“Design and Development of Coplanar Strip Fed Planar Antennas”

With the recent progress and rapid increase in the field of communication, the designs of antennas for small mobile terminals with enhanced radiation characteristics are acquiring great importance. Compactness, efficiency, high data rate capacity etc. are the major criteria for the new generation antennas. The challenging task of the microwave scientists and engineers is to design a compact printed radiating structure having broadband behavior along with good efficiency and enhanced gain. Printed antenna technology has received popularity among antenna scientists after the introduction of planar transmission lines in mid-seventies. When we view the antenna through a transmission line concept, the mechanism behind any electromagnetic radiator is quite simple and interesting. Any electromagnetic system with a discontinuity is radiating electromagnetic energy. The size, shape and orientation of the discontinuities control the radiation characteristics of the system such as radiation pattern, gain, polarization etc. It can be either resonant or non-resonant. This thesis deals with antennas that are developed from a class of transmission lines known as coplanar strip-CPS, a planar analogy of parallel pair transmission line. The specialty of CPS is its symmetric structure compared to other transmission lines, which makes the antenna structures developed from CPS quite simple for design and fabrication. The structural modifications on either metallic strip of CPS results in different antennas. The first part of the thesis discusses a single band and dual band design derived from open ended slot lines which are very much suitable for 2.4 and 5.2 GHz WLAN applications. The second section of the study is vectored into the development of enhanced gain dipoles. A single band dipole and a wide band enhanced gain dipole suitable for 5.2/5.8 GHZ band and imaging applications are developed and discussed. Last part of the thesis discusses the development of directional UWBs. Three different types of ultra-compact UWBs are developed and almost all the frequency domain and time domain analysis of the structures are discussed.

A Novel Planar Fractal Antenna with CPW-Feed for Multiband Applications

In this paper, a multiband antenna using a novel fractal design is presented. The antenna structure is formed by inscribing a hexagonal slot within a circle. This base structure is then scaled and arranged within the hexagon along its sides without touching the outer structure. The proposed CPW fed, low profile antenna offers good performance in the 1.65 – 2.59 GHz, 4.16 – 4.52 GHz and 5.54 – 6.42 GHz bands and is suitable for GSM 1800/1900, Bluetooth, IMT advanced systems and upper WLAN applications. The antenna has been fabricated on a substrate of height 1.6 mm and εr = 4.4 and simulation and experimental results are found to be in good agreement

Planar UWB Antenna with Modified Slotted Ground Plane

A compact coplanar waveguide-fed (CPW) monopole antenna for ultra-wideband wireless communication is presented. The proposed antenna comprises of a CPW-fed beveled rectangular patch with a modified slotted ground. The overall size of the antenna is 30 mm 27 mm 1.6 mm. The lower edge of the band is attained by properly decoupling the resonant frequencies due to the extended ground plane and the beveled rectangular patch of the antenna. The upper edge of the radiating band is enhanced by beveling the ground plane corners near the feed point. Experimental results show that the designed antenna operates in the 2.7–12 GHz band, for S11 10 dB with a gain of 2.7–5 dBi. Both the frequency domain and time domain characteristics of the antenna are investigated using antenna transfer function. It is observed that the antenna exhibits identical radiation patterns and reasonable transient characteristics over the entire operating band

A Planar Compact Metamaterialinspired Broadband Antenna

An electrically small, broadband-modified, truncated ground metamaterial EZ antenna is presented. This, a modified EZ antenna system, achieves a larger bandwidth of the order of 650 MHz by adjusting the metamaterial-inspired meandered ground element fed by a top loaded monopole. The design is devoid of the large ground planes and the external parasitic elements used in conventional designs for achieving proper impedance matching characteristics. The antenna requires a small foot print of kg/5 3 kg/10, where kg is the guided wavelength corresponding to the lowest frequency of operation, when printed on a substrate of dielectric constant 4.4 and thickness 1.6 mm. The antenna offers a 2:1 VSWR bandwidth from 750 MHz to 1.4 GHz, which covers CDMA, GSM, and ISM bands

