Universität Stuttgart
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Item Open Access Quantitative analysis of the sensitivity of UHF sensor positions on a 420 kV power transformer based on electromagnetic simulation(2019) Beura, Chandra Prakash; Beltle, Michael; Tenbohlen, Stefan; Siegel, MartinWith an increasing interest in ultra-high frequency (UHF) partial discharge (PD) measurements for the continuous monitoring of power transformers, it is necessary to know where to place the UHF sensors on the tank wall. Placing a sensor in an area with many obstructions may lead to a decrease in sensitivity to the UHF signals. In this contribution, a previously validated simulation model of a three-phase 300 MVA, 420 kV power transformer is used to perform a sensitivity analysis to determine the most sensitive sensor positions on the tank wall when PD activity occurs inside the windings. A matrix of UHF sensors located on the transformer tank is used to perform the sensitivity analysis. Some of the windings are designed as layer windings, thus preventing the UHF signals from traveling through them and creating a realistic situation with very indirect propagation from source to sensor. Based on these findings, sensor configurations optimized for UHF signal sensitivity, which is also required for PD source localization, are recommended for localization purposes. Additionally, the propagation and attenuation of the UHF signals inside the windings and the tank are discussed in both oil and air.Item Open Access Precise voltage measurement for power electronics with high switching frequencies(2018) Nitzsche, Maximilian; Zehelein, Matthias; Tröster, Nathan; Roth-Stielow, JörgIn this paper different approaches in precise measurement of gate voltages as well as drain-source voltages of modern SiC and GaN transistors are compared. An approach to calculate the necessary bandwidth of a voltage probe to reproduce the voltage slope is presented. Furthermore, state-of-the-art voltage probes are compared in means of bandwidth, common mode reduction and response on EMI.Item Open Access Genauigkeitssteigerung bei der spanenden Bearbeitung mit Industrierobotern durch Fehlerkompensation mit 3D-Piezo-Ausgleichsaktorik(2011) Puzik, Arnold; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c.)Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel eine Lösung zu zeigen, welche allgemeingültig den Fehler eines Industrieroboters kompensiert. Diese Lösung soll sowohl die Kompensation des statischen Fehlers als auch des Bahnfehlers von Robotern ermöglichen, so dass eine genaue Bearbeitung bei dynamischen Prozessen, wie dem Fräsen, möglich wird. Hierzu wird ein Bearbeitungskonzept vorgeschlagen, welches darauf beruht, dass der Roboter das Bauteil handhabt und die Werkzeugspindel auf einer schnellen Ausgleichskinematik befestigt ist, und so mit Hilfe eines Messsystems den gemessenen Positionsfehler des Roboters ausgleichen kann. Gegenüber bisherigen Ansätzen, welche den Roboter steifer machen, soll durch den Einsatz einer aktiven und schnellen Ausgleichsaktorik auf Basis von Piezo-Aktoren der Fehler des Roboters in allen drei Raumrichtungen ausgeglichen werden. Hierzu wird während des Bearbeitungsprozesses der Fehler des Roboters kontinuierlich gemessen und der 3D-Piezo-Ausgleichsaktorik als Führungsgröße übergeben, auf welcher die Bearbeitungsspindel mit dem Werkzeug befestigt ist. Die Entwicklung der schnellen Ausgleichskinematik – der 3D-Piezo-Ausgleichsaktorik – stand dabei im Vordergrund. In dieser Dissertation wird die methodische und systematische Realisierung dieser Kinematik gezeigt. Die gefertigte Kinematik wird hierzu aufgebaut, in Betrieb genommen und anhand von gemessenen Fräswerkstücken aus Aluminium wird das Konzept erfolgreich validiert.Item Open Access Effiziente Synthese konsistenter Graphen und ihre Anwendung in der Lokalisierung akustischer Quellen(2015) Kreißig, Martin; Yang, Bin (Prof. Dr.