Regulation der Zeaxanthin- und der Diatoxanthin-Epoxidase in Chlorophyll a/b- und Fucoxanthin-Chlorophyll a/c-haltigen Pflanzen

In der vorliegenden Arbeit wird der Vx-Zyklus und der Ddx-Zyklus unterschiedlicher Pflanzen hinsichtlich ihrer Regulation untersucht. Es konnte an Hand von in vivo Messungen gezeigt werden, dass bei zwei Kieselalgen unterschiedlicher Ordnung (Pennales bzw. Centrales) und einer Haptophyte mit Ddx-Zyklus die Dtx-Epoxidase delta-pH-reguliert ist. Im Gegensatz dazu steht die nicht-regulierte Zx-Epoxidase des Vx-Zyklus einer Raphidophyceae, einer Grünalge und einer aquatischen Höheren Pflanze. Es konnte gezeigt werden, dass der Grund für diese unterschiedliche Regulation der beiden Epoxidasen die verschiedenen Quench-Eigenschaften der Pigmente Dtx bzw. Zx ist. Durch parallele Messungen des NPQ und des De-Epoxidierungsgrads wurde deutlich, dass Zx zum Aufbau eines Quenching direkt den im Licht aufgebauten delta-pH benötigt, während Dtx alleine ausreichend ist, um ein Quenching zu verursachen. Bei diesen in vivo Messungen wurde außerdem deutlich, dass die Aktivitäten der untersuchten Epoxidasen große Unterschiede aufweisen. Diese sind abhängig von der entsprechenden Pigmentierung des jeweiligen Lichtsammelsystems, stehen also in Zusammenhang mit den Carotinoidbiosynthesen. Es konnte gezeigt werden, dass bei allen untersuchten Organismen, die eine Xanthophyll-dominierte Antenne mit Fx als Massenpigment enthielten, die Umsatzraten der Epoxidase sehr hoch waren, im Gegensatz zu Chl-dominierten Antennen. Nach diesen Erkenntnissen wurde die Dtx-Epoxidase weiter untersucht und so erstmalig durch Western-Blotting identifiziert. Es ergaben sich, allerdings erst nach zusätzlicher Proteinstabilisierung, zwei Signale, eins bei 60 kDa, das andere bei 57 kDa. Hierbei ist nach wie vor unklar, warum das Antiserum zwei Signale lieferte und ob es sich dabei um Isoformen, um anderweitige Modifizierungen, oder um eine Kreuzreaktion handelt. Auch der Mechanismus der delta-pH-Regulation der Dtx-Epoxidase konnte trotz in vivo und in vitro durchgeführter Studien nicht endgültig geklärt werden. Allerdings konnten verschiedene Mechanismen, wie z.B. eine direkte pH-Abhängigkeit des Enzyms, eine Regulation durch Reduktion und Oxidation oder durch Phosphorylierung und Dephosphorylierung, auf Grund der Daten falsifiziert werden. Es konnte schließlich die Regulation mit Hilfe eines transmembranen Rezeptors als das einzige, mit allen Daten konsistente Regulationsmodell vorgeschlagen werden.

Nonlinear / electromagnetic co-simulation and co-design of microwave links in highly polluted and / or strongly inhomogeneous environments

The objective of the Ph.D. thesis is to put the basis of an all-embracing link analysis procedure that may form a general reference scheme for the future state-of-the-art of RF/microwave link design: it is basically meant as a circuit-level simulation of an entire radio link, with – generally multiple – transmitting and receiving antennas examined by EM analysis. In this way the influence of mutual couplings on the frequency-dependent near-field and far-field performance of each element is fully accounted for. The set of transmitters is treated as a unique nonlinear system loaded by the multiport antenna, and is analyzed by nonlinear circuit techniques. In order to establish the connection between transmitters and receivers, the far-fields incident onto the receivers are evaluated by EM analysis and are combined by extending an available Ray Tracing technique to the link study. EM theory is used to describe the receiving array as a linear active multiport network. Link performances in terms of bit error rate (BER) are eventually verified a posteriori by a fast system-level algorithm. In order to validate the proposed approach, four heterogeneous application contexts are provided. A complete MIMO link design in a realistic propagation scenario is meant to constitute the reference case study. The second one regards the design, optimization and testing of various typologies of rectennas for power generation by common RF sources. Finally, the project and implementation of two typologies of radio identification tags, at X-band and V-band respectively. In all the cases the importance of an exhaustive nonlinear/electromagnetic co-simulation and co-design is demonstrated to be essential for any accurate system performance prediction.

