A study of electromagnetic shielding properties of Ni79Fe16Mo5/copper films

The plane wave electromagnetic interference (EMI) shielding properties of DC sputtered Ni79Fe16Mo5 and copper layers were studied according to ASTM D 4935-89 on frequency range of 50 MHz – 2.5 GHz and RF magnetic shielding effectiveness by shielded magnetic loop probes. Results show that Ni79Fe16Mo5 provides better RF magnetic shielding above the layer thickness of approximately 120 nm. Copper provides better plane wave shielding effectiveness. The effect of shield internal interfaces was studied by depositing thin multilayer structures with and without a dielectric spacer layer.

Magnetic sputtering of complex oxides

HTSC materials are relevant in modern microelectronics, because of their transformation from the normal state to the superconducting. That is why the idea of producing HTSC in industrial amounts is actual nowadays. To decrease cost of their production it is important to use magnetron sputtering systems which give the best results for essential parameters. Modeling is the simplest and the fastest way to determine optimum sputtering condition. This thesis concentrates on determination the phases of the whole sputtering process and to find out basic factors of each phase using the modeling. It was find out, that the main factors which influence on the mode of occurrence of the initial stages are the current density of the magnetron discharge and the pressure of sputtering gas. With the modeling also velocity dependences were obtained for YBCO and SmFeAsO. These were compared and difference between them was examined. To support represented model comparison was made with experimental results. This showed that the model gives good results, very similar to the experimental ones. The results of this work were published in annual conference of the finnish physical society.

Coatings on Composites

Polymer based composite materials coated with thin layers of wear resistant materials have been proposed as replacements for steel components for certain applications with the advantage of reduced mass. Magnetron sputtered coatings can be successfully deposited on composite materials. Nevertheless there are number of issues which must be addressed such as limited temperature, which the composite can withstand because of the epoxy binder which is used, the adhesion of the coating to the composite and the limited mechanical support, the hard coating can obtain from the relatively soft epoxy. We have investigated the deposition of chromium nitride, titanium carbide and titanium doped DLC coatings on carbon fibre reinforced composites and various polymers. The adhesion of the coatings has been studied by the pull-off adhesion tester. In general, the failure mechanism has been noticed to be due to the cohesive failure for a wide range of conditions. The wear behavior of the coatings has been noticed to be complicated. Wear tests on coated composites have shown that where the reinforcing fibres are near the surface, the composite samples do not perform well due to breakage of the fibres from the polymer matrix. A fibre free surface has been noticed to improve the wear resistance.

Hydrogen Sensor Application of Anodic Titanium Oxide Nanostructures

Hydrogen (H2) fuel cells have been considered a promising renewable energy source. The recent growth of H2 economy has required highly sensitive, micro-sized and cost-effective H2 sensor for monitoring concentrations and alerting to leakages due to the flammability and explosiveness of H2 Titanium dioxide (TiO2) made by electrochemical anodic oxidation has shown great potential as a H2 sensing material. The aim of this thesis is to develop highly sensitive H2 sensor using anodized TiO2. The sensor enables mass production and integration with microelectronics by preparing the oxide layer on suitable substrate. Morphology, elemental composition, crystal phase, electrical properties and H2 sensing properties of TiO2 nanostructures prepared on Ti foil, Si and SiO2/Si substrates were characterized. Initially, vertically oriented TiO2 nanotubes as the sensing material were obtained by anodizing Ti foil. The morphological properties of tubes could be tailored by varying the applied voltages of the anodization. The transparent oxide layer creates an interference color phenomena with white light illumination on the oxide surface. This coloration effect can be used to predict the morphological properties of the TiO2 nanostructures. The crystal phase transition from amorphous to anatase or rutile, or the mixture of anatase and rutile was observed with varying heat treatment temperatures. However, the H2 sensing properties of TiO2 nanotubes at room temperature were insufficient. H2 sensors using TiO2 nanostructures formed on Si and SiO2/Si substrates were demonstrated. In both cases, a Ti layer deposited on the substrates by a DC magnetron sputtering method was successfully anodized. A mesoporous TiO2 layer obtained on Si by anodization in an aqueous electrolyte at 5°C showed diode behavior, which was influenced by the work function difference of Pt metal electrodes and the oxide layer. The sensor enabled the detection of H2 (20-1000 ppm) at low operating temperatures (50–140°C) in ambient air. A Pd decorated tubular TiO2 layer was prepared on metal electrodes patterned SiO2/Si wafer by anodization in an organic electrolyte at 5°C. The sensor showed significantly enhanced H2 sensing properties, and detected hydrogen in the range of a few ppm with fast response/recovery time. The metal electrodes placed under the oxide layer also enhanced the mechanical tolerance of the sensor. The concept of TiO2 nanostructures on alternative substrates could be a prospect for microelectronic applications and mass production of gas sensors. The gas sensor properties can be further improved by modifying material morphologies and decorating it with catalytic materials.

