Elektromagnetiska ti k beräkningar Projekt 1
Människa och mobil EMB Projekt Metamaterial Fotoniska kretsar MIMO-antenner Spridning i mot antenner Självkomplementära antenner friskt eller rötskadat? FSS tapeter osynlig? Materialsyntes Inhomogen 2
Människa och antenner Strålningen från en antenn påverkas av objekt i dess närhet. Strålningen från en mobiltelefon påverkas av hur vi håller telefonen och hur den är placerad vid huvudet. Den absorberade effekten anges ofta som SAR = specific absorption rate. I den här projektet ska vi studera hur strålningen påverkar av metall föremål i närheten av antennen. 3
Människa och antenner Bestäm strålningen från en enkel mobiltelefon. Hur påverkas strålningen av huvudet, SARvärde? Hur påverkas strålningen av ett par glasögon/hörlurar på huvudet, SAR-värde? 4
Ickeförstörande detektion av röta i träd friskt eller rötskadat? Frekvens, f = 300Hz, Permittivitet, ε = okänd Ldi Ledningsförmåga, σ = okänd H. Butin Tree Dieseases and Disorders 5
Ickeförstörande detektion av röta i träd Hur ska man koppla in elektroder för att kunna detektera röta i levande träd utan att förstöra trädet? modellera dll ett träd positionering av elektroder anisotropi Tree Physiology 24:853-858 (2004) på http://heronpublishing.com/tree/summaries/volume24/a24-853.html 6
Metamaterial Material med udda egenskaper har fått mycket uppmärksamhet de senaste åren, tex #8 av 2003 års största händelser enligt science: http://www.sciencemag.org/cgi/reprint/302/5653/2039.pdf pdf 7
Metamaterial Illustrera några udda fenomen som kan uppstå med negativa ε och μ Hur negativa måste ε och μ vara? Hur stora kan förlusterna (Im{ε}) vara? Vad händer om bara en av ε eller μ är negativ? Använd en lämplig dispersionsrelation, tex Lorentz. Hur varierar resultaten med frekvensen? 8
Spridning mot antenner Antenner används nästan uteslutande för att transformera en elektromagnetisk våg på en ledning till frirymd eller tvärtom. Det är därför naturligt att karakterisera en antenn med dess impedans och strålningsmönster. På senare år har dock kintresset för hur en antenn sprider elektromagnetiska vågor ökat. Spridningen hos antenner är tex viktig inom smygteknologi och antennsystem med många antenner. 9
Spridning mot antenner Designa några antenner, tex dipol, Yagi- Uda.. Bestäm framåtspridningen för antennerna som funktion av frekvensen. Bestäm spridnings och absorptions tvärsnitten hos antennen som funktion av frekvensen, jmf med Andersen+Frandsen2005 10
Självkomplementära gruppantenner Impedansen hos en självkomplementär l antenn är frekvensoberoende och lika med halva frirymdsimpedansen Z 0 /2 189Ω. De är därmed mycket bredbandiga. Tyvärr så är ett jordplan förödande för bredbandigheten. Bandbredden kan återställas med hjälp av dielektriska lag placerade ovanpå antennelementen. t 11
Självkomplementära gruppantenner Verifiera att impedansen hos en självkomplementär gruppantenn är frekvensoberoende. Välj tex en struktur bestående av rektangulära patchar. Hur påverkas impedansen då ett jordplan placeras (en kvarts våglängd) under patcharna. Hur påverkas impedansen av ett/två kvarts våglängd tjocka dielektriska skikt placerade ovanpå antennen. Låt reflektionskoefficienten mellan skikten vara konstant. 12
Små MIMO antenner MIMO (Multiple input multiple output) system har studerats mycket under de senaste åren eftersom de möjliggör en hög informationskapacitet (i bitar/sekund/hz). Även om MIMO systemen ställer höga krav på signalmodulering dl i och hkdi kodning så åär nog design av antenner det svåraste, i varje fall för små handhållna terminaler. 13
Små MIMO antenner Designa en enkel antenn för 2GHz området (strålningsmönster, impedans) Placera två (eller flera) antenner bredvid varandra. Bestäm korrelationen mellan antennerna. Hur påverkar korrelationen av placering och matningsimpedans? 14