Untersuchung der Pigment- und Proteinzusammensetzung der peripheren Lichtsammelantenne des Photosystem I

Die Lichtsammelantenne des PSI (LHCI) ist hinsichtlich ihrer Protein- und Pigmentzusammensetzung weniger gut untersucht als die des PSII. Im Rahmen dieser Arbeit wurde deshalb zunächst die Isolation von nativen LHCI-Subkomplexen optimiert und deren Pigmentzusammensetzung untersucht. Zusätzlich wurde die Pigmentbindung analysiert sowie das Pigment/Protein-Verhältnis bestimmt. Die Analyse der Proteinzusammensetzung des LHCI erfolgte mittels einer Kombination aus ein- oder zweidimensionaler Gelelektrophorese mit Westernblotanalysen mit Lhca-Protein-spezifischen Antikörpern und massenspektrometrischen Untersuchungen. Dabei stellte sich heraus, dass der LHCI mehr Proteine bzw. Proteinisoformen enthält als bisher vermutet. So gelang durch die massenspektrometrischen Untersuchungen die Identifizierung zweier bisher noch nicht nachgewiesener Lhca-Proteine. Bei diesen handelt es sich um eine Isoform des Lhca4 und ein zusätzliches Lhca-Protein, das Tomaten-Homolog des Lhca5 von Arabidopsis thaliana. Außerdem wurden in 1D-Gelen Isoformen von Lhca-Proteinen mit unterschiedlichem elektrophoretischen Verhalten beobachtet. In 2D-Gelen trat zusätzlich eine große Anzahl an Isoformen mit unterschiedlichen isoelektrischen Punkten auf. Es ist zu vermuten, dass zumindest ein Teil dieser Isoformen physiologischen Ursprungs ist, und z.B. durch differentielle Prozessierung oder posttranslationale Modifikationen verursacht wird, wenn auch die Spotvielfalt in 2D-Gelen wohl eher auf die Probenaufbereitung zurückzuführen ist. Mittels in vitro-Rekonstitution mit anschließenden biochemischen Untersuchungen und Fluoreszenzmessungen wurde nachgewiesen, dass Lhca5 ein funktioneller LHC mit spezifischen Pigmentbindungseigenschaften ist. Außerdem zeigten in vitro-Dimerisierungsexperimente eine Interaktion zwischen Lhca1 und Lhca5, wodurch dessen Zugehörigkeit zur Antenne des PSI gestützt wird. In vitro-Dimerisierungsexperimente mit Lhca2 und Lhca3 führten dagegen nicht zur Bildung von Dimeren. Dies zeigt, dass die Interaktion in potentiellen Homo- oder Heterodimeren aus Lhca2 und/oder Lhca3 schwächer ist als die zwischen Lhca1 und Lhca4 oder Lhca5. Die beobachtete Proteinheterogenität deutet daraufhin, dass die Antenne des PSI eine komplexere Zusammensetzung hat als bisher angenommen. Für die Integration „neuer“ LHC in den PSI-LHCI-Holokomplex werden zwei Modelle vorgeschlagen: geht man von einer festen Anzahl von LHCI-Monomeren aus, so kann sie durch den Austausch einzelner LHC-Monomere erreicht werden. Als zweites Szenario ist die Bindung zusätzlicher LHC vorstellbar, die entweder indirekt über bereits vorhandene LHC oder direkt über PSI-Kernuntereinheiten mit dem PSI interagieren. In Hinblick auf die Pigmentbindung der nativen LHCI-Subfraktionen konnte gezeigt werden, dass sie Pigmente in einer spezifischen Stöchiometrie und Anzahl binden, und sich vom LHCIIb vor allem durch eine verstärkte Bindung von Chlorophyll a, eine geringere Anzahl von Carotinoiden und die Bindung von ß-Carotin an Stelle von Neoxanthin unterscheiden. Der Vergleich von nativem LHCI mit rekonstituierten Lhca-Proteinen ergab, dass Lhca-Proteine Pigmente in einer spezifischen Stöchiometrie binden, und dass sie Carotinoidbindungsstellen mit flexiblen Bindungseigenschaften besitzen. Auch über die Umwandlung des an die einzelnen Lhca-Proteine gebundenen Violaxanthins (Vio) im Xanthophyllzyklus war nur wenig bekannt. Deshalb wurden mit Hilfe eines in vitro-Deepoxidationssystems sowohl native als auch rekonstituierte LHCI hinsichtlich ihrer Deepoxidationseigenschaften untersucht und der Deepoxidationsgrad von in vivo deepoxidierten Pigment-Protein-Komplexen bestimmt. Aus den Deepoxidationsexperimenten konnte abgeleitet werden, dass in den verschiedenen Lhca-Proteinen unterschiedliche Carotinoidbindungsstellen besetzt sind. Außerdem bestätigten diese Experimente, dass der Xanthophyllzyklus auch im LHCI auftritt, wobei jedoch ein niedrigerer Deepoxidationsgrad erreicht wird als bei LHCII. Dies konnte durch in vitro-Deepoxidationsversuchen auf eine geringere Deepoxidierbarkeit des von Lhca1 und Lhca2 gebundenen Vio zurückgeführt werden. Damit scheint Vio in diesen Lhca-Proteinen eher eine strukturelle Rolle zu übernehmen. Eine photoprotektive Funktion von Zeaxanthin im PSI wäre folglich auf Lhca3 und Lhca4 beschränkt. Damit enthält jede LHCI-Subfraktion ein LHC-Monomer mit langwelliger Fluoreszenz, das möglicherweise am Lichtschutz beteiligt ist. Insgesamt zeigten die Untersuchungen der Pigmentbindung, der Deepoxidierung und der Fluoreszenzeigenschaften, dass sich die verschiedenen Lhca-Proteine in einem oder mehreren dieser Parameter unterscheiden. Dies lässt vermuten, dass schon durch leichte Veränderungen in der Proteinzusammensetzung des LHCI eine Anpassung an unterschiedliche Licht-verhältnisse erreicht werden kann.

