Antenna de-­embedding for on­-body communications with wearables and implants

The particular challenge for modeling wearable and implantable wireless systems for on-body communications lies in the near-field coupling of the antenna and the dissipative tissue. Hence, so far, the antennas could not be considered separately from the propagation channel in the system description. Therefore, methods for the systematic antenna design of on-body applications are developed, whereas the antennas are characterized de-embedded. First, a method for characterizing on-body antennas is developed based on physical modeling of the propagation along the tissue. Furthermore, on-body antenna parameters are derived, representing an adapted form of the standard free-space antenna parameters. Secondly, a method for modeling on-body links based on spherical wave functions (SWF) is developed. It enables obtaining separate models of the antennas and the channel at a higher level of abstraction. Since the developed on-body antenna parameters are defined closely to the standard free-space definitions, an intuitive characterization of on-body antennas is possible. Furthermore, an antenna test range is developed for assessing the defined on-body antenna parameters for physical prototypes. As shown by the examples evaluated, the on-body antenna parameters and the determined transmission equation, analogous to the Friis equation in free-space, can also be used to model the entire wireless system. However, the difficulty lies in determining the directional channel model, which is costly and not universally possible for any application. The developed method based on SWF complements the characterization methods, as channels of any complexity can be modeled since the method could be implemented numerically. Beyond the characterization of on-body antennas and channels, the design of optimized antennas for these applications presents a substantial challenge. Based on the derived on-body transmission equation, antenna optimization can be done directly by maximizing the on-body antenna gain in the direction of the main propagation path. For more complex channels, antenna optimization based on SWF modeling is also developed. With this, optimal characteristics of the antenna can be calculated based on many different possible channel models. To also obtain a possibility for validation with measurements here, both developed methods are linked with each other so that a determination of the on-body antenna parameters is also possible based on the optimal SWF coefficients. With several application examples, it has been validated that the developed methods enable efficient de-embedded modeling and educated design of wearable and implanted antennas for on-body communications.Die besondere Herausforderung bei der Modellierung von am Körper getragenen und implantierbaren drahtlosen Systemen liegt in der Nahfeldkopplung der Antenne und des dissipativen Gewebes. Daher konnten bisher die Antennen nicht getrennt vom Ausbreitungskanal in der Systembeschreibung berücksichtigt werden. Aus diesem Grund werden Methoden für die systematische Antennenentwicklung von On-Body-Anwendungen entwickelt, wobei die Antennen separat (de-embedded) charakterisiert werden können. Zunächst wird eine Methode zur Charakterisierung von On-Body-Antennen entwickelt, die auf der physikalischen Modellierung der Ausbreitung entlang des Gewebes basiert. Darüber hinaus wurden On-Body-Antennenparameter abgeleitet, die eine angepasste Form der Standardantennenparameter für den freien Raum darstellen. Desweiteren wird eine Methode zur Modellierung von On-Body-Verbindungen auf Grundlage von sphärischen Wellenfunktionen entwickelt. Diese ermöglicht es, getrennte Modelle der Antennen und des Kanals auf einer höheren Abstraktionsebene zu erhalten. Da die entwickelten On-Body-Antennenparameter in enger Anlehnung an die Standarddefinitionen für den freien Raum definiert sind, ist eine intuitive Charakterisierung von On-Body-Antennen möglich. Weiterhin wird ein Antennenmesssystem entwickelt, um die definierten Antennenparameter für physische Prototypen auswerten zu können. Wie die untersuchten Beispiele zeigen, können die On-Body-Antennenparameter und die ermittelte Übertragungsgleichung, analog zur Friis-Gleichung im Freiraum, auch zur Modellierung des gesamten Funksystems verwendet werden. Die Schwierigkeit liegt hier jedoch in der Bestimmung des Kanalmodells, die aufwändig und nicht für jede Anwendung universell möglich ist. Die entwickelte Methode auf Basis sphärischer Wellenfunktionen (SWF) ergänzt die Charakterisierungsmethoden, da aufgrund der numerischen Implementierung hiermit Kanäle beliebiger Komplexität modelliert werden können. Neben der Charakterisierung von On-Body-Antennen und -Kanälen stellt der Entwurf von optimierten Antennen für diese Anwendungen eine große Herausforderung dar. Mithilfe der abgeleiteten Übertragungsgleichung für On-Body Antennen kann die Antennenoptimierung direkt basierend auf den On-Body Antennenparametern erfolgen, indem der Gewinn der On-Body Antenne in Richtung des Hauptausbreitungspfads maximiert wird. Für komplexere Kanäle wird auch eine Antennenoptimierung auf der Grundlage der SWF-Modellierung entwickelt. Auf diese Weise können die optimalen Eigenschaften der Antenne auf Grundlage vieler verschiedener möglicher Kanalmodelle berechnet werden. Um auch hier eine Möglichkeit zur messtechnischen Validierung zu erhalten, werden beide entwickelten Methoden miteinander verknüpft, sodass eine Bestimmung der On-Body Antennenparameter auch auf Basis der SWF-Koeffizienten möglich ist. Anhand mehrerer Anwendungsbeispiele konnte validiert werden, dass die entwickelten Methoden eine effiziente Modellierung sowie ein fundiertes Design von tragbaren und implantierten Antennen für die On-Body-Kommunikation ermöglichen