-Ing.)In dieser Arbeit wird das Problem der simultanen, akustischen Mehrquellenlokalisierung in echobehafteten Umgebungen genauer betrachtet und daran beispielhaft die Anwendungsmöglichkeit der Synthese konsistenter Graphen gezeigt und analysiert. Dafür werden die Grundlagen der akustischen Lokalisierung eingeführt und unterschiedliche Ansätze vorgestellt. Im Besonderen werden die laufzeitdifferenzbasierten Lokalisierungsverfahren betrachtet, die das Problem der uneindeutigen Zuweisung der Laufzeitdifferenzen zu den Quellen haben. Anhand dieses konkreten Anwendungsbeispiels der Lokalisierung wird die Problematik auf ein graphentheoretisches Problem abstrahiert. Deshalb werden zunächst die graphentheoretischen Grundlagen und bereits bekannte Algorithmen, wie die Tiefen- und Breitensuche eingeführt, die beide einen aufspannenden Baum suchen. Der aufspannende Baum ist notwendig, um die Menge der fundamentalen Maschen zu bestimmen. Die Synthese konsistenter Graphen erfolgt durch das Zusammenführen der konsistenten fundamentalen Maschen. Dabei unterscheidet man folgende Vorgehensweisen: die Synthese voll konsistenter Graphen, die jeder Kante des Eingangsgraphen ein konsistentes Kantengewicht zuweisen und die Synthese partiell konsistenter Graphen, die nur eine Teilmenge von Kanten beinhalten. Beide Vorgehensweisen basieren auf den konsistenten fundamentalen Maschen, welche die Nullsummenbedingung erfüllen. Die Synthese voll konsistenter Graphen wird über ein Backtracking-Verfahren realisiert. Die Synthese partiell konsistenter Graphen wird aus dem Kompatibilitäts-Konflikt-Graph abgeleitet, der ein neuer Typus von Graph ist und die drei unterschiedlichen Zustände zwischen den konsistenten fundamentalen Maschen beschreibt: 1) zwei konsistente Maschen haben keine gemeinsame Kanten, 2) zwei konsistente Maschen haben gemeinsame Kanten und identische Kantengewichte (kompatibel) und 3) zwei konsistente Maschen haben gemeinsame Kanten und unterschiedliche Kantengewichte (Konflikt). Um alle möglichen, partiell konsistenten Graphen zu synthetisieren, wird der neue Algorithmus CCGsearch eingeführt und auf Vollständigkeit bewiesen. Die Berechnungskomplexitäten der beiden Syntheseverfahren werden sowohl analytisch hergeleitet als auch durch Simulationen verifiziert.Item Open Access Equalization and blind signal combining algorithms for mobile television broadcast reception(2016) Ahmed, Rana; Speidel, Joachim (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Organische Dünnschichttransistoren mit gedrucktem Halbleiter für Schaltungen und Anzeigen(2019) Strecker, Michael; Frühauf, Norbert (Prof. Dr.-Ing.)Die vorliegende Arbeit behandelt die Entwicklung von organischen Dünnschichttransistoren mit gedrucktem Halbleiter für Anwendungen der gedruckten Elektronik. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Untersuchung der Abscheidung organischer Halbleiterlösungen durch Tintenstrahldruck, während die Abscheidung und Strukturierung der übrigen Metallisierungen auf vorwiegend konventionellen Dünnschichtprozessen basieren. Entsprechend potentieller Einsatzmöglichkeiten gedruckter Elektronik wurde die Entwicklung an einen energiesparenden Betrieb ausgerichtet. Als Halbleiter wurden daher Lösungen aus einem Polymer (p-Typ) und einem Perylendiimid-Derivat (PDI, nTyp) eingesetzt, mit dem Ziel eines kompatiblen Prozesses zum Einsatz der Transistoren in komplementären Ansteuerschaltungen und Anzeigen. Ein niedriges Spannungsniveau wurde durch ein dünnes, anodisiertes Dielektrikum mit hohem Kapazitätsbelag realisiert. Die Halbleiter wurden vor allem hinsichtlich ihrer Verdruckbarkeit, der morphologischen Eigenschaften und des daraus resultierenden elektrischen Verhaltens der Transistoren untersucht. Eine zentrale Erkenntnis ist, dass die Halbleiter sich aufgrund ihrer unterschiedlichen Stoffeigenschaften in der Verarbeitbarkeit durch den Druckprozess erheblich unterscheiden. Der Polymerhalbleiter zeichnet sich durch ein im Wesentlichen unproblematisches Benetzungsverhalten, robuste Prozessierbarkeit und vergleichsweise geringe Ladungsträgerbeweglichkeit µ ≈10−3cm2V−1s−1 aus. Dagegen sind das Benetzungsverhalten und die Morphologie des PDI-Derivats stark vom gewählten Lösemittel abhängig. Die