Einzelmolekülspektroskopische Studien an Farbstoff-markierten Chlorophyll-a/b-Lichtsammlerkomplexen und Untersuchungen zur Integration der Komplexe in elektrochemische Solarzellen

Die zentrale Funktion des Hauptlichtsammlerkomplexes des Photosystems II, LHCII, besteht in der Absorption von Sonnenlicht und der Bereitstellung von Energie für die photosynthetische Ladungstrennung im Reaktionszentrum des Photosystems. Auch in der Regulation der Photosynthese spielt der LHCII eine wichtige Rolle, da die Energieverteilung zwischen Photosystem I und Photosystem II im Rahmen des sog. „State Transition“-Prozesses über die Verteilung der Lichtsammlerkomplexe zwischen den beiden Photosystemen gesteuert wird. Im Blickfeld des ersten Teils dieser Arbeit stand die konformative Dynamik der N-terminalen Domäne des LHCII, die wahrscheinlich in die Regulation der Lichtsammlung involviert ist. Gemeinsam mit Mitarbeitern des 3. Physikalischen Instituts der Universität Stuttgart wurde an der Etablierung einer Methode zur einzelmolekülspektroskopischen Untersuchung der Dynamik des N-Terminus gearbeitet. Als Messgröße diente der Energietransfer zwischen einem Fluoreszenzfarbstoff, der an die N-terminale Domäne gekoppelt war, und den Chlorophyllen des Komplexes. Die Funktion des LHCII als effiziente Lichtantenne bildete die Grundlage für den zweiten Teil dieser Arbeit. Hier wurde untersucht, in wie weit LHCII als Lichtsammler in eine elektrochemische Solarzelle integriert werden kann. In der potentiellen Solarzelle sollte die Anregungsenergie des LHCII auf Akzeptorfarbstoffe übertragen werden, die in der Folge Elektronen in das Leitungsband einer aus Titandioxid oder Zinndioxid bestehenden porösen Halbleiterelektrode injizierten, auf der Komplexe und Farbstoffe immobilisiert waren.

