wert von 7 μM inhibiert. Um die Selektivität zu überprüfen, nutzten wir die mit p97 verwandten AAA+ ATPasen NSF und VPS4B. NSF ist ein essentieller Bestandteil des Transport- und Sekretionssytems, VPS4B ist ein Schlüsselelement in Abschnürungsvorgängen reverser Topologie von Membranen. Wir fanden heraus, dass I8 nur eine schwache Aktivität gegen NSF hat, VPS4B jedoch mit eine IC50 von 0,7 μM inhibiert. Daran anschließend zeigten wir, dass die ATPasen p97 und VPS4B durch einen allosterischen Mechanismus inhibiert werden. Außerdem deutete unsere Studie eine nicht-kompetitive Inhibition an, das heißt eine Bindung zwischen I8 und p97 unabhängig von der ATP Bindung. Untersuchungen zur Struktur-Wirkbeziehung zeigten, dass die fluorierte Bisphenyl- und Tetrahydrocarbazolgruppe wichtige Teile des I8 Moleküls darstellen. Wir untersuchten den Einfluss von I8 auf die Struktur von p97 und fanden heraus, dass es nicht die Hexamerisierung beeinträchtigt aber die D2 Domäne gegen Verdau schützt. Durch eine massenspektrometrische Analyse und dem Vergleich von I8 mit anderen p97 Inhibitoren fanden wir eine mögliche homologe Bindestelle in den beiden p97 ATPase Domänen und in VPS4B. Dieser Vergleich zeigte auch einen möglichen Signalweg auf, der von unterschiedlichen Inhibitoren genutzt wird, um die Kommunikation zwischen den D2 Domänen zu stören
Netzwerk-Visualisierungen als Group Awareness Tools für Computerunterstütztes Kollaboratives Lernen in Soziale Medien
No full textComputer-supported collaborative learning (CSCL) provide rich contexts for learners to interact with each other and with various technological, instructional, and knowledge artifacts (e.g., web apps, learning resources) to jointly accomplish a learning goal. Social media platforms, especially social networking sites (SNS), help foster these interactions through features for communication and resource sharing. Yet they tend to lack some features for meaningful CSCL discussions, such as contextual cues that help learners know more about their co-learners. One way to overcome this is through group awareness tools that visualize key social and cognitive information about group members (e.g., activity, level of knowledge) to help groups establish a common frame of reference.
The four studies included in this work contribute to research about group awareness tools by exploring their usefulness during CSCL on social media. In particular, they explored how network visualizations, which represent relations between actors in a social network, can be used as group awareness tools that depict relations between learners and artifacts in CSCL environments. Network visualizations are used in social network analysis (SNA) to measure and represent structural relations. Although a promising method, SNA is relatively less-established in CSCL compared to learning analytics, a related field that uses techniques to perform analysis on learning-related data and transforms them into applications to impact learning.
Studies 1 and 2 are literature reviews of SNA as a technique to reveal important actors and relations in CSCL. Their results show that studies have limited their understanding of CSCL to direct interaction (i.e., communication) between learners. As such, they do not take into account mediated interactions between learners and artifacts in their environment. It had further emerged that messages exchanged between learners are a prominent knowledge artifact in CSCL environments. Based on these results, Studies 3 and 4 investigate network visualizations as applications in CSCL, namely as group awareness tools that visualized knowledge artifacts (i.e., terms from learners' messages) as cognitive information in a network graph (i.e., SNA as an application). These tools were evaluated in field studies to support collaborative argumentation on SNSs. The results suggest that although the tools led learners to exchange arguments with non-friends and develop awareness of multiple perspectives, these did not necessarily lead to multiple-perspective taking. The networked arrangement of group information emphasized similarities in cognitive information. This finding is different from other group awareness tools that tend to highlight dissimilarities, which learners could discuss in order to reduce any disparities. Future CSCL studies that use SNA should thus consider exploring learner-artifact interactions in order to better contextualize the relations beyond direct communication. Moreover, future studies should look into combining the tools with argumentation scripts that help learners consider the merits of discussing dissimilar cognitive information.Computerunterstütztes kollaboratives Lernen (CSCL) bietet Lernenden vielfältige Möglichkeiten, sich untereinander auszutauschen und mit verschiedenen technologischen, didaktischen und wissensbezogenen Artefakten (z.B. Webanwendungen oder Lernressourcen) zu interagieren, um gemeinsam ein Lernziel zu erreichen. Social-Media-Plattformen, insbesondere Social-Networking-Sites (SNS), unterstützen solche Interaktionen, indem sie Funktionen für die Kommunikation und das Teilen von Ressourcen bereitstellen. Dennoch fehlen ihnen Funktionen, die lernförderliche CSCL-Diskussionen hervorrufen, beispielsweise die Bereitstellung kontextueller Hinweise, die den Lernenden helfen, mehr über ihre Mitschüler zu erfahren. Hierbei können Group Awareness Tools Abhilfe schaffen, die wichtige soziale und / oder kognitive Informationen über Gruppenmitglieder (z.B. Aktivitäten oder Wissensstände) visualisieren und damit eine Basis für die gemeinsame Planung und Durchführung von Interaktionen schaffen.
