The modification of the radiation pattern and radiative lifetime of dye molecules in three-dimensional colloidal photonic crystals is studied, using high-resolution optical microscopy and spectroscopy. The experimental observations are compared to corresponding calculations of the local optical density of states. It can be concluded, that the fluorescence of the molecules is redistributed spectrally and spatially within the photonic crystal. / Mit Hilfe hochauflösender optischer Mikroskopie und Spektroskopie werden Änderungen der Abstrahlcharakteristik und strahlenden Lebensdauer von Farbstoffmolekülen in dreidimensionalen kolloidalen photonischen Kristallen untersucht. Die experimentellen Beobachtungen werden mit entsprechenden Berechnungen der lokalen optischen Zustandsdichte verglichen. Hieraus kann auf eine spektrale und räumliche Umverteilung der Fluoreszenz der Moleküle im photonischen Kristall geschlossen werden.

The modification of the radiation pattern and radiative lifetime of dye molecules in three-dimensional colloidal photonic crystals is studied, using high-resolution optical microscopy and spectroscopy. The experimental observations are compared to corresponding calculations of the local optical density of states. It can be concluded, that the fluorescence of the molecules is redistributed spectrally and spatially within the photonic crystal. / Mit Hilfe hochauflösender optischer Mikroskopie und Spektroskopie werden Änderungen der Abstrahlcharakteristik und strahlenden Lebensdauer von Farbstoffmolekülen in dreidimensionalen kolloidalen photonischen Kristallen untersucht. Die experimentellen Beobachtungen werden mit entsprechenden Berechnungen der lokalen optischen Zustandsdichte verglichen. Hieraus kann auf eine spektrale und räumliche Umverteilung der Fluoreszenz der Moleküle im photonischen Kristall geschlossen werden.

In this thesis a method to implement the radiation characteristics of musical instruments in wave field synthesis systems is developed. It is applied and tested in two loudspeaker systems.Because the loudspeaker systems have a comparably low number of loudspeakers the wave field is synthesized at discrete listening positions by solving a linear equation system. Thus, for every constellation of listening and source position all loudspeakers can be used for the synthesis. The calculations are done in spectral domain, denying sound propagation velocity at first. This approach causes artefacts in the loudspeaker signals and synthesis errors in the listening area which are compensated by means of psychoacoustic methods. With these methods the aliasing frequency is determined by the extent of the listening area whereas in other wave field synthesis systems it is determined by the distance of adjacent loudspeakers. Musical instruments are simplified as complex point sources to gain, store and propagate their radiation characteristics. This method is the basis of the newly developed “Radiation Method” which improves the matrix conditioning of the equation system and the precision of the wave field synthesis by implementing the radiation characteristics of the driven loudspeakers. In this work, the “Minimum Energy Method” — originally developed for acoustic holography — is applied for matters of wave field synthesis for the first time. It guarantees a robust solution and creates softer loudspeaker driving signals than the Radiation Method but yields a worse approximation of the wave field beyond the discrete listening positions. Psychoacoustic considerations allow for a successfull wave field synthesis: Integration times of the auditory system determine the spatial dimensions in which the wave field synthesis approach works despite different arrival times and directions of wave fronts. By separating the spectrum into frequency bands of the critical band width, masking effects are utilized to reduce the amount of calculations with hardly audible consequances. By applying the “Precedence Fade”, the precedence effect is used to manipulate the perceived source position and improve the reproduction of initial transients of notes. Based on Auditory Scene Analysis principles, “Fading Based Panning” creates precise phantom source positions between the actual loudspeaker positions. Physical measurements, simulations and listening tests prove evidence for the introduced methods and reveal their precision. Furthermore, results of the listening tests show that the perceived spaciousness of instrumental sound not necessarily goes along with distinctness of localization. The introduced methods are compatible to conventional multi channel audio systems as well as other wave field synthesis applications. / In dieser Arbeit wird eine Methode entwickelt, um die Abstrahlcharakteristik von Musikinstrumenten in Wellenfeldsynthesesystemen zu