Optimisation of downy mildew (Plasmopara viticola) control in organic viticulture with low copper doses, new copper formulations and plant strengtheners, results of four years of on farm research

In three different wine growing regions in Germany, due to weather and infection conditions several fungicide (copper formulations) and plant strengtheners (Myco-Sin VIN®, Kendal®, Frutogard ®) applications against downy mildew are required in order to obtain satisfactory disease control. Results of the four years of on farm trials confirmed good efficacy of the copper based substances like copper hydroxide, partly in combination with two or three applications of potassium phosphonate, new copper-hydroxide formulation or copper oxychloride used in a low doses of copper and alternative products like Myco-Sin-VIN® (clay with high aluminium content) in combination with Kendal® ( plant extract)

Copper replacement in organic viticulture - state of the art in legislation and research

In European viticulture, downy mildew (Plasmopara viticola (Berk. & Curt.) Berl. & de Toni) is one of the most dangerous diseases affecting grapes, causing significant damage and severe decreases of product quality. European organic viticulture is predominantly based on copper applications to control this disease. Due to environmental problems incurred by copper applications, the European Commission decided to limit the use of certain copper products in organic viticulture. This should be achieved by the year 2002 (cf. EC 1488/97). Therefore, the Commission recommends testing alternative strategies in downy mildew control in line with EC 2092/91. In the last decade, specific actions were realized to investigate, apply and support alternative control measures. These are based on microbial antagonists, plant extracts and inorganic, naturally occurring compounds. Studies on modes of action should help to characterize markers indicating effective resistance inducers. Apart From the introduction of newly developed control agents, field trials focused on copper reduction strategies and new products with extremely low copper concentrations. Nevertheless, a multidisciplinary approach is highly recommended in order to help solving one of the major problems of organic viticulture

Using Copper in Organic Viticulture: Doing it best with less?

For many years, applications of copper fungicides have been used to control downy mildew on grapes. Nowadays, its intensive use is under consideration due to ecotoxicological aspects, especially in organic viticulture. As a result, this project made allowance for consumer perception about organic viticulture and is seeking suitable alternatives. The project includes an association of six research facilities, four organic wineries, several consultant agencies for organic viticulture as well as SME (small and medium-sized enterprise) partners, which are working together in four work packages. The aim of this work is to obtain an array of products that provide sufficient control of Plasmopara viticola with the lowest possible input of copper. As a longterm intention, copper-containing products should be totally replaced by other effective agents. Progress to-date suggests that some non-copper products and several copper-based products using less than 3 kg/(ha*a) have potential to effectively control the disease with less ecological residue

Thermal sensitivity of grapevine leaves affected by Plasmopara viticola and water stress

Research Note

Kupferersatz im ökologischen Weinbau: Entwicklung und Anwendung neuer Formulierungs- und Produktionstechnologien für den praxisgerechten Einsatz bakterieller Antagonisten

Im vorliegenden Projekt wurde der Einsatz bakterieller Antagonisten als Kupferersatz zur Bekämpfung von Plasmopara viticola, dem Erreger des Falschen Mehltaus der Weinrebe, im ökologischen Weinbau optimiert. Mit Hilfe von Dual-Kultur-Tests wurden sechs bakterielle Antagonisten aus vorhandenen Antagonisten-Stammsammlungen selektiert (Testpilze: Pythium ultimum; Phytophthora infestans). Mittels Blattscheiben-Test im Labor konnte mit den ausgewählten Isolaten eine Befallsreduzierung auf unter 5 % Befallsstärke erzielt werden. Der Befall in der unbehandelten Kontrolle schwankte je nach Ansatz zwischen 19 % und 35 %. Unter Gewächshausbedingungen zeigte sich an Topfreben ebenfalls eine gute biologische Wirksamkeit gegen den Schadpilz. Die Kontrollpflanzen wiesen einen Befall zwischen 60 % und 77 % Befallsstärke auf, während die Blätter der Prüfglieder weniger als 5 % Befallsstärke zeigten. Zur Eliminierung des Kupferanteils wurden für die Freilandversuche drei hochwirksame Isolate ausgewählt und in die Bekämpfungsstrategie „Öko-Standard“ integriert. Die Isolate gehörten den Bakteriengattungen Pseudomonas spp. und Bacillus spp. an. Um die Wirksamkeit im Freiland zu steigern, wurden Formulierungshilfsstoffe ausgewählt, die den Bakterien kurz vor der Applikation zugesetzt wurden. Dabei fanden die Substanzen Xanthan gum, Trehalose und PHYTO-VITAL® Anwendung. Aufgrund des extremen Sommers im Jahr 2003 war der Peronospora-Befall im Weinberg so gering, dass keine aussagekräftigen Ergebnisse zum Einsatz unter Freilandbedingungen gemacht werden konnten. Studien zur Etablierung der Antagonisten auf dem Rebblatt haben gezeigt, dass die Blätter der bakterienbehandelten Versuchsglieder Bakteriendichten aufwiesen, die um etwa eine Zehnerpotenz höher lagen als die mit Kupfer behandelten Blätter. Um mögliche Gärbeeinflussungen zu erfassen, wurden die Moste im Kleinmaßstab (25-Liter Gärbehälter) vergoren. Bisher zeigten sich keine Abweichungen vom kupferhaltigen Versuchsglied „Öko-Standard“