Die vier Studien in dieser Arbeit tragen zur Erforschung solcher Group Awareness Tools bei, indem sie die Nützlichkeit besagter Tools beim computerunterstützen kollaborativen Lernen in sozialen Medien untersuchen. Insbesondere wurde untersucht, wie Netzwerk-Visualisierungen, die Beziehungen zwischen Akteuren in sozialen Netzwerken repräsentieren, für Group Awareness Tools adaptiert werden können, um Zusammenhänge zwischen Lernenden und Artefakten in CSCL-Umgebungen zu verdeutlichen. Netzwerk-Visualisierungen werden in der sozialen Netzwerkanalyse (SNA) genutzt, um strukturelle Zusammenhänge zu erfassen und darzustellen. Obwohl sie eine vielversprechende Methode ist, ist die SNA im Bereich CSCL weniger etabliert als im artverwandten Bereich Learning Analytics, der SNA zur Analyse lernbezogener Daten und zur Umsetzung lernförderlicher Anwendungen nutzt.
In den Studien 1 und 2 werden Literaturrezensionen von CSCL-Studien vorgestellt, in denen SNA als Methode eingesetzt wird, um wichtige Akteure und deren Beziehungen im Kontext von CSCL aufzudecken. Hierbei zeigt sich eine Beschränkung der analysierten Studien darauf, dass CSCL allein als direkte Interaktion (d.h. Kommunikation) zwischen Lernenden verstanden wird. Damit berücksichtigen diese Studien keine Wechselwirkungen zwischen Lernenden und den Artefakten in ihrer Umgebung. Zudem hat sich herausgestellt, dass Aussagen, die Lernende in CSCL-Umgebungen miteinander austauschen, ein bedeutsames, wissensbezogenes Artefakt sind. Diese Ergebnisse wurden genutzt, um Group Awareness Tools zu designen, die Wissensartefakte (d.h. Begriffe aus Aussagen von Lernenden) als kognitive Informationen in einem Netzwerkgraph visualisieren. In den Studien 3 und 4 wurden diese Tools anhand von Feldstudien evaluiert, um das kollaborative Argumentieren auf SNS zu unterstützen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Werkzeuge zwar dazu führten, dass Lernende Argumente mit anderen austauschten, die nicht ihre Freunde sind, und Kenntnisse verschiedener Perspektiven ausbildeten, dies aber nicht unbedingt zu einer Einnahme verschiedener Perspektiven führten. Die vernetzte Anordnung von Informationen über die Gruppe betonte zudem Ähnlichkeiten bezüglich kognitiver Informationen. Dieses Ergebnis unterscheidet sich von den Ergebnissen zu anderen Group Awareness Tools, die auf eine Hervorhebung von Unähnlichkeiten abzielen, die von Lernenden zur Verringerung ihrer Ungleichheiten diskutiert werden können. Zukünftige CSCL-Studien, die SNA verwenden, sollten daher Lerner-Artefakt-Interaktionen untersuchen, um Zusammenhänge von Interaktionen, die über die direkte Kommunikation hinausgehen, besser zu ergründen. Zusätzlich sollten zukünftige Studien Group Awareness Tools mit Argumentationsskripten kombinieren, die den Lernenden helfen, die Vorzüge von Diskussion über abweichende kognitive Informationen
Ultrafast acoustic response of semiconductor heterostructures analyzed by time-resolved hard X-ray diffraction
No full textLattice dynamics has a major effect on fundamental properties of materials due to the coupling between structural, electronic and magnetic degrees of freedom. In particular, stress and strain can alter
the physical properties of semiconductors, such as electronic band structure and carrier transport properties. These effects have become particularly important in modern nano-scale electronic devices
and are also used to “strain”-engineer materials with tailored properties, both statically and dynamically. Ultrafast time-resolved X-ray diffraction in combination with short pulse laser excitation is a promising approach to study transient strains in materials with atomic-scale spatial and the required high temporal