implementieren. Diese wird in zwei Lautsprechersystemen umgesetzt und getestet. Aufgrund der vergleichsweise geringen Anzahl an Lautsprechern wird das Schallfeld an diskreten Hörpositionen durch Lösung eines linearen Gleichungssystems resynthetisiert. Dadurch können für jede Konstellation aus Quellen- und Hörposition alle Lautsprecher für die Synthese verwendet werden. Hierzu wird zunächst in Frequenzebene, unter Vernachlässigung der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls gerechnet. Dieses Vorgehen sorgt für Artefakte im Schallsignal und Synthesefehler im Hörbereich, die durch psychoakustische Methoden kompensiert werden. Im Vergleich zu anderen Wellenfeldsyntheseverfahren wird bei diesem Vorgehen die Aliasingfrequenz durch die Größe des Hörbereichs und nicht durch den Lautsprecherabstand bestimmt. Musikinstrumente werden als komplexe Punktquellen vereinfacht, wodurch die Abstrahlung erfasst, gespeichert und in den Raum propagiert werden kann. Dieses Vorgehen ist auch die Basis der neu entwickelten “Radiation Method”, die durch Einbeziehung der Abstrahlcharakteristik der verwendeten Lautsprecher die Genauigkeit der Wellenfeldsynthese erhöht und die Konditionierung der Propagierungsmatrix des zu lösenden Gleichungssystems verbessert. In dieser Arbeit wird erstmals die für die akustische Holografie entwickelte “Minimum Energy Method” auf Wellenfeldsynthese angewandt. Sie garantiert eine robuste Lösung und erzeugt leisere Lautsprechersignale und somit mehr konstruktive Interferenz, approximiert das Schallfeld jenseits der diskreten Hörpositionen jedoch schlechter als die Radiation Method. Zahlreiche psychoakustische Überlegungen machen die Umsetzung der Wellenfeldsynthese möglich: Integrationszeiten des Gehörs bestimmen die räumlichen Dimensionen in der die Wellenfeldsynthesemethode — trotz der aus verschiedenen Richtungen und zu unterschiedlichen Zeitpunkten ankommenden Wellenfronten — funktioniert. Durch Teilung des Schallsignals in Frequenzbänder der kritischen Bandbreite wird unter Ausnutzung von Maskierungseffekten die Anzahl an nötigen Rechnungen mit kaum hörbaren Konsequenzen reduziert. Mit dem “Precedence Fade” wird der Präzedenzeffekt genutzt, um die wahrgenommene Schallquellenposition zu beeinflussen. Zudem wird dadurch die Reproduktion transienter Einschwingvorgänge verbessert. Auf Grundlage von Auditory Scene Analysis wird “Fading Based Panning” eingeführt, um darüber hinaus eine präzise Schallquellenlokalisation jenseits der Lautsprecherpositionen zu erzielen. Physikalische Messungen, Simulationen und Hörtests weisen nach, dass die neu eingeführten Methoden funktionieren und zeigen ihre Präzision auf. Auch zeigt sich, dass die wahrgenommene Räumlichkeit eines Instrumentenklangs nicht der Lokalisationssicherheit entspricht. Die eingeführten Methoden sind kompatibel mit konventionellen Mehrkanal-Audiosystemen sowie mit anderen Wellenfeldsynthesesystemen.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung von anwendungsspezifisch angepassten und drucktechnisch herstellbaren Antennen für Radio‐Frequency‐Identification (RFID) Anwendungen im Ultra‐High‐Frequency (UHF) und Super‐High‐Frequency (SHF) Frequenzbereich. Dabei werden alle Entwicklungsschritte und deren Abhängigkeiten vom Antennenentwurf über die Simulation, die Herstellung im Druckverfahren und die Antennenvermessung betrachtet. Die Alleinstellungsmerkmale der vorliegenden Arbeit liegen in der Erforschung von Antennen, welche eine hohe Funktionalität in herausfordernden dielektrischen oder metallischen Umgebungen (Glas, Holz, Papier, Aluminium, …) aufweisen sowie im Druckverfahren hergestellt werden. Mit Hilfe von FEM‐ und MoM‐Berechnungen werden neu entwickelte Antennenkonzepte wie 898 MHz‐Dipolantennen, 868 MHz‐Längsstrahler‐ Antennenkonfigurationen, 868 MHz‐(Reflektor)‐Antennenkonfigurationen und 5.8 GHz‐3D‐Dipol‐ Antennendesigns zur Erhöhung der Kommunikationsfähigkeit untersucht und beschrieben. Dabei werden hinsichtlich der 868 MHz‐Längsstrahler‐Antennenkonfiguration, zur Funktion in direkter metallischer Umgebung, Performance mindernde Depolarisationseffekte nachgewiesen. Eine Minimierung dieser Effekte wird mit der gezielten Krümmung elektromagnetischer Wellenfronten zwischen abstrahlendem Antennenelement und Reflektor erreicht. Der Nachweis wird anhand einer selbst entwickelten 868 MHz‐(Reflektor)‐Antennenkonfiguration geführt. Um die Leistungsfähigkeit gedruckter Antennen weiter zu steigern, werden Antennen mit gerichteter Abstrahlcharakteristik mit einer Resonanzfrequenz von 5.8 GHz und einer Frequenzbandbreite von 150 MHz entworfen. Als ein Ergebnis werden Antennen mit dreidimensionaler Geometrie vorgestellt. Die Besonderheit hierbei liegt in der planaren Herstellung der Antenne im Druckverfahren und der anschließenden dreidimensionalen Aufrichtung. Die