Kupferersatz/-minimierung im ökologischen Weinbau – erste Ergebnisse aus dem laufenden BÖL-Verbundprojekt

The project examines the control of downy mildew (Plasmopara viticola) in organic viticulture based on copper replacement and copper reduction strategies, respectively. The replacement agents or the new copper formulations with minimised copper dose will be integrated into the “organic standard” strategy, which additionally aims at the control of other pests and diseases. The following agents were tested: plant strengtheners, plant extracts and stone meals. Despite unclear situations regarding commercialisation and registration purposes, respectively, bacterial antagonists and phosphoric acid were also included. After a screening on potted vines, agents were tested in the test-vineyards of six different research stations for viticulture and plant protection. The last step should be the application on four pilot sites under practical conditions. Based on the results of the first growing period (2004), agents and strategies could be selected for large scale and practical use by organic vinegrowers. Algae products and new copper formulations have been proven to be highly effective against P. viticola in the greenhouse as well as in the field

Kupferreduzierung im ökologischen Weinbau in Deutschland Feldversuche und praktische Erfahrungen

Für den ökologischen Weinbau im Rahmen der EU-Verordnunbg 2092/91 und den nationalen Richtlinien der Verbände des ökologischen Landbaus stellt die Bekämpfung der eingeschleppten Pilzkrankheiten Peronospora viticola und Oidium tuckeri weiterhin die größte Herausforderung dar. Dabei liegt die größte Problematik weiterhin innerhalb der Bekämpfung des falschen Mehltaus. Tonpräparate (Mycosin, Ulmasud) zeigen oft nur in der Vorblütephase oder bei sehr geringem Befallsdruck einen ausreichenden Bekämpfungserfolg

Ökologischer Weinbau in Deutschland - Feldversuche und praktische Erfahrungen zur Kupferreduzierung

Ableitend aus dem aktuellen Kenntnisstand, den vorgestellten Ergebnissen und vielfältigen Erfahrungen aus der Praxis muss festgestellt werden, dass derzeit keine praxisreifen Kupferersatzstoffe aus den Bereichen anorganische Salze, Pflanzenextrakte und biologische Antagonisten zur Verfügung stehen. Die im Rahmen der vorgestellten Versuche mit einem unformulierten Präparat des biologischen Antagonisten von Plasmopara viticola, Erwinia herbicola, erzielten Ergebnisse machen den Forschungsbedarf in diesem Sektor deutlich. Die Wirkungspotentiale von Erwinia herbicola konnten mit dem unformulierten Versuchsprodukt bei gleichzeitig starkem Infektionsdruck und den realisierten Applikationsintervallen nicht ausgeschöpft werden. Gute Ergebnisse beim Einsatz von Erwinia herbicola Anfang der 90er Jahre belegen die Wirksamkeit dieses Antagonisten, wobei besonders durch entsprechende Formulierung Wirkungssteigerungen erreicht wurden. Um die Existenz des europäischen Bioweinbaus sicherzustellen ist der Erhalt bestimmter Kupferverbindungen im Anhang II der EU-VO 2092/91 derzeit unverzichtbar. Weiterhin ist aufgrund der klimatisch bedingten, an Stärke zunehmenden Infektionsereignisse durch Plasmopara viticola eine Reduzierung der Aufwandmengen unter 3 kg/ha und Jahr in der Praxis nicht vorstellbar. Möglichkeiten zu einer weiteren nationalen Reduzierung des Kupfereinsatzes (< 3 kg/ha) bei hohem Befallsdruck wären derzeit nur nach einer Wiederzulassung von phosphithaltigen Präparaten durch die BBA (Ökofluid-P und Robus sind derzeit nicht als Pflanzenstärkungsmittel registriert) gegeben und im Sinne der Praxis verantwortbar, wobei die Akzeptanz dieser Präparate durch die Bioanbauverbände gegeben sein müsste. Bei einer Eingruppierung als Pflanzenschutzmittel wäre eine Aufnahme in den Anhang II der EU Verordnung zu beantragen. Bereits bekannte Ergebnisse aus den 90er Jahren und aktuelle Untersuchungen zu Phosphonatrückständen in den Weinen aus den vorgestellten Versuchen sowie weiteren Proben aus der Praxis belegen die bestehende Rückstandsproblematik. Aktuell laufende Untersuchungen weisen jedoch darauf hin, dass dieser Problematik durch eine Begrenzung des Einsatzes bis in den Bereich des Entwicklungsstadiums „Erbsengröße“ (BBCH 75) sowie den Einsatz von Präparaten mit geringerer Phosphonatkonzentration deutlich entgegengewirkt werden kann. Die Untersuchungen hierzu sind noch nicht abgeschlossen und werden fortgesetzt