resolution. Ultrashort laser pulses provide the ability to deliver energy into confined regions of a material on very short time-scales. This energy is initially deposited in the electronic subsystem. Subsequently, the “hot” carriers transfer their excess energy to the lattice on typical time-scales of just a few ps. Both the electronic excitation as well as the quasi-isochoric heating of the material lead to a nearly instantaneous increase in pressure. Relaxation of the pressure triggers strain waves, which can be regarded as a coherent superposition of acoustic phonons. In this work, a new optical-pump - X-ray-probe setup, based on ultrashort X-ray pulse generation at 4.5 keV (Ti-Kα1) with the help of a laser-driven plasma, was designed, constructed and carefully characterized. In particular, the usable X-ray flux delivered to the sample under study was increased by almost an order of magnitude compared to all previous setups used at the University of Duisburg-Essen. The enhanced X-ray flux (~ 105 photons/pulse), small X-ray focus on the sample (Ø ~ 80 μm), femtosecond X-ray pulse duration and the high monochromaticity make this setup the perfect tool to measure high quality X-ray diffraction patterns to follow even subtle transient changes in a pump-probe experiment.
Based on this, ultrafast time-resolved X-ray diffraction is applied to study the dynamics of lasergenerated coherent acoustic phonons (CAP) in a Ge(111)-Si(111) heterostructure following fs optical
excitation. By measuring the transient changes of the angular distribution of Bragg-diffracted X-rays (rocking curves) as a function of pump-probe delay time, we are able to follow the strain evolution in
both the Ge thin film (180 nm) as well as the Si substrate. A time-dependent function, with an initial isochoric rise followed by an exponential decay, is introduced to model the photo-induced pressure in Ge. Based on this, the experimental data are numerically reproduced. This allows to estimate the fluencedependent
electronic and thermo-elastic pressure contributions as well as the pressure decay time which is comparable to the acoustic response time scale defined as the Ge film thickness divided by sound
velocity. It is found that Auger recombination of the excited electron-hole plasma and the associated “slow” heating of the lattice (Auger heating) are responsible for the observed time- and fluencedependent
stress driving the CAP.Die Dynamik des Gitters hat einen weitreichenden Einfluss auf die fundamentalen Eigenschaften von Materie durch die Kopplung von strukturellen, elektronischen und magnetischen Freiheitsgraden.
Insbesondere gerichteter Druck und Deformationen können die physikalischen Eigenschaften von Halbleitern, wie die elektronische Bandstruktur und den Ladungstransport beeinflussen. Diese Effekte
haben insbesondere in modernen nano-skaligen Bauelementen an Bedeutung gewonnen und werden, sowohl statisch als auch dynamisch, auch zum gezielten Materialdesign verwendet. Ultraschnelle Röntgenbeugung in Kombination mit Ultrakurzimpulsanregung ist ein vielversprechender Ansatz,
transiente Verspannungszustände in Materie mit atomarer räumlicher und der notwendigen zeitlichen Auflösung zu untersuchen.
Ultrakurze Laserimpulse liefern die Möglichkeit, Energie in begrenzte Bereiche eines Materials auf sehr kurzen Zeitskalen einzubringen. Diese Energie ist zunächst im elektronischen Subsystem deponiert.
Anschließend transferieren die erzeugten „heißen Ladungsträger“ ihre Überschussenergie auf der Zeitskala von typischerweise Pikosekunden an das Gitter. Beides, die elektronische Anregung sowie die
quasi-isochore Heizung des Materials führen zu einer nahezu instantanen Erhöhung des Druckes. Die Relaxation dieses Druckes erzeugt Verspannungswellen, welche als kohärente Superposition von
akustischen Phononen verstanden werden können.