Morphologie variiert von körnigen, diskontinuierlichen Filmen mit amorpher Struktur (o-DCB, Tetralin) bis hin zu ebenen, polykristallinen Filmen (Dimethylphthalat, DMP). Entsprechend variiert die erzielte Ladungsträgerbeweglichkeit typischerweise von µ≈10−4cm2V−1s−1 bis µ≈10−1cm2V−1s−1. In allen Fällen zeichnet sich der Nassfilm durch eine ausgeprägte Spreitung aus. Während die Trocknung bei Lösungen aus o-DCB und Tetralin innerhalb weniger Sekunden abgeschlossen ist, dauert dies bei DMP aufgrund des niedrigen Dampfdrucks mehrere Minuten. Die endgültige Lage des Halbleiters kann dabei weder vorhergesagt noch kontrolliert werden, da es während der Trocknung zur willkürlichen Wanderung des Nassfilms relativ zu den bedruckten Transistorstrukturen kommt. Daher waren technologische Maßnahmen erforderlich, um die Lokalisation des Halbleiters reproduzierbar sicherzustellen. Hierzu wurden zwei Ansätze untersucht. Einerseits erfolgte die Lokalisation durch lokal modulierte Oberflächenspannungen mithilfe von strukturierten, selbstorganisierenden Monolagen mit hydrophobem Charakter. Dieser Prozess eignet sich auch zur Lokalisierung des Polymerhalbleiters, falls eine erhöhte Integrationsdichte erforderlich ist. Für das PDI-Derivat hat sich die Lokalisierung durch strukturierte Polymerwannen als Prozess der Wahl herausgestellt. Obwohl die Halbleiter, insbesondere das PDI-Derivat, bereits an Luft eine hohe Umweltstabilität aufweisen, wurde die Verkapselung der Halbleiter untersucht. Eine Verkapselung ist unabhängig von der intrinsischen Stabilität in komplexen, mehrschichtigen Systemen, wie Schaltungen und Anzeigen, erforderlich, um den Halbleiter vor nachfolgenden Prozessschritten zu schützen. Als Material der Wahl hat sich ein fluorierter Photolack basierend auf gegenüber den Halbleitern orthogonalen Lösemitteln erwiesen. Insbesondere der Polymerhalbleiter zeigt durch die Verkapselung eine Stabilisierung der Schwellspannung und eine erhöhte Langzeitstabilität. Durch die hydrophobe Verkapselung bleibt sogar eine mehrstündige Immersion in Wasser ohne Auswirkungen auf das Verhalten der Transistoren. Für beide Halbleitertypen wurden jeweils Prozesse für ein optimales Betriebsverhalten entwickelt. Aufgrund technologischer Einschränkungen und der geforderten ähnlichen Eigenschaften der Transistoren in komplementären Schaltungen ist die Schnittmenge eines für beide Halbleitertypen kompatiblen Prozesses allerdings gering. Die Realisierung komplementärer Grundschaltungen erfolgte daher auf Basis des BGBC-Prozesses mit Abscheidung des PDI-Derivats aus o-DCB. Die hergestellten Inverter, Nand-Gatter und Ringoszillatoren waren funktionsfähig, allerdings stellte sich die Betriebsstabilität als problematisch heraus. Durch elektrische Beanspruchung trat eine signifikante Verschiebung der Schwellspannungen ein, was zur raschen Degradation der Signalpegel führte. Alternativ wurde die unipolare Pseudo-CMOS-Technik auf Basis des Polymerhalbleiters untersucht. Diese Schaltungstechnik stellte sich als wesentlich robuster heraus. Es wurde sogar eine Art Lerneffekt beobachtet, der dazu führt, dass sich das anfänglich nicht-ideale Schaltverhalten von Invertern während des Betriebs durch Angleichung der Schwellspannungen einzelner Transistoren verbessert. Die Integrierbarkeit der entwickelten Transistorprozesse in ein komplexes, mehrschichtiges System wurde durch eine funktionsfähige, elektrophoretische Aktiv-Matrix-Anzeige demonstriert. Die Anzeige hat eine Auflösung von 32×32 Bildpunkten mit Ansteuerung durch organische Transistoren mit Polymerhalbleiter. Die Lokalisation des Halbleiters wurde aufgrund der geringen Transistordimensionen erfolgreich durch selbstorganisierende Monolagen realisiert. Durch die Verkapselung hatten nachfolgende Passivierungs-, Abscheide- und Strukturierungsprozesse keine signifikanten Auswirkungen auf die Transistoren. Die maximale Temperatur bei der Prozessierung betrug 150◦C.Item Open Access Active electronic loads for radiometric calibration(2017) Weissbrodt, Ernst; Kallfass, Ingmar (Prof. Dr.)Although radiometer systems are widely