Ethernet Telemetry for Towed Arrays

The towed array electronics is essentially a multichannel real time data acquisition system. The major challenges involved in it are the simultaneous acquisition of data from multiple channels, telemetry of the data over tow cable (several kilometres in some systems) and synchronization with the onboard receiver for accurate reconstruction. A serial protocol is best suited to transmit the data to onboard electronics since number of wires inside the tow cable is limited. The best transmission medium for data over large distances is the optical fibre. In this a two step approach towards the realization of a reliable telemetry scheme for the sensor data using standard protocols is described. The two schemes are discussed in this paper. The first scheme is for conversion of parallel, time-multiplexed multi-sensor data to Ethernet. Existing towed arrays can be upgraded to ethernet using this scheme. Here the last lap of the transmission is by Ethernet over Fibre. For the next generation of towed arrays it is required to digitize and convert the data to ethernet close to the sensor. This is the second scheme. At the heart of this design is the Analog-to-Ethernet node. In addition to a more reliable interface, this helps in easier fault detection and firmware updates in the field for the towed arrays. The design challenges and considerations for incorporating a network of embedded devices within the array are highlighted

Re-Engineering Towed Arrays for Quality Enhancement - Network Based Towed Array

The Towed Array electronics is a multi-channel simultaneous real time high speed data acquisition system. Since its assembly is highly manpower intensive, the costs of arrays are prohibitive and therefore any attempt to reduce the manufacturing, assembly, testing and maintenance costs is a welcome proposition. The Network Based Towed Array is an innovative concept and its implementation has remarkably simplified the fabrication, assembly and testing and revolutionised the Towed Array scenario. The focus of this paper is to give a good insight into the Reliability aspects of Network Based Towed Array. A case study of the comparison between the conventional array and the network based towed array is also dealt with

Preparation and applications of periodical gold nanoparticle arrays

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und Anwendungen von periodischen Goldnanopartikel-Arrays (PPAs), die mit Hilfe von Nanosphären-Lithografie hergestellt wurden. In Abhängigkeit der verwendeten Nanosphären-Größe wurden dabei entweder kleine dreieckige Nanopartikel (NP) (bei Verwendung von Nanosphären mit einem Durchmesser von 330 nm) oder große dreieckige NPD sowie leicht gestreckte NP (bei Verwendung von Nanosphären mit einem Durchmesser von 1390 nm) hergestellt. Die Charakterisierung der PPAs erfolgte mit Hilfe von Rasterkraftmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und optischer Spektroskopie. Die kleinen NP besitzen ein Achsverhältnis (AV) von 2,47 (Kantenlänge des NPs: (74+/-6) nm, Höhe: (30+/-4) nm. Die großen dreieckigen NP haben ein AV von 3 (Kantenlänge des NPs:(465+/-27) nm, Höhe: (1530+/-10) nm) und die leicht gestreckten NP (die aufgrund der Ausbildung von Doppelschichten ebenfalls auf der gleichen Probe erzeugt wurden) haben eine Länge von (364+/-16)nm, eine Breite von (150+/-20) nm und eine Höhe von (150+/-10)nm. Die optischen Eigenschaften dieser NP werden durch lokalisierte Oberflächenplasmon-Polariton Resonanzen (LPPRs) dominiert, d.h. von einem eingestrahlten elektromagnetischen Feld angeregte kollektive Schwingungen der Leitungsbandelektronen. In dieser Arbeit wurden drei signifikante Herausforderungen für Plasmonik-Anwendungen bearbeitet, welche die einzigartigen optischen Eigenschaften dieser NP ausnutzen. Erstens wurden Ergebnisse der selektiven und präzisen Größenmanipulation und damit einer Kontrolle der interpartikulären Abstände von den dreieckigen Goldnanopartikel mit Hilfe von ns-gepulstem Laserlicht präsentiert. Die verwendete Methode basiert hierbei auf der Größen- und Formabhängigkeit der LPPRs der NP. Zweitens wurde die sensorischen Fähigkeiten von Gold-NP ausgenutzt, um die Bildung von molekularen Drähten auf den PPAs durch schrittweise Zugabe von unterschiedlichen molekularen Spezies zu untersuchen. Hierbei wurde die Verschiebung der LSPPR in den optischen Spektren dazu ausgenutzt, die Bildung der Nanodrähte zu überwachen. Drittens wurden Experimente vorgestellt, die sich die lokale Feldverstärkung von NP zu nutze machen, um eine hochgeordnete Nanostrukturierung von Oberflächen mittels fs-gepulstem Laserlicht zu bewerkstelligen. Dabei zeigt sich, dass neben der verwendeten Fluenz die Polarisationsrichtung des eingestrahlten Laserlichts in Bezug zu der NP-Orientierung sowie die Größe der NP äußerst wichtige Parameter für die Nanostrukturierung darstellen. So konnten z.B. Nanolöcher erzeugt werden, die bei höheren Fluenzen zu Nanogräben und Nanokanälen zusammen wuchsen. Zusammengefasst lässt sich sagen, dass die in dieser Arbeit gewonnen Ergebnisse von enormer Wichtigkeit für weitere Anwendungen sind.