Fotoniska kretsar Fotoniska kristaller är den optiska motsvarigheten till halvledarkristaller och de kan användas för att bygga fotoniska integrerade kretsar. Förhoppningsvis möjliggör de användning av höga bandbredder på chip med hög optisk komplexitet. Finns mycket litteratur på www, sök tex efter Photonic bandgap eller electromagnetic bandgap 15
Fotoniska kretsar Designa en fotonisk kristall med ett bandgap gpför rött ljus. Plotta bandstrukturen. Skapa en S-formad vågledare i kristallen och illustrera hur en våg utbreder sig genom kristallen. Hur utbreder sig en våg med högre/lägre g frekvens genom vågledarstrukturen? 16
Materialsyntes Man kan konstruera material med hjälp av andra material, så kallade kompositmaterial. Det nya materialets elektromagnetiska egenskaper (ε, σ, μ) beror på de ursprungliga materialens egenskaper och hform. Ein Eref Inhomogen Ein Etrans Eref Homogen Etrans 17
Materialsyntes Hur ska man kombinera två material med ε 1 och ε 2 (luft och glas) för att åstadkomma en önskad permittivitet ε h? Hur påverkar formen (runda, kvadratiska avlånga) på objekten blandningen? 18
Frekvensselektiva tapeter Frekvensselektiva ytor kan användas för att filtrera elektromagnetiska vågor. En tillämpning är att designa glasrutor som släpper igenom GSM signaler men spärrar Blåtandssignaler, se TEAT- 7110.pdf och TEAT-5068.pdf. 19
Frekvensselektiva tapeter Designa en tapet som spärrar frekvenser kring 5GHz men släpper igenom frekvenser under 2.5GHz. Hur påverkas egenskaperna för olika infallsvinklar? Hur påverkas egenskaperna om tapeten placeras på en vägg? 20
Dölja objekt Cloaking För första gången har forskare lyckats tillverka en helt osynlig detalj. Stor som en större tejprulle, och tillverkad av ett speciellt material, låter den mikrovågor slinka förbi runt sig och fortsätta som om inget funnits där. I praktiken blir rullen helt osynlig för mikrovågorna. Tricket ligger i det material som rullen är gjord av. "Metamaterialet" har negativt brytningsindex som får elektromagnetiska lk ik vågor att brytas på ett sätt som inte är möjligt i naturen. I detta fall har metamaterialet byggts upp av elektriska komponenter, kondensatorer och induktanser, som seriekopplats på ett speciellt sätt. enligt Ny Teknik 061025 21
Dölja objekt Cloaking Välj ett lämpligt objekt och verifiera resultaten. Hur påverkas resultatet av förluster och dispersion? 22
Redovisning 24/11 Diskussion om projekten. Sök efter litteratur. 6/12 Kamratgranskning av rapporten../12 Presentation ca. 10+5 min../12 Skriftlig rapport på 5-6 sidor. Inlämnas både som papperskopior och pdf-fil. 23
Presentation 9/12 alt vecka 51 Muntlig presentation ti i ca. 10min Diskussion i ca. 5min Använd powerpoint eller pdf-filer Innehåll 1. Beskrivning av problemet 2. Diskussion av vald lösningsmetod 3. Resultat 4. Slutsatser totalt ca. 8 bilder 24
Rapport Innehåll 1. Beskrivning av problemet 2. Diskussion av lösningsmetod och alternativa lösningsmetoder. Varför har du använt metoden fördelar/nackdelar. Vilka andra metoder kan användas fördelar/nackdelar. 3. Hur har du löst problemet/använt programmet. 4. Resultat 5. Slutsatser 6. Referenser använd ordbehandlare (LaTeX, MS-Word,..) totalt ca. 5-6 sidor. 25
Litteratur Föreläsningsanteckningar, kursbok, labbhandledningar och D.K. Cheng eller Sadiku Programdokumentation Finns i anslutning till programmen Vetenskaplig litteratur Sök tex på ELIN www.lub.lu.se och google 26
Programvara PB-FDTD Matlab-baserat FDTD-program som kan hantera periodiska randvillkor. Pdfdokumentation i PBFDTD mappen. Comsol Enkelt och FEM-program. Innehåller hjälpfunktion med fullständig dokumentation. Finns på PC och UNIX. www.comsol.com SEMCAD FDTD-program med bra visualisering. www.semcad.com SUPERNEC Trådbaserat MoM-program. Kan laddas ner från www.poynting.co.za 27