applied in very different fields, they all have one important requirement in common: They require a thorough radiometric calibration. Various conventional calibration references are well established, but their bulkiness, high power consumption, and complexity are limiting the expanding fields of application. Since novel industrial applications such as passive millimeter-wave imaging emerge, the requirements for calibration references have increased drastically. But also in scientific fields like radio astronomy, cosmology or environmental monitoring, modern remote sensing radiometers do not rely only on conventional references anymore. In this work, millimeter-wave monolithic integrated circuits (MMICs) based on metamorphic high electron mobility transistors (mHEMT) were designed to be used as active electronic loads for radiometric calibration. These novel references have not only the outstanding property, that they can be directly integrated on chip-level into the radiometer front-end, but also, that they can exhibit cold as well as hot reference noise temperatures. Since this is achieved without any physical cooling or heating, the power consumption is notably reduced. By monolithic integration of field effect transistor (FET) switches, theses multiple references can internally be routed to the receiver input without any mechanical wear. As a result, laborious external references can be omitted and the repetition rate of the calibration procedure increased, which results in a higher radiometric accuracy and allows a more compact and cost-effective design of modern radiometer systems. This work presents the first radiometric calibration front-end that allows to internally switch between active electronic cold and active electronic hot loads, as well as a passive ambient load. All components are integrated on a single MMIC, and a patent was granted for this innovation. To predict the achievable noise temperatures of active cold loads (ACLs), different simulation approaches were previously published. This work evaluates and adapts these existing approaches to design and manufacture several W-band loads. But the required design-flow was found to be very time-consuming because multiple iterations are necessary to successively design and optimize the input- and output matching networks, and to finally achieve the desired low noise temperature. Therefore, a novel simulation approach is introduced that makes efficiently use of modern optimization algorithms and the very accurate model library of the mHEMT technology and the passive structures. With this novel simulation method, the first active hot loads (AHLs) were designed as well as state-of-the-art ACLs up to 140 GHz. However, the characterization of low-noise one-port devices is particularly challenging, especially at such high frequencies. Hence, a substantial part of this work is to investigate the reliability of different noise measurement setups and the repeatability of noise temperature results. Dedicated setups in W- and D-band are used to characterize all manufactured active loads and some selected results are cross-checked by measuring the same circuits with independently designed measurement systems of other research facilities. The discrepant results are discussed, concluding that high variations in measured one-port noise temperature do not allow to rely on one single measurement setup. At the same time, this thorough investigation and comparison permits to establish an accuracy range within which the results of the manufactured active electronic loads are reliable, whereas other previously published ACLs are typically only measured with one measurement setup.Item Open Access Channel estimation and precoding in closed-loop distributed multi-antenna systems(2015) Wild, Thorsten; Speidel, Joachim (Prof. Dr.