Modeling of fractal antennas

In this Master Thesis the characteristics of the chosen fractal microstrip antennas are investigated. For modeling has been used the structure of the square Serpinsky fractal curves. During the elaboration of this Master thesis the following steps were undertaken: 1) calculation and simulation of square microstrip antennа, 2) optimizing for obtaining the required characteristics on the frequency 2.5 GHz, 3) simulation and calculation of the second and third iteration of the Serpinsky fractal curves, 4) radiation patterns and intensity distribution of these antennas. In this Master’s Thesis the search for the optimal position of the port and fractal elements was conducted. These structures can be used in perspective for creation of antennas working at the same time in different frequency range.

Uusien energianormien vaikutus pientalojen rakenteisiin ympäristön kannalta

Tehokkaimpia keinoja vähentää rakennusten lämmitysenergian kulutusta ja lämmityksen aiheuttavia hiilidioksidi- ja happamoitavia päästöjä on tiukentaa rakentamismääräysten lämmöneristysvaatimuksia. Hyvin lämmöneristetyissä, tiiveissä ja ilmanvaihdoltaan optimoiduissa taloissa on pienet lämpöhäviöt. Näin ympäristöä kuormittava vaikutus saadaan paljon vähemmäksi kuin nykynormien mukaisissa asuinrakennuksissa. Johtumislämpöhäviö pienenee suoraan eristekerroksia paksuntamalla ja siihen on helpointa vaikuttaa. Mitä suurempiin eristepaksuuksiin mennään sen suuremmaksi tulee konvektion osuus kokonaislämpöhäviöstä. Tulevaisuudessa parempia ratkaisuja haetaan erityisesti konvektiosta ja säteilystä aiheutuvien lämpöhäviöiden pienentämiseksi. Eristeen osastointi ilmanpitävillä, vesihöyryä diffuusisesti läpäisevillä pystysuuntaisilla konvektiokatkoilla vähentää tehokkaasti paksun seinäeristeen kuljettumis-ilmavirtauksia. Katkoina käytetään erilaisia kalvoja ja rakennuspapereita, joilla on pieni emissiviteetti. Katkojen merkitys kasvaa, kun mennään uusien normien mukaisiin eristepaksuuksiin. Lämmöneriste voidaan toteuttaa myös kokoamalla ohuita kalvoja paketiksi, jotka jakavat ilmatilan ja siis eristeelle varatun paksuuden suljettuihin ilmaväleihin. Kun kalvoiksi valitaan pieniemissiviteettisiä pintoja, saadaan säteilylämmönsiirto lähes eliminoiduksi. Tällaisen ilmatilan lämmönjohtumisluku lähestyy paikallaan pysyvän ilman lämmönjohtumislukua, l = 0,025 W/Km, eli tällä rakennesysteemillä on mahdollista toteuttaa ohuempia rakenteita kuin perinteisillä eristeillä. Hygroskooppisen massan käyttö sisäilman kosteutta tasaavana rakenteena voi olla tulevaisuutta. Kehitystyö tuottaa uusia, kosteusteknisesti toimivia sovelluksia. Toisaalta palomääräykset tulevat kehitystyötä vastaan. Hygroskooppinen pintamateriaali on kevyt (pieni tiheys) ja paloteknisesti arka. Suoraa sähkölämmitystä ei voida pitää ympäristöystävällisenä. Sen jalostusketju on pitkä ja monivaiheinen. Millä peruspolttoaineella sähköä tuotetaan, vaikuttaa asiaan luonnollisestikin. Suoraa sähkölämmitystä voidaan suositella vain yksinäisen ihmisen taloudessa lämmitysmuotona taloudellisista syistä. Halvan polttoaineen säästöllä ei voida maksaa suuria laiteinvestointeja. Aurinkoenergian hyvä hyödyntäminen edellyttää hyvää säätöä, joka kytkee lämmityksen pois päältä silloin, kun aurinko lämmittää. Auringon hetkelliset säteilytehot ovat suuria verrattuna rakenteen lämpöhäviöihin ja huonetilojen lämmöntarpeeseen. Ratkaisu aurinkoenergian hetkellisyyteen ja paikallisuuteen on energian siirtäminen lämmöntarpeen mukaan rakennuksen eri osiin ja sen varastoiminen päivätasolla. Kun varastoivasta massasta ei ole suoraa yhteyttä ulos, voidaan kerääjäeristeeltä saatu lämpö käyttää häviöttömästi huonetilojen lämmittämiseen. Vaikka lämmitysenergian käytössä päästään 30 % vähennyksiin uudisrakennusten osalta, ei kokonaisenergian käyttö merkittävästi pienene, jos taloussähkön kulutus pysyy vakiona. Sama pätee myös CO2 -päästöihin. Saavutettava etu lämmitys-energian kulutuksessa voidaan hukata yhä suurenevaksi taloussähkön käytöksi, mikä olisi erityisen huono asia ympäristön kannalta.

