Fundamental Bounds on Performance of Periodic Electromagnetic Radiators and Scatterers

Tid: Fr 2020-02-07 kl 13.00

Plats: Kollegiesalen, Brinellvägen 8, Stockholm (English)

Ämnesområde: Elektro- och systemteknik

Respondent: Andrei Ludvig-Osipov , Elektroteknisk teori och konstruktion

Opponent: Professor Christophe Caloz, KU Leuven, Department of Electrical Engineering (ESAT)

Handledare: Professor B. Lars G. Jonsson, Teoretisk elektroteknik, Elektrotekniska system, Elektroteknisk teori och konstruktion

Abstract

Den här avhandlingen undersöker den optimala prestandan av elektromagnetiska periodiska radiatorer och spridare. Huvudinriktningen är utveckling och tillämpning av metoder för att erhålla fundamentala fysikaliska begränsningar, som relaterar geometriska parametrar, bandbredd, verkningsgrad/effektivitet och strålningsegenskaper av periodiska elektromagnetiska strukturer.

Ökande krav på prestanda av trådlösa elektromagnetiska system driver fram miniatyrisering, hög datahastighet och hög tillförlitlighet i robusta elektromagnetiska miljöer. Försök att förbättra alla dessa designegenskaper på en och samma gång möter oundvikliga fysikaliska begränsningar. För antenner är deras bandbredd begränsad av antennens elektriska storlek, och försök att minska storleken resulterar i minskad prestanda. Kunskap om sådana fysikaliska relationer är avgörande för att uppnå hög prestanda: att öka förståelsen för kompromisser mellan olika parametrar, eller att avgöra hur optimal konstruktionen är.

Periodiska strukturer är viktiga komponenter i många trådlösa system. Till exempel gruppantenner, som finns i basstationer för mobiltelefonnätverk, i radioastronomi och i navigationssystem. Ytterligare exempel är funktionella strukturer som används som frekvensselektiva filter och metamaterial.

I denna avhandling presenteras metoder för att erhålla begränsningar av Q-faktorn, en storhet omvänt proportionell mot bandbredden för periodiska strukturer. Först bestäms Q-faktorn i termer av ytströmstätheten i en enhetscell. Sedan bestäms begränsningar genom att minimera Q-faktorn över alla möjliga strömstätheter i en delmängd av en enhetscell, med möjligtvis ytterligare restriktioner (t. ex. resistiva förluster).

I denna avhandling kommer även ett alternativt förhållningssätt för att uppnå fundamentala bandbredds begränsningar att undersökas – summaregler, baserade på att framställa ett fysikaliskt fenomen som ett passivt input-outputsystem. En överföring av en våg genom en periodiskt perforerad metallskärm beskrivs av ett passivt system, och summareglen begränsar bandbredden med enheltscellens statiska polariserbarhet. En sådan begränsning visar sig vara skarp för några simulerade och uppmätta perforerade skärmar.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-266703