Evaluation of GPRS Radio Link Control Layer in Weak RF Field

General Packet Radio Service (GPRS) mahdollistaa pakettimuotoisen tiedonsiirron GSM-verkossa. Se tarjoaa yhteyden pakettidataverkkoihin, nostaen samalla tiedonsiirtonopeutta radiorajapinnassa. Radioresurssit ovat varattuna vain silloin kun on jotain lähetettävää, tehden täten radioresurssien käytön paljon tehokkaammaksi. Tämä diplomityö keskittyy GPRS protokollaan ja erityisesti sen datapinossa olevaan Radio Link Control (RLC) kerrokseen. RLC-kerros huolehtii GPRS- puhelimen ja tukiaseman välisen yhteyden luotettavuudesta. Työn tavoitteena on tutkia RLC-kerroksen toiminnallisuutta ja sen luotettavuutta heikossa kentässä, sekä selvittää heikon kentän vaikutusta uudelleenlähetyksiin. Työn tuloksena saadaan arvio signaalin voimakkuuden sekä uudelleen lähetysten vaikutuksesta GPRS:n datansiirtonopeuteen. Tämä työ käsittelee myös lyhyesti GSM-järjestelmää, koska lukijan on näin helpompaa ymmärtää myös GPRS-järjestelmän vaatimia teknisiä muutoksia. Tämä diplomityö on tehty osana Nokia Matkapuhelimet Oyj:ssä käynnissä olevaa GPRS tuotekehitysprojektia. Työn tuloksia käytetään testauksen tukena ja niitä on käytetty apuna RLC-kerroksen luotettavuustestauksen suunnittelussa.

RF Field Immunity of a Network Terminating Unit at Over One Gigaherz Frequencies

Työssä tutkitaan telepäätelaitteen yli gigahertsin taajuisen säteilevän RF kentän sietoisuutta. Mittauksissa testattava laite on Tellabs Oy:n valmistaman CTU modeemin tuotekehitysversio. Teoriaosassa käydään läpi sähkömagneettisten aaltojen teoriaa, sekä säteilevän RF kentän aiheuttamien sähkömagneettiset häiriöiden syntymekanismeja. Myös säteilevien häiriöiden EMC mittauksiin tarvittavien mittalaitteiden tärkeimmät ominaisuudet esitellään, sekä pohditaan yli gigahertsin taajuuksille sopivien EMC mittalaitteiden vaatimuksia. EMC standardit eivät tällä hetkellä aseta vaatimuksia telelaitteiden RF kentän sietoisuudelle yli gigahertsin taajuudella. Tämän vuoksi työssä käsitellään myös todennäköisimpiä häiriölähteitä tällä taajuusalueella. Mittauksissa tutkittiin CTU:n RF kentän sietoisuutta taajuusalueella l - 4.2 GHz. Mittaukset suoritettiin sekä radiokaiuttomassa kammiossa että GTEM solussa. Myös metallisten lisäsuojien vaikutusta CTU:n kentänsietoisuuteen tutkittiin GTEM solussa.

RF disturbances produced by high-power photovoltaic solar plants

In this thesis, analysis of electromagnetic compatibility of high-power photovoltaic solar plant is made. Current standards suitable for photovoltaic applications are given. Measurements of antenna factor for experimental setup are shown. Also, measurements of common mode disturbance voltages in high-power solar plant are given. Importance of DC-side filter is shown. In the last part of the work, electromagnetic simulations are made. These simulations show influence of several factors to EMC of power plant. Based on these simulations and measurements recommendations are given.

Pienloistelamppujen johtuvat RF-häiriöt verrattuna CISPR 15 - standardin raja-arvoihin