Lentoaseman terminaalirakennuksen energiankäyttö ja sisäilmasto

Diplomityössä tarkasteltiin lentoaseman terminaalirakennuksen energia- ja ainevirtoja sekä sisäilman ominaisuuksia. Esimerkkikohteena oli Helsinki-Vantaan lentoaseman keskiterminaalirakennus, jonka 1. ja 2. rakennusvaiheen ulkovaippa muodosti taserajan. Taseen ulkopuolisista tekijöistä tarkasteltiin jäähdytysenergian tuotantoa ja ulkoilman laatua. Työn yhtenä tavoitteena oli muodostaa rakennukselle energiatase. Taseen avulla saatiin tietoa energian jakautumisesta eri toimintoihin ja löydettiin tekijät, joita suunnittelussa tulee painottaa. Terminaalin lähiympäristössä tutkittiin ulkoilman laatua mittausten avulla. Mittaustietoja käytetään apuna tulevaisuuden ilmanottosuunnittelussa. Työssä tarkasteltiin energia- ja ainevirtoina lämpö-, jäähdytys- ja sähköenergian sekä veden ostoa, tuotantoa ja kulutusta sekä prosessointia. Terminaalin lämpötarpeesta hieman yli puolet katettiin kaukolämmöllä. Loput noin 45 % lämpöenergiasta saatiin ns. ilmaisenergioista. Näistä merkittävimmäksi havaittiin sähkölaitteiden luovuttama lämpömäärä. Lämpöhäviöiden kannalta merkittäviä energiavirtoja olivat ilmanvaihdon ja vuotoilmojen kautta siirtyvät energiavirrat, joiden osuuden todettiin olevan noin 80 % terminaalin kokonaislämpöhäviöistä. Vaipan lämmöneristyskyky ja kyky absorboida auringon säteilyä todettiin hyviksi. Tulevaisuudessa tärkeitä suunnittelunäkökohtia tulevat olemaan ilmanvaihdon ja vuotoilman kautta siirtyvien energiavirtojen hallinta sekä sähköenergian ominaiskulutuksen pienentäminen. Ulkoilma todettiin mittauksin hyvätasoiseksi. Lento- ja maaliikenteen päästöarvot olivat lähellä toisiaan ja selvästi ohjearvoja alemmalla tasolla. Päästöjen sijaintiin vaikuttivat liikennemääriä enemmän tuuliolosuhteet. Tulevaisuudessa tuloilma voidaan johtaa terminaaliin yhtä hyvin joko lento- tai maaliikenteen puolelta.

Antenna feed design for omnidirectional broadband antenna

This thesis is about development broadband feed for two-mirror antenna system that match following requirements: beamwidth from 45 to 90 degrees at -3 dB level, circular polarization, absence of radiation to the lower hemisphere area. Literature review was done in the areas of the UWB antennas creation. During the work attempts were made to create a feed in a form of the quad ridged horn and "eleven" antennas. The latter is introduced as the most effective feed among all antennas discussed in thesis. Radiation patterns and other results for "eleven" antenna were obtained. Results were saved as far field sources and placed slightly below focal point into the two-mirror antenna system, because phase center of the “eleven” antenna is predominantly shifted upwards. Directivity patterns for the two-mirror system were obtained and the conclusions about the work results have been made

Fabrication and characterization of silicon position sensitive particle detectors

