Advanced

Integral Identities for Passive Systems and Spherical Waves in Scattering and Antenna Problems

Bernland, Anders LU (2012) In Series of licentiate and doctoral theses 40.
Abstract (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... (More)
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. (Less)
Abstract
Sum rules and physical limitations within electromagnetic theory and antenna theory have received significant attention in the last few years. However, the derivations are often relying on application specific and sometimes unsupported assumptions, and therefore a mathematically rigorous and generally applicable approach seems timely. Such an approach is presented in this thesis, along with examples and all the necessary proofs. The approach is also applied in the thesis to derive sum rules and physical limitations on electromagnetic spherical wave scattering. This has not been done before, despite the widespread use of spherical wave decompositions. For example, spherical waves and the antenna scattering matrix provide a complete and... (More)
Sum rules and physical limitations within electromagnetic theory and antenna theory have received significant attention in the last few years. However, the derivations are often relying on application specific and sometimes unsupported assumptions, and therefore a mathematically rigorous and generally applicable approach seems timely. Such an approach is presented in this thesis, along with examples and all the necessary proofs. The approach is also applied in the thesis to derive sum rules and physical limitations on electromagnetic spherical wave scattering. This has not been done before, despite the widespread use of spherical wave decompositions. For example, spherical waves and the antenna scattering matrix provide a complete and compact description of all the important properties of an antenna, are crucial parts in spherical near-field antenna measurements, and have been used recently to model antenna-channel interaction and multiple-input multiple-output (MIMO) communication systems. This thesis is also the first to present a method to estimate spherical wave coefficients from propagation channel measurements.



The results of this thesis can roughly be divided into three categories: Firstly, a general approach to derive sum rules and physical limitations on input-output systems based on the assumptions of causality and passivity is presented (Paper I). Secondly, sum rules and physical limitations on the scattering and matching of electromagnetic spherical waves are derived, and the implications for antennas are explored (Papers II-IV). Thirdly, a method to estimate spherical wave coefficients from channel measurements, and the results of a measurement campaign, are presented and analysed (Paper V).



The thesis consists of a General Introduction and five appended papers. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Professor Skaar, Johannes, Norwegian University of Science and Technology (NTNU), Trondheim, Norway
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
dispersion relations, sum rules, physical limitations, Herglotz functions, electromagnetic scattering, antenna theory, spherical wave expansions, antenna measurements, propagation channel measurements
in
Series of licentiate and doctoral theses
volume
40
pages
204 pages
publisher
Department of Electrical and Information Technology, Lund University
defense location
Lecture hall E:1406, E-building, John Ericssons väg 4, Lund University Faculty of Engineering
defense date
2012-05-23 10:15
ISSN
1654-790X
ISBN
978-91-7473-302-0
project
EIT_HSWC:Antenna MIMO antennas and channels
language
English
LU publication?
yes
id
f92b7e67-b8d0-4a52-ab22-a6ff73451ebb (old id 2441627)
date added to LUP
2012-04-26 10:45:34
date last changed
2016-09-19 08:44:50
@phdthesis{f92b7e67-b8d0-4a52-ab22-a6ff73451ebb,
  abstract     = {Sum rules and physical limitations within electromagnetic theory and antenna theory have received significant attention in the last few years. However, the derivations are often relying on application specific and sometimes unsupported assumptions, and therefore a mathematically rigorous and generally applicable approach seems timely. Such an approach is presented in this thesis, along with examples and all the necessary proofs. The approach is also applied in the thesis to derive sum rules and physical limitations on electromagnetic spherical wave scattering. This has not been done before, despite the widespread use of spherical wave decompositions. For example, spherical waves and the antenna scattering matrix provide a complete and compact description of all the important properties of an antenna, are crucial parts in spherical near-field antenna measurements, and have been used recently to model antenna-channel interaction and multiple-input multiple-output (MIMO) communication systems. This thesis is also the first to present a method to estimate spherical wave coefficients from propagation channel measurements.<br/><br>
<br/><br>
The results of this thesis can roughly be divided into three categories: Firstly, a general approach to derive sum rules and physical limitations on input-output systems based on the assumptions of causality and passivity is presented (Paper I). Secondly, sum rules and physical limitations on the scattering and matching of electromagnetic spherical waves are derived, and the implications for antennas are explored (Papers II-IV). Thirdly, a method to estimate spherical wave coefficients from channel measurements, and the results of a measurement campaign, are presented and analysed (Paper V). <br/><br>
<br/><br>
The thesis consists of a General Introduction and five appended papers.},
  author       = {Bernland, Anders},
  isbn         = {978-91-7473-302-0},
  issn         = {1654-790X},
  keyword      = {dispersion relations,sum rules,physical limitations,Herglotz functions,electromagnetic scattering,antenna theory,spherical wave expansions,antenna measurements,propagation channel measurements},
  language     = {eng},
  pages        = {204},
  publisher    = {Department of Electrical and Information Technology, Lund University},
  school       = {Lund University},
  series       = {Series of licentiate and doctoral theses},
  title        = {Integral Identities for Passive Systems and Spherical Waves in Scattering and Antenna Problems},
  volume       = {40},
  year         = {2012},
}