Experimental characterization of backscattering properties of UWB antennas in the presence of close objects

RTLS and RFID systems are becoming more and more important in several fields. When these systems meet the UWB technology, they can take advantage of each other strengths. Since nowadays a strong importance is given to the "green" technology, we chose to adopt a passive solution. In this case the backscattering modulation can be used to carry data. Therefore it is necessary to analyze the behavior of the antennas used as tags, when they are closed to dierent material objects. In particular, the antenna mode part has been deeply observed, as it is the crucial part of the signal regarding the backscatter modulation.

Studio di topologie d'antenne su substrati magneto-dielettrici

Le più moderne e diffuse applicazioni wireless attuali sono dedicate a sistemi distribuiti in grandi quantità ed il più possibile miniaturizzati. In questa tesi si discute di tecniche di miniaturizzazione delle antenne di questi sistemi. Tradizionalmente tali tecniche si sono basate su substrati ad elevata costante dielettrica che hanno però, come contropartita, un deterioramento delle prestazioni radianti. Un'alternativa molto promettente è offerta da substrati magneto-dielettrici che, pur garantendo analoghe riduzioni degli ingombri, possono offrire migliori opportunità per il comportamento radiante e per l'adattamento dell'antenna al resto del sistema. In questa tesi, partendo dallo stato dell'arte della letteratura scientifica, si è sviluppato un modello che consente di valutare a priori i vantaggi/svantaggi di diverse topologie d'antenne basate su substrati magneto-dielettrici. Il metodo si basa sul teorema di equivalenza. Infine la tesi affronta il problema di sviluppare un metodo per la caratterizzazione dei parametri costitutivi di tali materiali.

Fiber-Optic Technologies for Wireline and Wireless In-building Networks

This doctoral dissertation aims to establish fiber-optic technologies overcoming the limiting issues of data communications in indoor environments. Specific applications are broadband mobile distribution in different in-building scenarios and high-speed digital transmission over short-range wired optical systems. Two key enabling technologies are considered: Radio over Fiber (RoF) techniques over standard silica fibers for distributed antenna systems (DAS) and plastic optical fibers (POFs) for short-range communications. Hence, the objectives and achievements of this thesis are related to the application of RoF and POF technologies in different in-building scenarios. On one hand, a theoretical and experimental analysis combined with demonstration activities has been performed on cost-effective RoF systems. An extensive modeling on modal noise impact both on linear and non-linear characteristics of RoF link over silica multimode fiber has been performed to achieve link design rules for an optimum choice of the transmitter, receiver and launching technique. A successful transmission of Long Term Evolution (LTE) mobile signals on the resulting optimized RoF system over silica multimode fiber employing a Fabry-Perot LD, central launch technique and a photodiode with a built-in ball lens was demonstrated up to 525m with performances well compliant with standard requirements. On the other hand, digital signal processing techniques to overcome the bandwidth limitation of POF have been investigated. An uncoded net bit-rate of 5.15Gbit/s was obtained on a 50m long POF link employing an eye-safe transmitter, a silicon photodiode, and DMT modulation with bit and power loading algorithm. With the insertion of 3x2N quadrature amplitude modulation constellation formats, an uncoded net-bit-rate of 5.4Gbit/s was obtained on a 50 m long POF link employing an eye-safe transmitter and a silicon avalanche photodiode. Moreover, simultaneous transmission of baseband 2Gbit/s with DMT and 200Mbit/s with an ultra-wideband radio signal has been validated over a 50m long POF link.

Co-simulazione e co-progetto non lineare/elettromagnetico di sistemi wireless non convenzionali

L’attività di ricerca contenuta in questa tesi si è concentrata nello sviluppo e nell’implementazione di tecniche per la co-simulazione e il co-progetto non lineare/elettromagnetico di sistemi wireless non convenzionali. Questo lavoro presenta un metodo rigoroso per considerare le interazioni tra due sistemi posti sia in condizioni di campo vicino che in condizioni di campo lontano. In sostanza, gli effetti del sistema trasmittente sono rappresentati da un generatore equivalente di Norton posto in parallelo all’antenna del sistema ricevente, calcolato per mezzo del teorema di reciprocità e del teorema di equivalenza. La correttezza del metodo è stata verificata per mezzo di simulazioni e misure, concordi tra loro. La stessa teoria, ampliata con l’introduzione degli effetti di scattering, è stata usata per valutare una condizione analoga, dove l’elemento trasmittente coincide con quello ricevente (DIE) contenuto all’interno di una struttura metallica (package). I risultati sono stati confrontati con i medesimi ottenibili tramite tecniche FEM e FDTD/FIT, che richiedono tempi di simulazione maggiori di un ordine di grandezza. Grazie ai metodi di co-simulazione non lineari/EM sopra esposti, è stato progettato e verificato un sistema di localizzazione e identificazione di oggetti taggati posti in ambiente indoor. Questo è stato ottenuto dotando il sistema di lettura, denominato RID (Remotely Identify and Detect), di funzioni di scansione angolare e della tecnica di RADAR mono-pulse. Il sistema sperimentale, creato con dispositivi low cost, opera a 2.5 GHz ed ha le dimensioni paragonabili ad un normale PDA. E’ stato sperimentata la capacità del RID di localizzare, in scenari indoor, oggetti statici e in movimento.

