Analysis of complex microwave structures using suitable computational electromagnetic techniques [Elektronische Ressource] / von Ayan Kumar Bandyopadhyay

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• Publié par: otto-von-guericke-universitat_magdeburg
• Publié le: 01 janvier 2007
• Nombre de lectures: 8
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 6 Mo

Extrait

Analysis of Complex Microwave Structures Using
Suitable Computational Electromagnetic Techniques
Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktoringenieur (Dr.-Ing.)
von M.Tech. Ayan Kumar Bandyopadhyay
Geb. am 25.11.1976 in Kolkata, Indien
genehmigt durch
die Fakult¨at fu¨r Elektrotechnik und Informationstechnik
der Otto-von-Guericke Universit¨at Magdeburg
Gutachter:
Prof. Dr. A. Omar
Prof. Dr. M. Leone
Dr. R. Wanzenberg
Promotionkolloquium am: 20.12.2007Acknowledgements
This work has been carried out at the Chair of Microwave and Communi-
cation Engineering, Otto-von-Guericke University, Magdeburg. I owe a lot
to my teachers, colleagues and friends for their support, encouragement and
help during my doctoral studies.
At first, I would like to thank my supervisor Prof. A.S. Omar for providing
me the opportunity to work under his supervision. I am truly grateful and
indebted to him for always being supportive and a source of inspiration to-
wards me. Iowe agreatdealtoDr.A.J¨ostingmeier andDr. R. Wanzenberg
for their guidance in carrying out the works related to PETRA III and for
the valuable suggestions and corrections while writing the thesis. Without
their support it would be very difficult for me to finish this work. I am
thankful to Dr. C. Tomassoni and Prof. M. Mongiardo of the University of
Perugia, Italy, for their support and cooperation concerning the GMT re-
lated work. I am also indebted to my colleagues Mr. N. Spiliotis, Mr. M.
Anis, Dr. O. Aly and Dr. T. Meyer for their support and help whenever it
was necessary. My sincere thanks to all other members and colleagues at
the High Frequency and Communications group in the Faculty of Electrical
Engineering fortheir friendly assistance during my entire stay in this group.
I would like to express my sincere gratitude towards all of my friends in
Magdeburg, who have provided me a home away from my home. I would
specially mention Dr. J. Akhtar, Dr. B.V. Mishra and his family, Dr. J.
Gangadwala, Dr. M. Tulapurkar, Mr. N. Spiliotis for their unconditional
and unlimited support during the beginning phase of my stay in a foreign
country. I am also very thankful to Mr. S. Kavuri, Mr. F. Haroon, Dr. A.
Fatima, Dr. K.P. Chary and his family, Dr. S. Ganesan and his family, Dr.
S. Pervez, Ms. R. Raithore, Mr. Y. Gokhale and Dr. S. Baksi for their help
and support. I owe a lot to my sister Mrs. C. Singh and Dr. J. Kumar for
the encouragement and support, especially during the finishing phase of the
thesis work. I am also thankful to others who have helped me during my
stay in Magdeburg whom I might have forgotten to mention unknowingly
and unintentionally.
I am grateful to my friends Mr. S. Mozumdar, Mr. S. Chatterjee, Dr. K.
Chatterjee, Mr. K. Chakraborty, Mr. A. Kumar, Mr. H. Rahman, Mr. A.
Bera and Mrs. R. Shyam for their support and encouragement - in spite of
being at different parts of the globe.I would like to express my thanks and regards to my teachers in India for
their constant support and inspirations. I want to express my gratitude
to Dr. A.K. Sharma of CEERI, India, for his constant encouragement and
support. I am also indebted to Dr. R.S. Raju, Prof. B.N. Biswas, Prof.
B.C. Sarkar, Dr. A. Bose, Dr. D. Mandal and my other beloved teachers for
always encouraging me to pursue doctoral studies.
Iwanttoexpressmyheartygratitudetowardseverymemberofmyextended
family, my friends and well-wishers in India. It would never be possible for
me to pursue doctoral studies in a foreign country without their uncondi-
tional love, support and blessings. Finally, I want to express my deepest
appreciation towards my parents. They have always been a constant source
of inspiration and encouragement to me. Their blessings and love have al-
ways shown me the way out whenever I felt myself entangled in problems.
Hence, I dedicate this dissertation to my beloved parents and my family.
A.K. Bandyopadhyay
Magdeburg, December, 2007.
iiZusammenfassung
Diese Dissertation befasst sich miteinigen Anwendungen von elektromagne-
tischen Feldberechnungen im Mikrowellenbereich. Im Rahmen dieser
Arbeit werden dreidimensionale elektromagnetische Simulationstools zur
Modellierung, Charakterisierung und Analyse von verschiedenen Mikrowel-
lenkomponentenverwendet. ZudiesemZweckwerdenmodernekommerzielle
elektromagnetische Simulationstools basierend auf der Finiten-Integrations-