entwickelten Antennen sind direkt in kommerzielle und industrielle Anwendung überführbar. / This doctoral thesis focuses on research and development in the field of novel, optimized and printed antenna structures for UHF and SHF-RFID applications in challenging dielectric and metallic environments. These antenna structures have a high level of functionality, the manufacturing costs are low and they can easily be integrated. At the beginning of this work, based on wave equations it had been deduced that the propagation of electromagnetic waves in different media is dependent on the two material parameters permeability and permittivity. Based on this knowledge and further application- and manufacturing-specific parameters (resonance frequency, radiation characteristics, impedance, properties of the object which is to be identified (form, geometry, permeability and permittivity) and manufacturing-specific properties (substrate, material and printed layer thereof)), dipole antenna designs for different dielectric environments (air, paper, glass or wood) were designed, investigated with the help of a simulation tool, manufactured employing screen and gravure printing technologies and characterized in an anechoic chamber. The employed printing technologies are very dynamic processes which depend on various process parameters. In order to improve the functionality of printed antenna structures, several dependencies between the printing processes and the achieved antenna properties have been investigated. Summed up, it can be stated that next to all manufacturing-specific dependencies, the antenna design itself is the most significant factor influencing the achievable antenna properties. Next to carrying out research on dielectric antennas in the near field, finding novel antenna concepts for the realization of highly functional UHF-RFID-transponder-antennas for the application on metallic objects was also part of this investigation. Important to account for is that the metallic objects influence the propagation of electromagnetic waves. In order to efficiently use this physical property of the reflection of electromagnetic waves, novel UHF-reflector-antenna configurations have been designed. Afterwards, its antenna-polarizations behavior was investigated in several simulations before the antenna was manufactured employing screen printing technology and characterized in an anechoic chamber. The developed antenna-configuration showed impressive RFID-reading distances up to 8.1 m (with a RFID-reader transmitting power of 1 W ERP) and compared to the state-of-the-art technology (reading distance approx. 5 m). Therefore this technology enhances the reading performance (distance) by approximately 60 %. In order to improve the communication quality of future RFID-systems, also novel, multi-directional 3D-RFID transponder antenna structures with a resonance frequency of 5.8 GHz were designed. Because of the increased resonance frequency compared to already existing UHF-RFID systems, the usage of a broader-band RFID-frequency range is possible (5.725 GHz – 5.875 GHz (150 MHz) instead of just several kHz). This allows identifying significantly more objects (> 100) in parallel. The three-dimensional layout of two antenna parts vertical to each other allows a directional (not omni-directional) radiation characteristic outside the enclosed volume of space. Because of this, the influence of dielectric materials (for instance content of product packages) on the functionality of the antenna could be significantly reduced. Also, it was shown that the designed 3D-antenna structure could easily be integrated directly on the interior of for instance product packages employing screen printing technology. After folding/erecting the product package, the antenna receives its three dimensional shape and its verified improved performance.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung von anwendungsspezifisch angepassten und drucktechnisch herstellbaren Antennen für Radio‐Frequency‐Identification (RFID) Anwendungen im Ultra‐High‐Frequency (UHF) und Super‐High‐Frequency (SHF) Frequenzbereich. Dabei werden alle Entwicklungsschritte und deren Abhängigkeiten vom Antennenentwurf über die Simulation, die Herstellung im Druckverfahren und die Antennenvermessung betrachtet. Die Alleinstellungsmerkmale der vorliegenden Arbeit liegen in der Erforschung von Antennen, welche eine hohe Funktionalität in herausfordernden dielektrischen oder metallischen Umgebungen (Glas, Holz, Papier, Aluminium, …) aufweisen sowie im Druckverfahren hergestellt werden. Mit Hilfe von FEM‐ und MoM‐Berechnungen werden neu entwickelte Antennenkonzepte wie 898 MHz‐Dipolantennen, 868 MHz‐Längsstrahler‐ Antennenkonfigurationen, 868 MHz‐(Reflektor)‐Antennenkonfigurationen und 5.8 GHz‐3D‐Dipol‐ Antennendesigns