Algoritmi per la distribuzione dei dati in reti non cablate di sensori

Le reti di sensori non cablate producono una grande quantità di informazioni sotto forma di flusso continuo di dati, provenienti da una certa area fisica. Individualmente, ogni sensore è autonomo, dotato di batteria limitata e possiede una piccola antenna per la comunicazione; collettivamente, i sensori cooperano su un’ area più o meno vasta per far giungere i dati gene- rati ad un unità centrale. Poiché la sostituzione delle batterie è spesso un operazione troppo costosa o inattuabile, l’efficienza energetica è considerata una metrica prioritaria durante la progettazione delle reti di sensori non cablate. Si richiede non solo di ridurre le richieste energetiche di ogni singolo nodo, ma anche di massimizzare il tempo di vita dell’intera rete, considerando i costi di comunicazione tra sensori. Ciò ha portato allo studio di come rimuo- vere le inefficienze energetiche sotto ogni aspetto: dalla piattaforma hardware, al software di base, ai protocolli di comunicazione al software applicativo. Nella tesi è illustrata una tecnica per il risparmio energetico che consiste nell’applicare memorie fisiche ad alcuni nodi della rete, in modo da accumulare in esse porzioni dei dati ge- nerati; successivamente le informazioni possono essere recuperate dall’unità centrale tramite interrogazioni. Questo permette di ridurre il numero di dati trasmessi, e conseguentemente diminuire l’assorbimento energetico della rete. Scopo della presente tesi è individuare algo- ritmi per determinare la disposizione ottima delle memorie tra i nodi.

Performance Analysis and Improvements for the Future Aeronautical Mobile Airport Communications System (AeroMACS)

This thesis deals with the development of the upcoming aeronautical mobile airport communications system (AeroMACS) system. We analyzed the performance of AeroMACS and we investigated potential solutions for enhancing its performance. Since the most critical results correspond to the channel scenario having less diversity1, we tackled this problem investigating potential solutions for increasing the diversity of the system and therefore improving its performance. We accounted different forms of diversity as space diversity and time diversity. More specifically, space (antenna and cooperative) diversity and time diversity are analyzed as countermeasures for the harsh fading conditions that are typical of airport environments. Among the analyzed techniques, two novel concepts are introduced, namely unequal diversity coding and flexible packet level codes. The proposed techniques have been analyzed on a novel airport channel model, derived from a measurement campaign at the airport of Munich (Germany). The introduced techniques largely improve the performance of the conventional AeroMACS link; representing thus appealing solutions for the long term evolution of the system.

Progetto di un convertitore di potenza autonomo per applicazioni di energy harvesting per radiofrequenza

Progetto di un circuito convertitore di potenza ottimizzato per essere alimentato da un antenna a RF in grado di estrarre potenza dalle bande a 900Mhz, 1750 MHz e 2450 MHz

Innovative architecture of on-board and on-ground radio systems for space communication

