Dissertationen

Periodisch strukturierte Oberflächen besitzen eine Reihe interessanter Eigenschaften, die sie unter anderem für den Einsatz im Antennenbereich attraktiv erscheinen lassen. In der vorliegenden Arbeit steht insbesondere deren Anwendung beim Entwurf planarer Antennen im Vordergrund. In diesem Zusammenhang wird zunächst die Wechselwirkung zwischen elektromagnetischen Wellen und periodisch strukturierten Oberflächen diskutiert. Aufgrund der starken Anisotropie periodisch strukturierter Oberflächen ergeben sich dabei zwei grundlegende Betrachtungsweisen: die Wellenausbreitung entlang der Oberfläche, die durch ein ausgeprägtes Dispersionsverhalten gekennzeichnet ist, und die Reflexion an der Oberfläche. Beiden Aspekten wird besondere Aufmerksamkeit geschenkt, dies schließt sowohl die analytische Modellierung als auch die messtechnische Charakterisierung ein. Weiterhin wird das Strahlungsverhalten periodisch strukturierter Oberflächen untersucht, dass mit dem Leckwellenbereich verbunden ist. Der Leckwellenbereich beschreibt einen bestimmten Frequenzbereich im Dispersionsverhalten und stellt die Verknüpfung zwischen der Dispersion entlang und der Reflexion an der Oberfläche dar, wie anhand von Messungen verdeutlicht wird. Bei der Analyse des Strahlungsverhaltens steht insbesondere der Einfluss der Begrenzung der Struktur im Mittelpunkt, die bei der Implementierung zwangsläufig erfolgen muss. Es wird erörtert, inwieweit die begrenzte gegenüber der unbegrenzten Struktur im Hinblick auf eine bestimmte Strahlungscharakteristik zu modifizieren ist. Im Anschluss an die Untersuchungen zum Strahlungsverhalten wird ausführlich auf den Entwurf einer planaren Leckwellenantenne eingegangen, die auf einer begrenzten periodisch strukturierten Oberfläche basiert. Die Antenne zeigt bei zirkularer Polarisation ein konisches Richtdiagramm und misst bei der Mittenfrequenz eine Höhe von˜$\lambda/25$ mit der Freiraumwellenlänge˜$\lambda$. Aufgrund des flachen Aufbaus lässt sich die Antenne prinzipiell auf einer ebenen Oberfläche montieren bzw. in diese einbetten. Das Beispiel hebt hervor, dass Leckwellenantennen auch in Bereichen Anwendung finden können, in denen bisher andere Antennenkonzepte eingesetzt werden. Die Besonderheit von Leckwellenantennen besteht in dem zusätzlichen Freiheitsgrad beim Entwurf, der sich aus dem dispersiven Verhalten ergibt. Neben der Beispielimplementierung wird auch auf eine Reihe weiterer Realisierungen planarer Antennen eingegangen.

Die vorliegende Dissertation beschreibt einen innovativen ultra-breitband (UWB)elektromagnetischen Sensor basierend auf einem Pseudo-Rauschverfahren. Der Sensor wurde für zerstörungsfreies Testen in zivilen Anwendungen entwickelt. Zerstörungsfreies Testen entwickelt sich zu einem immer wichtiger werdenden Bereich in Forschung und Entwicklung. Neben unzähligen weiteren Anwendungen und Technologien, besteht ein primäres Aufgabenfeld in der Überwachung und Untersuchung von Bauwerken und Baumaterialien durch berührungslose Messung aus der Ferne. Diese Arbeit konzentriert sich auf das Beispiel der Auflockerungszone im Salzgestein. Der Hintergrund und die Notwendigkeit, den Zustand der oberflächennahen Salzschichten in Salzminen kennen zu müssen, werden beleuchtet und die Messaufgabe anhand einfacher theoretischer Überlegungen beschrieben. Daraus werden die Anforderungen für geeignete UWB Sensoren abgeleitet. Die wichtigsten Eigenschaften sind eine sehr hohe Messband breite sowie eine sehr saubere Systemimpulsantwort frei von systematischen Gerätefehlern. Beide Eigenschaften sind notwendig, um die schwachen Rückstreuungen der Auflockerungen trotz der unvermeidlichen starken Oberflächenreflexion detektieren zu können. Da systematische Fehler bei UWB Geräten technisch nicht von vorne herein komplett vermeidbar sind, muss der Sensor eine Gerätekalibrierung erlauben, um solche Fehler möglichst gut zu unterdrücken. Aufgrund der genannten Anforderungen und den Nebenbedingungen der Messumgebung unter Tage, wurde