Integral Identities for Passive Systems and Spherical Waves in Scattering and Antenna Problems
Författare
Summary, in Swedish
Popular Abstract in Swedish
I avhandlingen presenteras nya teoretiska och experimentella metoder för att analysera spridning av elektromagnetiska vågor, framförallt med fokus på antenner och trådlös kommunikation. Oavsett det handlar om radio- och TV-sändningar, mobiltelefoni, trådlösa datornätverk, eller radar, så är antenner oumbärliga; de är nämligen länken mellan de elektromagnetiska vågorna och elektroniken i apparaterna. En antenningenjör måste uppfylla många krav samtidigt, och till sin hjälp har hon både mätutrustning och beräkningsprogramvara. Icke desto mindre så kan förståelse och intuition baserat på grundläggande fysik också vara till nytta, men på grund av antenners många varierande skepnader och användningsområden kan det vara svårt att dra generella teoretiska slutsatser. Ett sätt att ändå göra detta är genom att härleda så kallade fysikaliska begränsningar, som beskriver vad som går, och vad som inte går, att uppnå. Begränsningarna kan ge en förståelse för vilka faktorer som begränsar prestanda, och även antyda om det finns möjligheter till förbättring eller inte. De senaste åren har mycket forskning tillägnats fysikaliska begränsningar inom antennteori, och mer allmänt inom teori för spridning av elektromagnetiska vågor.
Precis som vågrörelsen på en gitarrsträng kan delas upp i grundton och övertoner, så kan också elektromagnetiska vågor delas upp i mindre beståndsdelar, så kallade sfäriska vågor. I avhandlingen härleds fysikaliska begränsningar för hur olika objekt kan interagera med dessa sfäriska vågor. Resultaten är att bara en begränsad mängd effekt kan absorberas från en sfärisk våg över ett frekvensband, och hur mycket som kan absorberas beror på objektets storlek, form och materialegenskaper. Detta ger begränsningar även på antennprestanda, eftersom man vill att en mottagande antenn ska kunna absorbera effekt över ett brett frekvensband. På motsvarande sätt finns också begränsningar för sändande antenner. Det bör dock nämnas att resultaten inte är begränsade till antenner, utan gäller för helt allmänna objekt. Ett intressant exempel, som också tas upp i avhandlingen, är ljusabsorberande nanopartiklar.
En anledning till att sfäriska vågor studeras är att de används flitigt inom antenn-teori, till exempel för att modellera multipelantennsystem (eller MIMO-system, från engelskans multiple-input multiple-output). Multipelantennsystem har börjat användas mer och mer på senare tid för att öka prestandan i trådlösa system och tillfredsställa den ökande efterfrågan på höga överföringshastigheter. Sfäriska vågor är också mycket viktiga i bearbetning och tolkning av data från antennmätningar. Däremot har de aldrig tidigare använts för att tolka data från mätningar av trådlösa kanaler (allt det som finns emellan sändar- och mottagarantennerna). Att göra det kan ge en beskrivning av kanaler som passar beskrivningen av antennerna. En sådan mätmetod presenteras i den här avhandlingen; mätningar har genomförts och data analyserats, och en slutsats som dras är att det är bättre att placera mätpunkterna i en volym än på en yta för att effekterna av mätbrus ska minimeras.
I avhandlingen presenteras också en allmän metod att härleda fysikaliska begränsningar. Många tidigare härledningar vilar på alltför specifika, och ibland ogrundade, antaganden. Det antagande som används här är endast att processen man beskriver är passiv, det vill säga att energi inte produceras. Så är fallet för många fysikaliska processer, till exempel för traditionella antenner. Metamaterial är ett samlingsnamn för konstgjorda material som har extraordinära elektriska egenskaper, och här har metoden med fysikaliska begränsningar använts för att utreda vad som är teoretiskt möjligt och inte. I avhandlingen ges också fler exempel på hur metoden används inom elektroteknik, men även processer inom andra fysik- och teknikområden kan analyseras på samma vis. Kärnan i metoden är en samling integralidentiteter för Herglotzfunktioner, en funktionsklass som är intimt förknippad med passiva processer. Alla nödvändiga matematiska bevis presenteras i avhandlingen, vilket ställer metoden på en stabil grund.