Hehkulamput tullaan kieltämään Euroopan Unionin alueella vuoden 2016 syyskuuhun mennessä. Hehkulamput korvataan suurimmaksi osaksi pienloistelampuilla, jotka omaavat hehkulamppuihin verrattuna paremman hyötysuhteen. Pienloistelamput aiheuttavat kuitenkin häiriöitä niitä syöttävään sähköverkkoon. Tässä kandidaatin työssä mitattiin 15 erilaisen pienloistelampun aiheuttamat johtuvat RF-taajuiset häiriöt. Tuloksia verrattiin CISPR 15 – standardissa esitettyihin raja-arvoihin, joita pienloistelamppujen tulisi noudattaa. Mittaukset suoritettiin käyttämällä CISPR 16 –standardin kanssa yhteensopivaa mittavastaanotinta (Rohde & Schwarz ESHS30) sekä myöskin CISPR 16 yhteensopivaa keinoverkkoa (Rohde & Schwarz ESH2Z5). Lamput mitattiin CISPR 15 –standardin mukaisesti, muutamia poikkeuksia lukuun ottamatta. Lamppuja ei mitattu käyttämällä CISPR 15 –standardissa vaadittua lampun pidintä. Eikä lamppuja myöskään esikäytetty ollenkaan. Lukuun ottamatta yhtä pienloistelamppua, kaikki jäivät raja-arvon alapuolelle. Rajan ylittäneen lampun tulos tosin mahtuu mittavastaanottimen mittavirheeseen. Joten kyseessä ei ollut suuren suuri ylitys. Muiden tutkittujen pienloistelamppujen johtuvat RF-häiriöt ovat hyväksyttävällä tasolla ja ne tuskin tulevat aiheuttamaan ongelmia.

Minimizing Conducted RF-Emissions in Switch Mode Power Supplies Using Spread-Spectrum Techniques

Switching power supplies are usually implemented with a control circuitry that uses constant clock frequency turning the power semiconductor switches on and off. A drawback of this customary operating principle is that the switching frequency and harmonic frequencies are present in both the conducted and radiated EMI spectrum of the power converter. Various variable-frequency techniques have been introduced during the last decade to overcome the EMC problem. The main objective of this study was to compare the EMI and steady-state performance of a switch mode power supply with different spread-spectrum/variable-frequency methods. Another goal was to find out suitable tools for the variable-frequency EMI analysis. This thesis can be divided into three main parts: Firstly, some aspects of spectral estimation and measurement are presented. Secondly, selected spread spectrum generation techniques are presented with simulations and background information. Finally, simulations and prototype measurements from the EMC and the steady-state performance are carried out in the last part of this work. Combination of the autocorrelation function, the Welch spectrum estimate and the spectrogram were used as a substitute for ordinary Fourier methods in the EMC analysis. It was also shown that the switching function can be used in preliminary EMC analysis of a SMPS and the spectrum and autocorrelation sequence of a switching function correlates with the final EMI spectrum. This work is based on numerous simulations and measurements made with the prototype. All these simulations and measurements are made with the boost DC/DC converter. Four different variable-frequency modulation techniques in six different configurations were analyzed and the EMI performance was compared to the constant frequency operation. Output voltage and input current waveforms were also analyzed in time domain to see the effect of the spread spectrum operation on these quantities. According to the results presented in this work, spread spectrum modulation can be utilized in power converter for EMI mitigation. The results from steady-state voltage measurements show, that the variable-frequency operation of the SMPS has effect on the voltage ripple, but the ripple measured from the prototype is still acceptable in some applications. Both current and voltage ripple can be controlled with proper main circuit and controller design.

RF-simulaattorin käytettävyys tutkakoulutuksessa tulevaisuudessa

Tässä tutkimuksessa selvitettiin, että radiotaajuisen simulaattorin käytettävyys tutka-ELSO-koulutuksessa nyt ja tulevaisuudessa on hyvä. Tutkimuskysymykseen vastattiin teemahaastattelujen pohjalta. Varsinaista päätutkimuskysymystä varten selvitettiin koulutuksen asettamat vaatimukset simuloinnille. Tutkimuksessa muodostettiin vaatimukset simulaattorille eri koulutustasoilla. Tasoja muodostui viisi: perustaso, ELSO-tasot 1 ja 2, maastoharjoittelu sekä tutkaverkkojen koulutus. Vaatimukset joka tasolla määrittelivät neljää suurta kokonaisuutta: maalit, häirinnät, tutkaympäristö ja koulutusympäristö, jotka edelleen jakautuivat useisiin vaatimuksiin. RF-simulaattorin hyviä puolia ja ongelmakohtia verrattiin vaatimuksiin. Lopuksi pohdittiin vielä tutkatekniikan mahdollisesti tulevia kehityskohteita ja niiden vaikutuksia RF-simulaattorin suorituskykyyn. Näin päästin tämän tutkimuksen tulokseen, että vaikka RF-simulaatiolla on rajoituksia, pääasiassa ilmateitse toimittaessa, jolloin vaihtelevan suuntatiedon tuottaminen on ongelmallista, on sen suorituskyky monilla alueilla erittäin hyvä nyt ja lähitulevaisuudessa.