aus den verschiedenen UWB-Technologien ein Prinzip ausgewählt, welches pseudozufällige Maximalfolgen als Anregungssignal benutzt. Das M-Sequenzkonzept dient als Ausgangpunkt für zahlreiche Weiterentwicklungen. Ein neues Sendemodul erweitert dabei die Messbandbreite auf 12˜GHz. Die äquivalente Abtastrate wird um den Faktor vier auf 36˜GHz erhöht, ohne den geringen Abtastjitter des ursprünglichen Konzepts zu vergrössern. Weiterhin wird die Umsetzung eines Zweitormesskopfes zur Erfassung von S-Parametern sowie einer automatische Kalibriereinheit beschrieben. Etablierte Kalibrierverfahren aus dem Bereich der Netzwerkanalyse werden kurz rekapituliert und die Adaption des 8-Term Verfahrens mit unbekanntem Transmissionsnormal für das M-Sequenzsystem beschrieben. Dabei werden Kennwerte vorgeschlagen, die dem Bediener unter Tage einfach erlauben, die Kalibrierqualität einzuschätzen und Hinweise auf mögliche Gerätefehler oder andere Probleme zu bekommen. Die Kalibriergenauigkeit des neuen Sensors im Labor wird mit der eines Netzwerkanalysators verglichen. Beide Geräte erreichen eine störungsfreie Dynamik von mehr als 60˜dB in den Systemimpulsantworten für Reflexion und Transmission. Der neu entwickelte UWB Sensor wurde in zahlreichen Messungen in Salzminen in Deutschland getestet. Zwei Messbeispiele werden vorgestellt - ein sehr alter, kreisrunder Tunnel sowie ein ovaler Tunnelstumpf, welcher kurz vor den Messungen erst aufgefahren wurde. Messaufbauten und Datenverarbeitung werden beschrieben. Schließlich werden Schlussfolgerungen und Vorschläge für zukünftige Arbeiten mit dem neuen M-Sequenzsensor sowie der Messung von Auflockerungen im Salzgestein diskutiert.

Die vorliegende Dissertation behandelt die Kanalmodellierung für frequenz-selektive und zeitvariante Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) Funkkanäle sowie deren Anwendungen. Die Arbeit kategorisiert Kanalmodellierungs-Verfahren und stellt die Vor-und Nachteile der häufigsten deterministischen, analytischen, sowie hybriden Kanalmodelle bezüglich Genauigkeit, Komplexität und möglicher Anwendungen, gegenüber. Existierende analytische Kanalmodelle konzentrieren sich ausschließlich auf die räumlichen Korrelationseigenschaften am Sender und Empfänger ohne gleichzeitig die Korrelation in Zeit und Frequenz zu betrachten. Dieses Problem wird mit Hilfe eines Unterraum-basierten analytischen Kanalmodells für frequenz-selektive und zeitvariante MIMO-Funkkanäle gelöst, welches die Korrelationseigenschaften in allen vier Kanaldimensionen gleichzeitig modelliert. Im Rahmen der Entwicklung des Beyond 3G (B3G) Wireless World INitiative New Radio (WINNER) Systems entstand der Bedarf nach einem passenden B3G-Kanalmodell. Trotz der dringenden Notwendigkeit für ein solches Modell war zu diesem Zeitpunkt keines der existierenden Kanalmodelle geeignet. Deshalb wurde im ersten Schritt die Spatial Channel Model Extension (SCME) entwickelt, welche eine B3G-Erweiterung des 3GPP Spatial Channel Models (SCM) darstellt. SCME ist ein Beispiel dafür, wie ein existierendes Kanalmodell erweitert werden kann, um den Anforderungen eines neuen Systems gerecht zu werden. Im Anschluss wurde das WINNER-Kanalmodell entwickelt, welches Multi-User MIMO (MU-MIMO) Simulationen sowohl auf Systemebene als auch auf Linkebene für eine Vielzahl an Umgebungen und Kommunikations-Szenarien des WINNER-Systems unterstützt. Die Neuartigkeiten dieses Kanalmodells sind die realistische Modellierung der gleichzeitigen zeitlichen Variation von Kanalsegmenten, die gegenseitige Abhängigkeit der langsam veränderlichen Parameter, die Unterstützung für nomadische Kanalmodelle und die Verwendung dreidimensionaler Gruppenantennen. Die Analyse von Kanälen für mehrere mobile Satellitenfunksysteme ist das nächste Thema der Arbeit. Die Satellitenkanäle für mobile Empfänger werden mit Hilfe von zwei Prozessen modelliert: Der erste Prozess modelliert den langsamen Schwund mit Hilfe einer Markov-Kette, während der zweite Prozess die Statistik der Signalamplitude modelliert. Der Nachteil der bisherigen Modellierungsansätze für den schwachen Schwund ist die Annahme, dass die Markov-Kette nur erster Ordnung ist. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass diese Idee auf unrealistische Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen der Verweildauern in den Zuständen führt. Weiterhin beachtet keines der existierenden Kanalmodelle die richtige gemeinsame Modellierung der Verweildauern in den Zuständen und der Korrelationen zwischen den Satelliten. Um diese Probleme zu lösen wird ein dynamisches Markov-Kanal Zustandsmodell höherer Ordnung für Verbundprozesse eingeführt. Dieses Modell hängt von der aktuellen Zustandsverweildauer ab und kann die Korrelation zwischen mehreren Kanälen erfassen. Darüber hinaus werden sehr effiziente Approximationen dieses Modells diskutiert. Die Erhöhung der Leistungsmarge der Satellitenverbindung erlaubt den Empfang dieser Signale in Gebäuden. Die entsprechende Leistungsverbesserung durch die Verwendung von Gruppenantennen am Empfänger wurde bislang nicht ausreichend untersucht. Deshalb wird in der vorliegenden Arbeit die räumlich-zeitliche Verfügbarkeit von Satellitensignalen in Gebäuden analysiert. Insbesondere wird dabei die Leistungsfähigkeit von Ein- und Mehrantennenempfängern mit verschiedenen polarimetrischen Richtcharakteristiken und Kopplungseffekten für verschiedene Elevationswinkel der Satelliten sowohl theoretisch als auch mit Hilfe von Messdaten untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die räumliche Diversität sowie die Polarisations-Diversität, die durch die zusätzlichen Antennenelemente gewonnen wird, als auch die räumliche und zeitliche Variation der Empfangsleistung deutlich reduziert. Die Auswahl der spezifischen Antennenkonfiguration, die die beste Verfügbarkeit erreicht, ist dabei abhängig von der Polarisation des Sendesignals und der Empfangsantennen, den Ausbreitungsbedingungen (Line Of Sight (LOS) oder Non Line Of Sight (NLOS)), sowie dem Elevationswinkel des Satelliten. Im letzten Teil der Arbeit wird gezeigt, wie die Erfahrungen aus einem Gebiet wie der Kanalmodellierung genutzt werden können, um auch Aufgabenstellungen aus anderen Gebieten zu lösen. Um dies zu demonstrieren, werden basierend auf den Erfahrungen aus der Kanalmodellierung, Algorithmen zur Kanalprädiktion und der Kanalinterpolation entwickelt.

Die vorliegende Dissertation ist ein Beitrag zur Automatisierung des Schaltungsentwurfs für Elektroniktechnologien mit sehr niedriger Schaltenergie. Sie behandelt die Stabilitätssteigerung von Einzelflussquanten-Schaltungen (engl. Rapid Single Flux Quantum - RSFQ) auf der Grundlage neuer Entwurfswerkzeugeund Schaltungstopologien. Zwar erfolgt die Demonstration der Konzepte am Beispiel von RSFQ-Schaltungen, sie sind jedoch auf jede andere digitale Elektronik übertragbar. Zukünftige Entwicklungen, in denen der Energieverbrauch das entscheidende Entwurfskriterium ist, profitieren von diesen neuen Entwurfswerkzeugen. Schwerpunkt der Arbeit ist die Analyse thermischer Rauscheinflüsse auf die Zuverlässigkeit von empfindlichen Schaltungen. Mit Hilfe einer analytischen Beschreibung wird der Rauscheinfluss quantifiziert und auf dieser Basis die Schaltungsstabilität bewertet. Mit dieser Methode wird erstmals der Zusammenhang zwischen der Topologie einer bestimmten Schaltung und deren Rauschstabilität evaluiert. Die Untersuchungen zeigen, dass ein symmetrischer Schaltungsaufbau eine deutliche Verbesserung der Schaltungsrobustheit sowohl gegenüber Rauscheinflüssen als auch gegenüber herstellungsbedingtenParameterstreuungen zur Folge hat. Zur Realisierung solcher Entwürfe sind Phasenschieberelemente (wie zum Beispiel Pi-Kontakte) erforderlich, deren technologische Grundlagen in den vergangenen Jahren entwickelt wurden. Die notwendigen Schritte zur Implementierung dieser neuen Bauelemente in die RSFQ-Elektronik sind ausführlich in der Arbeit beschrieben und die prognostiziertenVerbesserungen experimentell belegt.