MEMS-based Tunable Optical Filter Arrays for Nano-Spectrometer in the Visible Spectral Range

Optische Spektrometer sind bekannte Instrumente für viele Anwendungen in Life Sciences, Produktion und Technik aufgrund ihrer guten Selektivität und Sensitivität zusammen mit ihren berührungslosen Messverfahren. MEMS (engl. Micro-electro-mechanical system)-basierten Spektrometer werden als disruptive Technologie betrachtet, in der miniaturisierte Fabry-Pérot Filter als sehr attraktiv für die optische Kommunikation und 'Smart Personal Environments', einschließlich des medizinischen Anwendungen, zu nennen sind. Das Ziel dieser Arbeit ist, durchstimmbare Filter-Arrays mit kostengünstigen Technologien herzustellen. Materialien und technologische Prozesse, die für die Herstellung der Filter-Arrays benötigt werden, wurden untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit, wurden durchstimmbare Fabry Pérot Filter-Arrays für den sichtbaren Spektralbereich untersucht, die als Nano-Spektrometer eingesetzt werden. Darüber hinaus wurde ein Modell der numerischen Simulation vorgestellt, die zur Ermittlung eines optimales geometrisches Designs verwendet wurde, wobei sich das Hauptaugenmerk der Untersuchung auf die Durchbiegung der Filtermembranen aufgrund der mechanischen Verspannung der Schichten richtet. Die geometrische Form und Größe der Filtermembranen zusammen mit der Verbindungsbrücken sind von entscheidender Bedeutung, da sie die Durchbiegung beeinflussen. Lange und schmale Verbindungsbrücken führen zur stärkeren Durchbiegung der Filtermembranen. Dieser Effekt wurde auch bei der Vergrößerung der Durchmesser der Membran beobachtet. Die Filter mit spiralige (engl. curl-bent) Verbindungsbrücken führten zu geringerer Deformation als die mit geraden oder gebogenen Verbindungsbrücken. Durchstimmbare Si3N4/SiO2 DBR-basierende Filter-Arrays wurden erfolgreich hergestellt. Eine Untersuchung über die UV-NIL Polymere, die als Opferschicht und Haltepfosten-Material der Filter verwendet wurden, wurde durchgeführt. Die Polymere sind kompatibel zu dem PECVD-Verfahren, das für die Spiegel-Herstellung verwendet wird. Die laterale Strukturierung der DBR-Spiegel mittels des RIE (engl. Reactive Ion Etching)-Prozesses sowie der Unterätz-Prozess im Sauerstoffplasma zur Entfernung der Opferschicht und zum Erreichen der Luftspalt-Kavität, wurden durchgeführt. Durchstimmbare Filter-Arrays zeigten einen Abstimmbereich von 70 nm bei angelegten Spannungen von weniger als 20 V. Optimierungen bei der Strukturierung von TiO2/SiO2 DBR-basierenden Filtern konnte erzielt werden. Mit der CCP (engl. Capacitively Coupling Plasma)-RIE, wurde eine Ätzrate von 20 nm/min erreicht, wobei Fotolack als Ätzmaske diente. Mit der ICP (engl. Inductively Coupling Plasma)-RIE, wurden die Ätzrate von mehr als 60 nm/min mit einem Verhältniss der Ar/SF6 Gasflüssen von 10/10 sccm und Fotolack als Ätzmasken erzielt. Eine Ätzrate von 80 bis 90 nm/min wurde erreicht, hier diente ITO als Ätzmaske. Ausgezeichnete geätzte Profile wurden durch den Ätzprozess unter Verwendung von 500 W ICP/300 W RF-Leistung und Ar/SF6 Gasflüsse von 20/10 sccm erreicht. Die Ergebnisse dieser Arbeit ermöglichen die Realisierung eines breiten Spektralbereichs der Filter-Arrays im Nano-Spektrometer.