The radio communication system is one of the most critical system of the overall satellite platform: it often represents the only way of communication, between a spacecraft and the Ground Segment or among a constellation of satellites. This thesis focuses on specific innovative architectures for on-board and on-ground radio systems. In particular, this work is an integral part of a space program started in 2004 at the University of Bologna, Forlì campus, which led to the completion of the microsatellite ALMASat-1, successfully launched on-board the VEGA maiden flight. The success of this program led to the development of a second microsatellite, named ALMASat-EO, a three-axis stabilized microsatellite able to capture images of the Earth surface. Therefore, the first objective of this study was focused on the investigation of an innovative, efficient and low cost architecture for on-board radio communication systems. The TT&C system and the high data rate transmitter for images downlink design and realization are thoroughly described in this work, together with the development of the embedded hardware and the adopted antenna systems. Moreover, considering the increasing interest in the development of constellations of microsatellite, in particular those flying in close formations, a careful analysis has been carried out for the development of innovative communication protocols for inter-satellite links. Furthermore, in order to investigate the system aspects of space communications, a study has been carried out at ESOC having as objective the design, implementation and test of two experimental devices for the enhancement of the ESA GS. Thus, a significant portion of this thesis is dedicated to the description of the results of a method for improving the phase stability of GS radio frequency equipments by means of real-time phase compensation and a new way to perform two antennas arraying tracking using already existing ESA tracking stations facilities.

Advanced Beamforming for Distributed and Multi-Beam Networks

Beamforming entails joint processing of multiple signals received or transmitted by an array of antennas. This thesis addresses the implementation of beamforming in two distinct systems, namely a distributed network of independent sensors, and a broad-band multi-beam satellite network. With the rising popularity of wireless sensors, scientists are taking advantage of the flexibility of these devices, which come with very low implementation costs. Simplicity, however, is intertwined with scarce power resources, which must be carefully rationed to ensure successful measurement campaigns throughout the whole duration of the application. In this scenario, distributed beamforming is a cooperative communication technique, which allows nodes in the network to emulate a virtual antenna array seeking power gains in the order of the size of the network itself, when required to deliver a common message signal to the receiver. To achieve a desired beamforming configuration, however, all nodes in the network must agree upon the same phase reference, which is challenging in a distributed set-up where all devices are independent. The first part of this thesis presents new algorithms for phase alignment, which prove to be more energy efficient than existing solutions. With the ever-growing demand for broad-band connectivity, satellite systems have the great potential to guarantee service where terrestrial systems can not penetrate. In order to satisfy the constantly increasing demand for throughput, satellites are equipped with multi-fed reflector antennas to resolve spatially separated signals. However, incrementing the number of feeds on the payload corresponds to burdening the link between the satellite and the gateway with an extensive amount of signaling, and to possibly calling for much more expensive multiple-gateway infrastructures. This thesis focuses on an on-board non-adaptive signal processing scheme denoted as Coarse Beamforming, whose objective is to reduce the communication load on the link between the ground station and space segment.

Optical power stabilization of a laser diode for qnd measurement

La realizzazione di stati non classici del campo elettromagnetico e in sistemi di spin è uno stimolo alla ricerca, teorica e sperimentale, da almeno trent'anni. Lo studio di atomi freddi in trappole di dipolo permette di avvicinare questo obbiettivo oltre a offrire la possibilità di effettuare esperimenti su condesati di Bose Einstein di interesse nel campo dell'interferometria atomica. La protezione della coerenza di un sistema macroscopico di spin tramite sistemi di feedback è a sua volta un obbiettivo che potrebbe portare a grandi sviluppi nel campo della metrologia e dell'informazione quantistica. Viene fornita un'introduzione a due tipologie di misura non considerate nei programmi standard di livello universitario: la misura non distruttiva (Quantum Non Demolition-QND) e la misura debole. Entrambe sono sfruttate nell'ambito dell'interazione radiazione materia a pochi fotoni o a pochi atomi (cavity QED e Atom boxes). Una trattazione delle trappole di dipolo per atomi neutri e ai comuni metodi di raffreddamento è necessaria all'introduzione all'esperimento BIARO (acronimo francese Bose Einstein condensate for Atomic Interferometry in a high finesse Optical Resonator), che si occupa di metrologia tramite l'utilizzo di condensati di Bose Einstein e di sistemi di feedback. Viene descritta la progettazione, realizzazione e caratterizzazione di un servo controller per la stabilizzazione della potenza ottica di un laser. Il dispositivo è necessario per la compensazione del ligh shift differenziale indotto da un fascio laser a 1550nm utilizzato per creare una trappola di dipolo su atomi di rubidio. La compensazione gioca un ruolo essenziale nel miglioramento di misure QND necessarie, in uno schema di feedback, per mantenere la coerenza in sistemi collettivi di spin, recentemente realizzato.