Moderne Systeme der mobilen und der satellitengestützten Breitband-Kommunikationstechnik erfordern effiziente, flexibel einsetzbare, leichte und kompakte Baugruppen mit leistungsfähigen Hochfrequenzeigenschaften. Die vorliegende Dissertation beschreibt die Entwicklung einer miniaturisierten 4 × 4 Mikrowellenschaltmatrix für Anwendungen im Ka-Band (17 . . 22 GHz, downlink) in Single-Pole Multiple-Throw (SPMT)-Architektur und deren Realisierung in niedrigsinternder Mehrlagenkeramiktechnologie (low temperature co-fired ceramics - LTCC). Sie stellt eine repräsentative Schaltungsfunktion satellitengestützter Multimedia- und Kommunikationssysteme dar. Solche Schaltmatrizen sorgen für Verbindungsflexibilität, beispielsweise zum rekonfigurierbaren Rangieren unterschiedlicher Signalquellen an Sendeantennen verschiedener Beleuchtungszonen des Satelliten. Es wird eine interne Signalverteilungstopologie für die Schaltmatrix entwickelt, die mit halbleiterintegrierten SP4T-Schaltern (ein Eingang, vier Ausgänge) ein sehr kompaktes, flächenminimales Modulkonzept mit zweiseitiger Bauelementebestückung ermöglicht. Die vorliegende Entwicklung beinhaltet dabei herausfordernde Design- und Optimierungsaufgaben, um dämpfungsminimale, dreidimensional geführte Verbindungen durch kurze, verlust- und reflexionsminimale LTCC-integrierte Wellenleiter zu realisieren. Ein unverzichtbarer Fortschritt zur Realisierung ist ein zum Patent eingereichtes Wellenleitungskonzept mit sehr hoher Packungsdichte für eine effiziente, sehr breitbandige, dreidimensionale Signalverteilung innerhalb eines LTCC-Moduls, inklusive der entsprechenden Wellenleiterübergänge zur Richtungsänderung und der erforderlichen breitbandigen Kompensationsanordnungen. Der induktivitätsarme Anschluss der halbleiterintegrierten Schalter erfolgt mit Mehrfachbondbändchen. Die breitbandige Impedanzanpassung des Schalter-IC ist ein- und ausgangsseitig jeweils mit einem vierstufigen Anpassungsnetzwerk aus verteilten koplanaren Leitungselementen in Tiefpassstruktur realisiert. Die Verwendung der LTCC-Technologie ermöglicht den für Raumfahrtanwendungen erforderlichen hermetischen Verschluss. Durch die zweiseitige Hybridintegration der Nacktchips, die durchdachte Signalverteilungstopologie und die verlust- und reflexionsarme, dreidimensionale Wellenleitung wurde als bedeutendes Ergebnis dieser Arbeit eine Schaltmatrix mit beachtlichen Verbesserungen bezüglich Funktionalität, Volumen (5 cm^3) sowie Masse (9 g) und damit auch hinsichtlich potenzieller Einsatzbereiche realisiert. Im Vergleich mit konventionellen Schaltmatrizen beträgt der Miniaturisierungsfaktor ca. 1/100. Die aktuell gefertigten Schaltmatrizen präsentieren im Ka-Band mit einer Einfügedämpfung von typisch weniger als 7 dB und einer Reflexionsdämpfung von mindestens 13 dB (häufig >20 dB im Bereich von 10 .. 20 GHz) ein sehr gutes HF-Übertragungsverhalten. Diese robuste, zuverlässige 4 × 4 Mikrowellenschaltmatrix-Baugruppe bestand die durchgeführten Überprüfungen unter Satellitenbedingungen am Boden erfolgreich. Die Raumfahrtqualifikation erfolgt mit einem Forschungssatelliten des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). Der Start ist für Q4/2010 geplant.