In dieser Arbeit wurde ein neues Anregungs-Abfrage-Experiment, basierend auf ultrakurzen Röntgenpulsen bei 4.5 keV (Ti-Kα) welche durch ein laser-getriebenes Plasma erzeugt werden, entwickelt, aufgebaut und sorgfältig charakterisiert. Insbesondere der nutzbare Röntgenfluss auf der Probe wurde um beinahe eine Größenordnung gegenüber allen vorherigen Aufbauten an der Universität
Duisburg-Essen gesteigert. Der erhöhte Röntgenfluss (105 Photonen/Impuls), der kleine Röntgenfokus (Ø ~ 80 μm), die Femtosekunden Röntgenimpulsdauer und die hohe Monochromazität machen diesen Aufbau zu einem perfekten Werkzeug um hochqualitative Röntgenmuster zur Verfolgung von selbst
feinsten Änderungen in Anrege-Abfrage-Experimenten zu erzeugen.
Die ultraschnelle Röntgenbeugung wurde angewendet um die Dynamik von laser-angeregten, kohärenten akustischen Phononen (CAP) in Ge(111)-Si(111) Heterostrukturen zu untersuchen. Durch
Messung der transienten Änderungen der Winkelverteilung Bragg-gestreuter Röntgenstrahlen („rocking curves“) als Funktion der Anrege-Abfrage-Zeit waren wir in der Lage, die Entwicklung der
Verspannungen in beiden Materialien zu verfolgen. Eine zeitabhängige Funktion mit anfänglicher isochorem Anstieg, gefolgt von einem exponentiellen Abfall wurde eingeführt um den photoinduzierten
Druck in Ge zu modellieren. Basierend hierauf wurden die experimentellen Daten reproduziert. Dies erlaubt eine Abschätzung der fluenzabhängigen elektronischen und thermoelastischen
Druckbeiträge sowie der Druckrelaxationszeiten (welche vergleichbar sind mit den akustischen Antwortzeiten in Ge, gegeben durch das Verhältnis von Filmdicke und Schallgeschwindigkeit), abzuschätzen. Es wurde geschlussfolgert, dass Auger-Rekombination des
angeregten Elektron-Loch Plasmas und die damit einhergehende langsame Aufheizung des Gitters („Auger heating“) verantwortlich sind für die beobachtete zeit- und fluenzabhängige Verspannung,
welche die CAP treibt
Characterization of Photocleavable Block Copolymer Ultra-Thin Films
No full textBlock copolymers have been widely studied in recent years because of their ability to form defined nanostructures with different morphologies and adjustable periodicity. This ability is based on the fact that covalently linked polymer blocks are arranged in well-ordered domains due to both positive enthalpy of mixing and small entropy of mixing. This process is called microphase separation and the molecular size of the individual polymer chains determines their separation distance. In addition, macrophase separation can be avoided, leading to thermodynamically stable nanostructured microdomains.
The investigation of highly-ordered thin films is one of the outstanding fields of research in the context of block copolymers since they enable a versatile self-assembled morphology in the range of 5-50 nm by means of a “bottom-up” approach. They promise applications such as polymer membranes or templates for nanostructured materials. Among the block copolymer structures, vertical cylinders have received great attention because of their ability to produce highly-ordered nanopores. Nanopores can be formed from a thin block copolymer film by removing one block by selective etching or by dissolving a polymer block. In this study, polystyrene-block-poly(ethylene oxide) diblock copolymer is used with ortho-nitrobenzyl ester (ONB) as a photocleavable block linker (PS-hν-PEO). The pore material PEO is washed out by a suitable solvent after the two blocks are photocleaved applying mild UV radiation. This results in an arrangement of nanopores which are decorated with functional groups, leading to materials for adsorption or filtration purposes.
In the first step of the work, the efficiency of the photocleavage was investigated in solution by FCS measurements in order to determine the exposure time with UV at 365 nm for a quantitative cleavage of the two polymer blocks.