-Ing.)Today’s wireless cellular systems are limited by inter-cell interference. Coordinated multi-point transmission and reception (CoMP) is a promising approach to cope with this problem. Here, multiple base stations act as a distributed antenna system, exchanging coordination information and potentially user data via backhaul in order to reduce this interference, increasing spectral efficiency and generating a more homogeneous user experience throughout the entire cell, especially at the currently weak cell edges. This dissertation aims at enabling coordinated multi-point systems by dealing with its current realization challenges. Accurate channel knowledge is required both at transmitter and receiver side in order to realize the CoMP gains. Hence, practical channel estimation algorithms are investigated and developed in order to get as accurate channel knowledge as possible with manageable computational complexity under realistic system operation points. Especially the often neglected obtainment of statistical parameter knowledge is included here, which is challenging under dynamic user scheduling conditions. A multi-user multi-cell channel estimator is provided which, even for larger number of coordinated cells, can get receiver performance fairly close to performance with perfect channel knowledge. Furthermore, different downlink precoding and receive combining strategies are compared against each other under imperfect channel knowledge. As the number of coordinated cells - the cluster size - is limited in practice, mobiles at cluster edges suffer from inter-cluster interference. A novel patented precoding and control signaling scheme is introduced in order to deal with the inter-cluster interference.Item Open Access Frequency-agile bandpass delta-sigma modulator for microwave transmitters(2019) Schmidt, Martin; Berroth, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)A large part of the power consumption for mobile communications can be allotted to power amplifiers. Class-S power amplifiers promise a very high power efficiency, especially for modern communication standards. An important part of the Class-S power amplifier is the modulator that converts the input signal into a binary pulse sequence. A switching-mode power amplifier can amplify this sequence efficiently. This work covers the implementation of such a modulator as a bandpass delta-sigma modulator. The goal is an output signal which fulfills the requirements of the mobile communication standard UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) in a frequency range which is as large as possible. The thesis starts with the basics of mobile communications, with power amplifiers and with the requirements for the transmit signals for UMTS. Based on a discrete-time lowpass delta-sigma modulator, a continuous-time bandpass delta-sigma modulator is derived. Due to project constraints a bipolar technology is selected for the implementation. Current-mode logic is used for amplifiers and latches in the digital part. Different circuits for a transconductance amplifier are derived and evaluated. A novel, switchable capacitance is presented. With the switchable capacitance a large frequency range of the modulator becomes possible. Two modulators are designed. The first modulator is not tunable and fulfills the UMTS requirements for the downlink channel from the base station to the user equipment at a signal frequency of 2.2 GHz. The second modulator uses the switchable capacitance and covers a frequency range between 1.55 GHz and 2.45 GHz. It fulfills the UMTS requirements within the frequency range between 1.8 GHz and 2.45 GHz.Item Open Access Entwicklung einer Methode der Displaybeleuchtung zur Unterstützung des menschlichen zirkadianen Systems(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2019) Proß, Achim; Spath, Dieter (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c.)LED-Displays mit hohem Blaulichtanteil wirken nachweislich negativ auf den Tag-Nacht-Rhythmus. Diese Dissertation behandelt die kombinierte Fragestellung, wie spektrale Veränderungen der Displaybeleuchtung die nicht-visuelle Lichtwirkung und die Farbwahrnehmung des Menschen beeinflussen. Es wird eine Methode zur Displaybeleuchtung durch Verschiebung der Peak-Wellenlängen entwickelt, prototypisch realisiert und in zwei Probandenstudien evaluiert.