Characterization of Novel Fabry Pérot Filter Arrays for Nanospectrometers in Medical Applications

Optische Spektroskopie ist eine sehr wichtige Messtechnik mit einem hohen Potential für zahlreiche Anwendungen in der Industrie und Wissenschaft. Kostengünstige und miniaturisierte Spektrometer z.B. werden besonders für moderne Sensorsysteme “smart personal environments” benötigt, die vor allem in der Energietechnik, Messtechnik, Sicherheitstechnik (safety and security), IT und Medizintechnik verwendet werden. Unter allen miniaturisierten Spektrometern ist eines der attraktivsten Miniaturisierungsverfahren das Fabry Pérot Filter. Bei diesem Verfahren kann die Kombination von einem Fabry Pérot (FP) Filterarray und einem Detektorarray als Mikrospektrometer funktionieren. Jeder Detektor entspricht einem einzelnen Filter, um ein sehr schmales Band von Wellenlängen, die durch das Filter durchgelassen werden, zu detektieren. Ein Array von FP-Filter wird eingesetzt, bei dem jeder Filter eine unterschiedliche spektrale Filterlinie auswählt. Die spektrale Position jedes Bandes der Wellenlänge wird durch die einzelnen Kavitätshöhe des Filters definiert. Die Arrays wurden mit Filtergrößen, die nur durch die Array-Dimension der einzelnen Detektoren begrenzt werden, entwickelt. Allerdings erfordern die bestehenden Fabry Pérot Filter-Mikrospektrometer komplizierte Fertigungsschritte für die Strukturierung der 3D-Filter-Kavitäten mit unterschiedlichen Höhen, die nicht kosteneffizient für eine industrielle Fertigung sind. Um die Kosten bei Aufrechterhaltung der herausragenden Vorteile der FP-Filter-Struktur zu reduzieren, wird eine neue Methode zur Herstellung der miniaturisierten FP-Filtern mittels NanoImprint Technologie entwickelt und präsentiert. In diesem Fall werden die mehreren Kavitäten-Herstellungsschritte durch einen einzigen Schritt ersetzt, die hohe vertikale Auflösung der 3D NanoImprint Technologie verwendet. Seit dem die NanoImprint Technologie verwendet wird, wird das auf FP Filters basierende miniaturisierte Spectrometer nanospectrometer genannt. Ein statischer Nano-Spektrometer besteht aus einem statischen FP-Filterarray auf einem Detektorarray (siehe Abb. 1). Jeder FP-Filter im Array besteht aus dem unteren Distributed Bragg Reflector (DBR), einer Resonanz-Kavität und einen oberen DBR. Der obere und untere DBR sind identisch und bestehen aus periodisch abwechselnden dünnen dielektrischen Schichten von Materialien mit hohem und niedrigem Brechungsindex. Die optischen Schichten jeder dielektrischen Dünnfilmschicht, die in dem DBR enthalten sind, entsprechen einen Viertel der Design-Wellenlänge. Jeder FP-Filter wird einer definierten Fläche des Detektorarrays zugeordnet. Dieser Bereich kann aus einzelnen Detektorelementen oder deren Gruppen enthalten. Daher werden die Seitenkanal-Geometrien der Kavität aufgebaut, die dem Detektor entsprechen. Die seitlichen und vertikalen Dimensionen der Kavität werden genau durch 3D NanoImprint Technologie aufgebaut. Die Kavitäten haben Unterschiede von wenigem Nanometer in der vertikalen Richtung. Die Präzision der Kavität in der vertikalen Richtung ist ein wichtiger Faktor, der die Genauigkeit der spektralen Position und Durchlässigkeit des Filters Transmissionslinie beeinflusst.