In the following experiments ultra-thin polymer films are prepared on top of a silicon substrate and the desired arrangement of the films is then generated by solvent vapor annealing. The adjustment of the solvent vapor is of great importance in the treatment in order to manage the forces at the substrate/polymer film interface and to obtain cylinders perpendicular to the sample surface. For the characterization of the thin films, microscopic methods were combined with X-ray scattering methods to represent both the surface and the internal structure of the films.
Further work deals with the removal of the pore material by washing with a suitable solvent. After the films were cleaved with UV, the kinetic behavior of the films was identified towards the two solvents ethanol and ultra-pure water. A washing protocol was prepared for both solvents and the effect of the solvent nature on the internal as well as the surface structure was verified. For this purpose, grazing-incidence small-angle X-ray scattering (GISAXS) and atomic force microscopy (AFM) were performed.
Based on this, the treatment of the polymer film during the washing process was observed in real time in order to draw conclusions about the dynamics of the removal process. In-situ X-ray reflectivity measurements provide statistically significant information about the change in the layer thickness as well as the roughness of the polymer film during pore formation. By in-situ AFM measurements, the structure analysis of the ultra-thin block copolymer films was completed and thus the temporal effect of the washing process was elaborated.
This thesis deals with experimentally advanced analytical techniques, which have been extended with regard to their application in the field of thin films of block copolymer research. As a result, the approach of photocleavable block copolymer thin films was put under scrutinity and evaluated regarding its feasibility.Block Copolymere wurden in den letzten Jahren ausgiebig untersucht, da sie die Fähigkeit besitzen, definierte Nanostrukturen mit verschiedener Morphologie und einstellbarer Periodizität zu bilden. Diese Fähigkeit beruht darauf, dass kovalent verknüpfte Polymerblöcke sich aufgrund ihrer positiven Mischenthalpie und geringen Entropie des Mischens in wohlgeordnete Domänen einordnen. Dieser Prozess wird als Mikrophasenseparation bezeichnet und die Molekülgröße der einzelnen Polymerkette bestimmt ihren Abstand. Zusätzlich kann eine Makrophasentrennung vermieden werden, die zu thermodynamisch stabilen nanostrukturierten Mikrodomänen führt.
Die Untersuchung von hochgeordneten Dünnschichten stellt eines der herausragenden Forschungsgebiete im Zusammenhang mit Block Copolymeren dar, da sie durch einen „Bottom-up“-Ansatz vielseitige selbstorganisierte Morphologien im Größenbereich von 5-50 nm ermöglichen. Sie versprechen Anwendungen wie in Polymermembranen oder Schablonen für nanostrukturierte Materialien. Unter den Blockcopolymerstrukturen haben senkrecht-stehende Zylinder aufgrund ihrer Fähigkeit, hochgeordnete Nanoporen herzustellen, große Aufmerksamkeit erhalten. Nanoporen können aus einem dünnen Blockcopolymerfilm durch das Entfernen eines Blocks, durch selektives Ätzen oder durch Auflösung eines Polymerblocks erzeugt werden. In dieser Arbeit wird Polystyrolblock-Poly(ethylenoxid)-Diblockcopolymer (PS-hν-PEO) mit ortho-Nitrobenzylester (ONB) als photospaltbaren Blocklinker verwendet. Das Porenmaterial PEO soll durch ein geeignetes Lösungsmittel herausgewaschen werden, nachdem die beiden Blöcke mittels milder UV-Strahlung photolytische gespalten werden. Dabei entsteht eine Anordnung von Nanoporen, die mit funktionellen Gruppen versehen sind, wodurch sich Adsorptions- oder Filtrationszwecke ergeben.
Im ersten Schritt der Arbeit wurde die Effizienz der Photospaltung zunächst in Lösung mittels FCS geprüft, um die Belichtungszeit mit UV bei 365 nm für eine quantitative Spaltung der beiden Polymerblöcke zu bestimmen.
Im darauffolgenden Kapitel werden die ultra-dünnen Polymerfilme auf ein Siliziumsubstrat aufgebracht und anschließend die gewünschte Anordnung der Filme durch Behandlung mit Lösungsmitteldampf hergestellt. Das Einstellen des Lösungmitteldampfes ist bei der Behandlung von großer Bedeutung, um die Kräfte an der Grenzfläche Substrat/Polymerfilm zu bewältigen und somit senkrecht zur Probenoberfläche stehende Zylinder erhalten zu können. Zur Charakterisierung der dünnen Filme wurden mikroskopische Methoden mit Röntgenstreumethoden kombiniert, um sowohl die Oberflächentopologie als auch die innere Struktur der Filme abzubilden.