I avhandlingen presenteras nya teoretiska och experimentella metoder för att analysera spridning av elektromagnetiska vågor, framförallt med fokus på antenner och trådlös kommunikation. Oavsett det handlar om radio- och TV-sändningar, mobiltelefoni, trådlösa datornätverk, eller radar, så är antenner oumbärliga; de är nämligen länken mellan de elektromagnetiska vågorna och elektroniken i apparaterna. En antenningenjör måste uppfylla många krav samtidigt, och till sin hjälp har hon både mätutrustning och beräkningsprogramvara. Icke desto mindre så kan förståelse och intuition baserat på grundläggande fysik också vara till nytta, men på grund av antenners många varierande skepnader och användningsområden kan det vara svårt att dra generella teoretiska slutsatser. Ett sätt att ändå göra detta är genom att härleda så kallade fysikaliska begränsningar, som beskriver vad som går, och vad som inte går, att uppnå. Begränsningarna kan ge en förståelse för vilka faktorer som begränsar prestanda, och även antyda om det finns möjligheter till förbättring eller inte. De senaste åren har mycket forskning tillägnats fysikaliska begränsningar inom antennteori, och mer allmänt inom teori för spridning av elektromagnetiska vågor.
Precis som vågrörelsen på en gitarrsträng kan delas upp i grundton och övertoner, så kan också elektromagnetiska vågor delas upp i mindre beståndsdelar, så kallade sfäriska vågor. I avhandlingen härleds fysikaliska begränsningar för hur olika objekt kan interagera med dessa sfäriska vågor. Resultaten är att bara en begränsad mängd effekt kan absorberas från en sfärisk våg över ett frekvensband, och hur mycket som kan absorberas beror på objektets storlek, form och materialegenskaper. Detta ger begränsningar även på antennprestanda, eftersom man vill att en mottagande antenn ska kunna absorbera effekt över ett brett frekvensband. På motsvarande sätt finns också begränsningar för sändande antenner. Det bör dock nämnas att resultaten inte är begränsade till antenner, utan gäller för helt allmänna objekt. Ett intressant exempel, som också tas upp i avhandlingen, är ljusabsorberande nanopartiklar.
En anledning till att sfäriska vågor studeras är att de används flitigt inom antenn-teori, till exempel för att modellera multipelantennsystem (eller MIMO-system, från engelskans multiple-input multiple-output). Multipelantennsystem har börjat användas mer och mer på senare tid för att öka prestandan i trådlösa system och tillfredsställa den ökande efterfrågan på höga överföringshastigheter. Sfäriska vågor är också mycket viktiga i bearbetning och tolkning av data från antennmätningar. Däremot har de aldrig tidigare använts för att tolka data från mätningar av trådlösa kanaler (allt det som finns emellan sändar- och mottagarantennerna). Att göra det kan ge en beskrivning av kanaler som passar beskrivningen av antennerna. En sådan mätmetod presenteras i den här avhandlingen; mätningar har genomförts och data analyserats, och en slutsats som dras är att det är bättre att placera mätpunkterna i en volym än på en yta för att effekterna av mätbrus ska minimeras.
I avhandlingen presenteras också en allmän metod att härleda fysikaliska begränsningar. Många tidigare härledningar vilar på alltför specifika, och ibland ogrundade, antaganden. Det antagande som används här är endast att processen man beskriver är passiv, det vill säga att energi inte produceras. Så är fallet för många fysikaliska processer, till exempel för traditionella antenner. Metamaterial är ett samlingsnamn för konstgjorda material som har extraordinära elektriska egenskaper, och här har metoden med fysikaliska begränsningar använts för att utreda vad som är teoretiskt möjligt och inte. I avhandlingen ges också fler exempel på hur metoden används inom elektroteknik, men även processer inom andra fysik- och teknikområden kan analyseras på samma vis. Kärnan i metoden är en samling integralidentiteter för Herglotzfunktioner, en funktionsklass som är intimt förknippad med passiva processer. Alla nödvändiga matematiska bevis presenteras i avhandlingen, vilket ställer metoden på en stabil grund.
Publiceringsår
2012
Språk
Engelska
Publikation/Tidskrift/Serie
Series of licentiate and doctoral theses
Volym
40
Fulltext
Dokumenttyp
Doktorsavhandling
Förlag
Department of Electrical and Information Technology, Lund University
Ämne
- Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering
Nyckelord
- dispersion relations
- sum rules
- physical limitations
- Herglotz functions
- electromagnetic scattering
- antenna theory
- spherical wave expansions
- antenna measurements
- propagation channel measurements
Status
Published
Projekt
- EIT_HSWC:Antenna MIMO antennas and channels
Forskningsgrupp
- Electromagnetic theory
Handledare
ISBN/ISSN/Övrigt
- ISSN: 1654-790X
- ISBN: 978-91-7473-302-0
Försvarsdatum
23 maj 2012
Försvarstid
10:15
Försvarsplats
Lecture hall E:1406, E-building, John Ericssons väg 4, Lund University Faculty of Engineering
Opponent
- Johannes Skaar (Professor)