zur Erhöhung der Kommunikationsfähigkeit untersucht und beschrieben. Dabei werden hinsichtlich der 868 MHz‐Längsstrahler‐Antennenkonfiguration, zur Funktion in direkter metallischer Umgebung, Performance mindernde Depolarisationseffekte nachgewiesen. Eine Minimierung dieser Effekte wird mit der gezielten Krümmung elektromagnetischer Wellenfronten zwischen abstrahlendem Antennenelement und Reflektor erreicht. Der Nachweis wird anhand einer selbst entwickelten 868 MHz‐(Reflektor)‐Antennenkonfiguration geführt. Um die Leistungsfähigkeit gedruckter Antennen weiter zu steigern, werden Antennen mit gerichteter Abstrahlcharakteristik mit einer Resonanzfrequenz von 5.8 GHz und einer Frequenzbandbreite von 150 MHz entworfen. Als ein Ergebnis werden Antennen mit dreidimensionaler Geometrie vorgestellt. Die Besonderheit hierbei liegt in der planaren Herstellung der Antenne im Druckverfahren und der anschließenden dreidimensionalen Aufrichtung. Die entwickelten Antennen sind direkt in kommerzielle und industrielle Anwendung überführbar. / This doctoral thesis focuses on research and development in the field of novel, optimized and printed antenna structures for UHF and SHF-RFID applications in challenging dielectric and metallic environments. These antenna structures have a high level of functionality, the manufacturing costs are low and they can easily be integrated. At the beginning of this work, based on wave equations it had been deduced that the propagation of electromagnetic waves in different media is dependent on the two material parameters permeability and permittivity. Based on this knowledge and further application- and manufacturing-specific parameters (resonance frequency, radiation characteristics, impedance, properties of the object which is to be identified (form, geometry, permeability and permittivity) and manufacturing-specific properties (substrate, material and printed layer thereof)), dipole antenna designs for different dielectric environments (air, paper, glass or wood) were designed, investigated with the help of a simulation tool, manufactured employing screen and gravure printing technologies and characterized in an anechoic chamber. The employed printing technologies are very dynamic processes which depend on various process parameters. In order to improve the functionality of printed antenna structures, several dependencies between the printing processes and the achieved antenna properties have been investigated. Summed up, it can be stated that next to all manufacturing-specific dependencies, the antenna design itself is the most significant factor influencing the achievable antenna properties. Next to carrying out research on dielectric antennas in the near field, finding novel antenna concepts for the realization of highly functional UHF-RFID-transponder-antennas for the application on metallic objects was also part of this investigation. Important to account for is that the metallic objects influence the propagation of electromagnetic waves. In order to efficiently use this physical property of the reflection of electromagnetic waves, novel UHF-reflector-antenna configurations have been designed. Afterwards, its antenna-polarizations behavior was investigated in several simulations before the antenna was manufactured employing screen printing technology and characterized in an anechoic chamber. The developed antenna-configuration showed impressive RFID-reading distances up to 8.1 m (with a RFID-reader transmitting power of 1 W ERP) and compared to the state-of-the-art technology (reading distance approx. 5 m). Therefore this technology enhances the reading performance (distance) by approximately 60 %. In order to improve the communication quality of future RFID-systems, also novel, multi-directional 3D-RFID transponder antenna structures with a resonance frequency of 5.8 GHz were designed. Because of the increased resonance frequency compared to already existing UHF-RFID systems, the usage of a broader-band RFID-frequency range is possible (5.725 GHz – 5.875 GHz (150 MHz) instead of just several kHz). This allows identifying significantly more objects (> 100) in parallel. The three-dimensional layout of two antenna parts vertical to each other allows a directional (not omni-directional) radiation characteristic outside the enclosed volume of space. Because of this, the influence of dielectric materials (for instance content of product packages) on the functionality of the antenna could be significantly reduced. Also, it was shown that the designed 3D-antenna structure could easily be integrated directly on the interior of for instance product packages employing screen printing technology. After folding/erecting the product package, the antenna receives its three dimensional shape and its verified improved performance.