Der weitere Verlauf der Arbeit handelt vom Entfernen des Porenmaterials durch Herauswaschen mit geeignetem Lösungsmittel. Nach dem die Filme mit UV gespalten wurden, wurde das kinetische Verhalten der Filme gegenüber den beiden Lösungsmittel Ethanol und reinst Wasser untersucht. Für beide Lösemittel wurde ein Waschprotokoll erstellt und der Einfluss des Lösemittels auf die innere Struktur sowie Oberflächenstruktur geprüft. Hierzu wurden Röntgenkleinwinkelstreuung unter streifendem Einfall (GISAXS) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) durchgeführt.
Basierend darauf wurde die Behandlung des Polymerfilms während des Waschvorgangs in Echtzeit beobachtet, um Rückschlüsse über das dynamische Verhalten zu ziehen. In-situ Röntgenreflektivität Messungen liefern statistisch signifikante Informationen über die Änderung der Schichtdicke sowie der Rauigkeit des Polymerfilms während der Porenbildung. Durch in-situ AFM Messungen wurde die Strukturanalyse der ultra-dünnen Block Copolymerfilme vervollständigt und somit der zeitliche Einfluss des Waschvorgangs ausgearbeitet.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit experimentell anspruchsvollen Analysetechniken, die hinsichtlich ihrer Durchführbarkeit auf dem Gebiet der Polymerforschung erweitert wurden. Dadurch konnte der Ansatz der photospaltbaren Block Copolymer Dünnfilme auf den Prüfstand gestellt und bezüglich ihrer Realisierbarkeit bewertet werden
Prognostischer Wert des Kollateralstatus in der cerebralen CT-Angiographie für die Rekanalisationsrate, Komplikationen und das funktionelle Langzeit-Outcome nach mechanischer Thrombektomie beim ischämischen Schlaganfall der vorderen Zirkulation
No full textIn der vorliegenden Dissertation wurden zwei validierte Scores für die Erhebung des Kollateralstatus mittels CT-Angiographie (CTA) im Versorgungsgebiet der A. cerebri media bei einem prospektiven und konsekutiven Kollektiv von akuten Schlaganfallpatienten mit einem Gefäßverschluss der vorderen Hirnzirkulation, die mittels Stent-Retriever-basierter mechanischer Thrombektomie (MT) behandelt wurden, eingesetzt. Es konnte gezeigt werden, dass Patienten mit einem schlechten Kollateralstatus sowohl unmittelbar nach der Intervention als auch im funktionellen Langzeit-Outcome aufgrund einer größeren Infarktdemarkierung und höheren Rate an symptomatischen Hirnblutungen deutlich seltener von einer MT profitieren als Patienten mit einem moderaten oder guten Kollateralstatus und eine sehr hohe Mortalität im Langzeit follow-up aufweisen. Dabei fand sich keine Assoziation zwischen einer erfolgreichen Rekanalisation und dem Kollateralstatus. Der Tan-CTA-Kollateral-Score wies gegenüber dem Miteff-CTA-Kollateral-Score eine höhere Interrater-Reliabilität zwischen einer neurologischen Assistenzärztin und einem neuroradiologischen Oberarzt bei Schlaganfallpatienten mit einer Beteiligung des Mediaversorgungsgebietes auf und konnte zuverlässig auch bei Patienten mit proximalem ACI-Verschluss eingesetzt werden. Damit stellt der Tan- CTA-Kollateral-Score ein für den klinischen Alltag einfach anwendbares Instrument dar, dass neben dem Ausmaß einer schon vorhandenen Infarktdemarkierung im nativen CT, der Perfusionsmessung und dem Zeitfenster als weitere wichtige Entscheidungshilfe in der Indikationsstellung für eine MT eingesetzt werden kann. Aus diesem Grund wäre eine Standardisierung der CTA-Protokolle in Kliniken, die akute Schlaganfallpatienten behandeln, wünschenswert
Laminat-Basierte Integrationsplattformen für Millimeterwellen-RoF-Photodioden-Module
Full text linkThis 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