Optimization of the Mechanical and Optical Properties of Tunable Optical Sensor Arrays (TOSA) for a Nanospectrometer in the Visible and Near Infrared Spectral Range

Tunable Optical Sensor Arrays (TOSA) based on Fabry-Pérot (FP) filters, for high quality spectroscopic applications in the visible and near infrared spectral range are investigated within this work. The optical performance of the FP filters is improved by using ion beam sputtered niobium pentoxide (Nb2O5) and silicon dioxide (SiO2) Distributed Bragg Reflectors (DBRs) as mirrors. Due to their high refractive index contrast, only a few alternating pairs of Nb2O5 and SiO2 films can achieve DBRs with high reflectivity in a wide spectral range, while ion beam sputter deposition (IBSD) is utilized due to its ability to produce films with high optical purity. However, IBSD films are highly stressed; resulting in stress induced mirror curvature and suspension bending in the free standing filter suspensions of the MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) FP filters. Stress induced mirror curvature results in filter transmission line degradation, while suspension bending results in high required filter tuning voltages. Moreover, stress induced suspension bending results in higher order mode filter operation which in turn degrades the optical resolution of the filter. Therefore, the deposition process is optimized to achieve both near zero absorption and low residual stress. High energy ion bombardment during film deposition is utilized to reduce the film density, and hence the film compressive stress. Utilizing this technique, the compressive stress of Nb2O5 is reduced by ~43%, while that for SiO2 is reduced by ~40%. Filters fabricated with stress reduced films show curvatures as low as 100 nm for 70 μm mirrors. To reduce the stress induced bending in the free standing filter suspensions, a stress optimized multi-layer suspension design is presented; with a tensile stressed metal sandwiched between two compressively stressed films. The stress in Physical Vapor Deposited (PVD) metals is therefore characterized for use as filter top-electrode and stress compensating layer. Surface micromachining is used to fabricate tunable FP filters in the visible spectral range using the above mentioned design. The upward bending of the suspensions is reduced from several micrometers to less than 100 nm and 250 nm for two different suspension layer combinations. Mechanical tuning of up to 188 nm is obtained by applying 40 V of actuation voltage. Alternatively, a filter line with transmission of 65.5%, Full Width at Half Maximum (FWHM) of 10.5 nm and a stopband of 170 nm (at an output wavelength of 594 nm) is achieved. Numerical model simulations are also performed to study the validity of the stress optimized suspension design for the near infrared spectral range, wherein membrane displacement and suspension deformation due to material residual stress is studied. Two bandpass filter designs based on quarter-wave and non-quarter-wave layers are presented as integral components of the TOSA. With a filter passband of 135 nm and a broad stopband of over 650 nm, high average filter transmission of 88% is achieved inside the passband, while maximum filter transmission of less than 1.6% outside the passband is achieved.

Optimization in the Technological Steps for the Fabrication of Large Area Micromirror Arrays