Technik und nicht kommerzielle Programme basierend auf der Generalized-
Multipole-Technik Mode-Matching-Technik Hybridmethode benutzt. Die
kommerziellen Simulationstools wurden zur Analyse von zwei komplexen
Anwendungsfallen und die nicht kommerziellen Programme zur Charakte-¨
risierung von abstrahlenden Aperturen verwendet. In diesem Zusammen-
hang wurden numerische Methoden, die auf Matrizenzerlegung basieren,
zur Identifizierung von redundanten Multipole vorgestellt. Durch Entfer-
nung der redundanten Multipole kann die Generalized-Multipole-Technik
Mode-Matching-Technik Hybridmethode verbessert werden.
Die erste Anwendung bezieht sich auf PETRA III, eine Synchrotron-
Lichtquelle der dritten Generation. Mehrere Komponenten von PETRA III
(Strahlungsmonitore an zwei Stellen des Strahlrohres sowie ein longitudi-
nales Feedback-Cavity) wurden in Hinblick auf Wakefelder, Impedanzen,
verschiedener Verlust- und Kickparameter detailliert untersucht. Außerdem
wurden fu¨r diese Komponenten Modalanalysen durchgefu¨hrt. Den Einfluss
des sogenannten ‘Nose cones’ auf die Eigenschaften des Feedback-Cavitys
sowie des Auftretens von Trapped-Moden in der Na¨he (des Knopfes) des
Strahlungsmonitors wurden ebenfalls untersucht.
Die zweite Anwendung befasst sich mit der Modellierung und Analyse einer
Ultrabreitband-Antenne fu¨rdieKommunikationimHf-Bereich. ZurBestim-
mung der Parameter, welche die Eigenschaften dieser Antenne wesentlich
beeinflussen, wurde ihre komplexe Form modelliert und analysiert. Unter
Verwendung der Ergebnisse der Analyse ist es moglich, die Antenne fur ver-¨ ¨
schiedene Anwendungszwecke anzupassen. Eine optimierte Version dieser
Antenne wird mit den dazugeh¨origen Messergebnissen pr¨asentiert.
Der dritte Schwerpunkt ist die Charakterisierung abstrahlender Aperturen
unter Verwendung einer Hybridmethode, welche sich aus der Generalized-
Multipole-TechnikundderMode-Matching-Technikzusammensetzt.Einkri-
tisches Problem dieser Methode ist die Verteilung der Multipole entlang derAntenne. Unpassend platzierte Multipolen oder die Verwendung von redun-
danten Multipolen verursachen eine numerische Instabilitat, die wiederum¨
zu ungenauen Ergebnissen fu¨hrt. Zwei Algorithmen zur Bestimmung der
redundanten Multipolen wurden vorgeschlagen und am Beispiel einer Horn-
antenne mit elliptischer Apertur getestet. Diese Algorithmen beruhen auf
zwei bekannte Verfahren zur Zerlegung von Matrizen. Die Effektivita¨t der
beiden Algorithmen wurde uberpruft, indem die tatsachlichen Randbedin-¨ ¨ ¨
gungen mit den berechneten verglichen wurden. Außerdem wurde ein Ver-
gleich der Fernfeldcharakteristik simuliert mit einer kommerziellen Finiten-
Integrations-Technik Software und der vorgestellten Hybridmethode durch-
gefuhrt.¨
ivAbstract
This thesis is concerned with the application of computational electromag-
netics in the area of microwave engineering. Within the framework of this
thesis, three-dimensional computational electromagnetic tools have been
used for the modeling, characterization, and analysis of several microwave
components. State-of-the art commercial electromagnetic simulation tools
based on the finite integration technique and a non-commercial code based
on the generalized multipole technique-mode matching technique hybrid
method have been used for the computations. The commercial simulation
tools have been applied to two real life complex applications, whereas the
non-commercial code has been used for characterization of radiating aper-
tures. In this context, some numerical techniques based on matrix decom-
positions to identify the redundant multipoles have been proposed to im-
prove the generalized multipole technique-mode matching technique hybrid
method.
The first application is concerned with the third generation synchrotron
radiation facility, PETRA III. Several components (the button type beam
positionmonitorsattwosectionsofthebeampipe,thelongitudinalfeedback
cavity) of PETRA III have been extensively analyzed in terms of wakes,
impedances, various loss and kick parameters and modal analysis. The
effect of the ‘nose cones’ on the characteristics of the longitudinal feedback
cavity, occurrence of trapped modes near the beam position monitor button
have also been investigated in this context.
The second application involves the modeling and analysis of an ultra-
wideband antenna formicrowave communication. The complexshapeof the
antenna has been modeled and analyzed to identify the crucial parameters
influencing the antenna characteristics. Based on this analysis and studies
of the antenna, it can be adapted for several applications. An optimized
version of the antenna has been presented along with the corresponding
measurements.
The third application is concerned with the characterization of radiating
apertures usin