Broadband dielectric resonator antennas for WLAN applications

Today's communications systems require use of broadband antennas to meet high capacity requirements. Furthermore, some applications require smaller antenna sizes. In this work, a broadband Dielectric Resonator Antenna (DRA) for WLAN applications is presented. The antennas presented are compact in size, have the broadside radiation patterns and high radiation efficiency. The bandwidth of the DRA depends on the dielectric material, its shape, as well as the excitation technique used to feed the antenna. The three antennas presented in this thesis are of half cylindrical shape, mounted on ground planes and excited by aperture coupling slot. A parasitic U slot is part of the feeding network for more coupling and bandwidth enhancement. The antennas have good radiation characteristics and operate over a wide band of frequencies. Ansoft HFSS is used for the antenna simulation. CST Microwave studio is also used to compare the accuracy of time domain and frequency domain analysis of the DRAs. The DR material is Rogers RO3010 (TM) with [varepsilon] r = 10.2, and a dielectric loss tangent of 0.0035. The substrate material is Rogers RT/Duroid 5880 (TM) with [varepsilon] s =2.2, a loss tangent of 0.0009, and 0.767 mm thickness. The half-cylindrical DRA is used to have the TEo13 mode excited. The radiation patterns of the three antennas are similar to that of a magnetic monopole which has the broadside radiation pattern. Parasitic U-shaped slots are used with the three presented antennas to enhance the bandwidth by exciting a dual resonant frequency in the TE 01e mode. These slots have similar radiation characteristics to those of the half cylindrical DRAs so the overall radiation patterns of these antennas are not deteriorated. For the fabricated antennas, they have broadside radiation characteristics in H and E planes. As for the impedance bandwidth, the half cylindrical ORA has 24 % fractional bandwidth. For the half cylindrical ORA backed with a rectangular dielectric resonator, 32% bandwidth is achieved. A bandwidth of29% is achieved in the case of half volume Elliptical ORA. The gain of the three antennas slightly changes around 5 dBi which is good for the WLAN applications

Enhancing data extraction from localized surface plasmon resonance biosensors

Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR) sensors have attracted substantial interest in various applications due to their plasmonic properties, low cost instrumentation, and small sample requirement. LSPR is a photon-driven oscillation of the conduction electrons in metallic nanostructures. It features a short electromagnetic (EM) decay length, increasing the specificity to the bound analytes and reducing artefacts due to the variations in bulk refractive index (RI). However, the short EM decay length degrades the signal to noise ratio (SNR) of LSPR sensors, thereby reducing the accuracy of the results. To improve the SNR and accuracy of LSPR sensors, this thesis introduces new signal processing methods, including the projection method, the linear maximum likelihood estimation (linear–MLE) and the nonlinear–MLE method. These methods are validated numerically and applied to label free sensing experiments. A numerical study is undertaken in the first part of the thesis to investigate the plasmonic properties of various nanostructures. The cost-effective side-wall lithography method is adopted here to fabricate the nanostructures, yielding reproducible resonance curves with negligible deviations in their resonance wavelengths (2–5 %). The projection method is shown to improve the SNR for nanostructures with broad resonance curves. It provides a direct measurement of the refractive index, and improves the SNR by a factor of 10 when compared to the dip-finding method. Compared to other advanced signal processing methods, the projection method achieves the best combination of SNR and limit of detection. The linear-MLE method is proposed to improve the established linear response model used in self-referenced sensors. Based on streptavidin-biotin binding experiments, the linear-MLE method improves the accuracy and precision by a factor of 4 when compared to the linear response model. This method can serve as a powerful means to distinguish surface binding events from the bulk RI change. Finally, the thesis presents the nonlinear-MLE method. This method employs the MLE technique alongside a nonlinear response model to obtain accurate quantitative results of binding events. Compared to the established linear response model, the nonlinear-MLE method improves the precision of the estimated adlayer and bulk RI change by factors of 5 and 36, respectively.Les capteurs à résonance plasmonique de surface localisée (LSPR) ont suscité un intérêt important pour diverses applications en raison de leurs propriétés plasmoniques, de leur instrumentation à faible coût et de leur besoin minime en volume d'échantillon. Le LSPR est une oscillation par impulsion photonique des électrons de conduction dans les nanostructures métalliques. Il comporte une courte longueur de décroissance électromagnétique, augmentant la spécificité aux analytes liés et réduisant les artefacts en raison des variations de l'indice de réfraction du tampon. Cependant, la courte longueur de décroissance électromagnétique dégrade le ratio du bruit sur le signal (SNR) des capteurs LSPR, réduisant ainsi la précision des résultats. Pour améliorer le SNR et l'exactitude des capteurs LSPR, cette thèse présente de nouvelles méthodes de traitement du signal, comprenant la méthode de projection, la méthode d'estimation linéaire de vraisemblance maximum (linéaire-MLE) et la méthode non-linéaire-MLE. Ces méthodes sont validées numériquement et appliquées aux expériences de détection sans étiquettes. Une étude numérique est entreprise dans la première partie de la thèse pour enquêter les propriétés plasmoniques de diverses nanostructures. La méthode de lithographie à paroi latérale est adoptée ici pour fabriquer les nanostructures, ce qui donne des courbes de résonance reproductibles avec des écarts négligeables dans leurs longueurs d'onde de résonance (de 2 à 5 %). Il est démontré que la méthode de projection offre une mesure directe de l'indice de réfraction, et améliore le SNR d'un facteur de 10 comparé à la méthode de détection de minimum. Par rapport à d'autres méthodes de traitement de signaux avancées, la méthode de projection atteint la meilleure combinaison de SNR et de limite de détection. La méthode linéaire-MLE est proposée pour améliorer le modèle de réponse linéaire utilisé pour les capteurs d'autoréférence. Sur la base des expériences de liaison streptavidine-biotine, la méthode linéaire-MLE améliore l'exactitude et la précision d'un facteur de 4 lorsque comparé au modèle de réponse linéaire. La méthode peut servir d'un moyen puissant pour distinguer les événements de liaison de variations dues à l'indice de réfraction de la solution tampon. Finalement, la thèse présente la méthode non-linéaire-MLE. Cette méthode utilise le technique MLE avec un modèle de réponse non-linéaire pour obtenir des résultats quantitatifs précis des événements de liaison. Par rapport au modèle de réponse linéaire établi, la méthode non-linéaire-MLE améliore la précision des estimations de l'épaisseur de la couche d'adsorbat d'un facteur de 5 et l'indice de réfraction de la solution tampon d'un facteur de 36