Position sensitive particle detectors are needed in high energy physics research. This thesis describes the development of fabrication processes and characterization techniques of silicon microstrip detectors used in the work for searching elementary particles in the European center for nuclear research, CERN. The detectors give an electrical signal along the particles trajectory after a collision in the particle accelerator. The trajectories give information about the nature of the particle in the struggle to reveal the structure of the matter and the universe. Detectors made of semiconductors have a better position resolution than conventional wire chamber detectors. Silicon semiconductor is overwhelmingly used as a detector material because of its cheapness and standard usage in integrated circuit industry. After a short spread sheet analysis of the basic building block of radiation detectors, the pn junction, the operation of a silicon radiation detector is discussed in general. The microstrip detector is then introduced and the detailed structure of a double-sided ac-coupled strip detector revealed. The fabrication aspects of strip detectors are discussedstarting from the process development and general principles ending up to the description of the double-sided ac-coupled strip detector process. Recombination and generation lifetime measurements in radiation detectors are discussed shortly. The results of electrical tests, ie. measuring the leakage currents and bias resistors, are displayed. The beam test setups and the results, the signal to noise ratio and the position accuracy, are then described. It was found out in earlier research that a heavy irradiation changes the properties of radiation detectors dramatically. A scanning electron microscope method was developed to measure the electric potential and field inside irradiated detectorsto see how a high radiation fluence changes them. The method and the most important results are discussed shortly.

Development of advanced silicon radiation detectors for harsh radiation environment

This thesis describes the development of advanced silicon radiation detectors and their characterization by simulations, used in the work for searching elementary particles in the European Organization for Nuclear Research, CERN. Silicon particle detectors will face extremely harsh radiation in the proposed upgrade of the Large Hadron Collider, the future high-energy physics experiment Super-LHC. The increase in the maximal fluence and the beam luminosity up to 1016 neq / cm2 and 1035 cm-2s-1 will require detectors with a dramatic improvement in radiation hardness, when such a fluence will be far beyond the operational limits of the present silicon detectors. The main goals of detector development concentrate on minimizing the radiation degradation. This study contributes mainly to the device engineering technology for developing more radiation hard particle detectors with better characteristics. Also the defect engineering technology is discussed. In the nearest region of the beam in Super-LHC, the only detector choice is 3D detectors, or alternatively replacing other types of detectors every two years. The interest in the 3D silicon detectors is continuously growing because of their many advantages as compared to conventional planar detectors: the devices can be fully depleted at low bias voltages, the speed of the charge collection is high, and the collection distances are about one order of magnitude less than those of planar technology strip and pixel detectors with electrodes limited to the detector surface. Also the 3D detectors exhibit high radiation tolerance, and thus the ability of the silicon detectors to operate after irradiation is increased. Two parameters, full depletion voltage and electric field distribution, is discussed in more detail in this study. The full depletion of the detector is important because the only depleted area in the detector is active for the particle tracking. Similarly, the high electric field in the detector makes the detector volume sensitive, while low-field areas are non-sensitive to particles. This study shows the simulation results of full depletion voltage and the electric field distribution for the various types of 3D detectors. First, the 3D detector with the n-type substrate and partial-penetrating p-type electrodes are researched. A detector of this type has a low electric field on the pixel side and it suffers from type inversion. Next, the substrate is changed to p-type and the detectors having electrodes with one doping type and the dual doping type are examined. The electric field profile in a dual-column 3D Si detector is more uniform than that in the single-type column 3D detector. The dual-column detectors are the best in radiation hardness because of their low depletion voltages and short drift distances.

Design and characterization of large area position sensitive radiation detectors

Planar, large area, position sensitive silicon detectors are widely utilized in high energy physics research and in medical, computed tomography (CT). This thesis describes author's research work relating to development of such detector components. The key motivation and objective for the research work has been the development of novel, position sensitive detectors improving the performance of the instruments they are intended for. Silicon strip detectors are the key components of barrel-shaped tracking instruments which are typically the innermost structures of high energy physics experimental stations. Particle colliders such as the former LEP collider or present LHC produce particle collisions and the silicon strip detector based trackers locate the trajectories of particles emanating from such collisions. Medical CT has become a regular part of everyday medical care in all developed countries. CT scanning enables x-ray imaging of all parts of the human body with an outstanding structural resolution and contrast. Brain, chest and abdomen slice images with a resolution of 0.5 mm are possible and latest CT machines are able to image whole human heart between heart beats. The two application areas are presented shortly and the radiation detection properties of planar silicon detectors are discussed. Fabrication methods and preamplifier electronics of the planar detectors are presented. Designs of the developed, large area silicon detectors are presented and measurement results of the key operating parameters are discussed. Static and dynamic performance of the developed silicon strip detectors are shown to be very satisfactory for experimental physics applications. Results relating to the developed, novel CT detector chips are found to be very promising for further development and all key performance goals are met.