Micromirror arrays are a very strong candidate for future energy saving applications. Within this work, the fabrication process for these micromirror arrays has been optimized and some steps for the large area fabrication of micromirror modules were performed. At first the surface roughness of the insulation layer of silicon dioxide (SiO2) was investigated. This SiO2 thin layer was deposited on three different type of substrates i.e. silicon, glass and Polyethylene Naphthalate (PEN) substrates. The deposition techniques which has been used are Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD), Physical Vapor Deposition (PVD) and Ion Beam Sputter Deposition (IBSD). The thickness of the SiO2 thin layer was kept constant at 150nm for each deposition process. The surface roughness was measured by Stylus Profilometry and Atomic Force Microscopy (AFM). It was found that the layer which was deposited by IBSD has got the minimum surface roughness value and the layer which was deposited by PECVD process has the highest surface roughness value. During the same investigation, the substrate temperature of PECVD was varied from 80° C to 300° C with the step size of 40° C and it was found that the surface roughness keeps on increasing as the substrate holder temperature increases in the PECVD process. A new insulation layer system was proposed to minimize the dielectric breakdown effect in insulation layer for micromirror arrays. The conventional bilayer system was replaced by five layer system but the total thickness of insulation layer remains the same. It was found that during the actuation of micromirror arrays structure, the dielectric breakdown effect was reduced considerably as compared to the bilayer system. In the second step the fabrication process of the micromirror arrays was successfully adapted and transferred from glass substrates to the flexible PEN substrates by optimizing the conventional process recipe. In the last section, a large module of micromirror arrays was fabricated by electrically interconnecting four 10cm×10cm micromirror modules on a glass pane having dimensions of 21cm×21cm.

The PHD: A Planar, Harmonic Drive Robot for Joint Torque Control

This thesis details the development of a model of a seven degree of freedom manipulator for position control. Then, it goes on to discuss the design and construction of a the PHD, a robot built to serve two purposes: first, to perform research on joint torque control schemes, and second, to determine the important dynamic characteristics of the Harmonic Drive. The PHD, is a planar, three degree of freedom arm with torque sensors integral to each joint. Preliminary testing has shown that a simple linear spring model of the Harmonic Drive's flexibility is suitable in many situations.

High Density Single Crystalline GaN Nanodot Arrays Fabricated Using Template-Assisted Selective Growth

High density, uniform GaN nanodot arrays with controllable size have been synthesized by using template-assisted selective growth. The GaN nanodots with average diameter 40nm, 80nm and 120nm were selectively grown by metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) on a nano-patterned SiO2/GaN template. The nanoporous SiO2 on GaN surface was created by inductively coupled plasma etching (ICP) using anodic aluminum oxide (AAO) template as a mask. This selective regrowth results in highly crystalline GaN nanodots confirmed by high resolution transmission electron microscopy. The narrow size distribution and uniform spatial position of the nanoscale dots offer potential advantages over self-assembled dots grown by the Stranski–Krastanow mode.

The Inertio-Elastic Planar Entry Flow of Low-Viscosity Elastic Fluids in Micro-fabricated Geometries

The non-Newtonian flow of dilute aqueous polyethylene oxide (PEO) solutions through microfabricated planar abrupt contraction-expansions is investigated. The contraction geometries are fabricated from a high-resolution chrome mask and cross-linked PDMS gels using the tools of soft-lithography. The small length scales and high deformation rates in the contraction throat lead to significant extensional flow effects even with dilute polymer solutions having time constants on the order of milliseconds. The dimensionless extra pressure drop across the contraction increases by more than 200% and is accompanied by significant upstream vortex growth. Streak photography and videomicroscopy using epifluorescent particles shows that the flow ultimately becomes unstable and three-dimensional. The moderate Reynolds numbers (0.03 ≤ Re ≤ 44) associated with these high Deborah number (0 ≤ De ≤ 600) microfluidic flows results in the exploration of new regions of the Re-De parameter space in which the effects of both elasticity and inertia can be observed. Understanding such interactions will be increasingly important in microfluidic applications involving complex fluids and can best be interpreted in terms of the elasticity number, El = De/Re, which is independent of the flow kinematics and depends only on the fluid rheology and the characteristic size of the device.

Planar homography: accuracy analysis and applications

Projective homography sits at the heart of many problems in image registration. In addition to many methods for estimating the homography parameters (R.I. Hartley and A. Zisserman, 2000), analytical expressions to assess the accuracy of the transformation parameters have been proposed (A. Criminisi et al., 1999). We show that these expressions provide less accurate bounds than those based on the earlier results of Weng et al. (1989). The discrepancy becomes more critical in applications involving the integration of frame-to-frame homographies and their uncertainties, as in the reconstruction of terrain mosaics and the camera trajectory from flyover imagery. We demonstrate these issues through selected examples