Analysis of complex microwave structures using suitable computational electromagnetic techniques

Abstract

Diese Dissertation befasst sich mit einigen Anwendungen von elektromagnetischen Feldberechnungen im Mikrowellenbereich. Im Rahmen dieser Arbeit werden dreidimensionale elektromagnetische Simulationstools zur Modellierung, Charakterisierung und Analyse von verschiedenen Mikrowellenkomponenten verwendet. Zu diesem Zweck werden moderne kommerzielle 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 Anwendungsfaellen und die nicht kommerziellen Programme zur Charakterisierung von abstrahlenden Aperturen verwendet. In diesem Zusammenhang wurden numerische Methoden, die auf Matrizenzerlegung basieren, zur Identifizierung von redundanten Multipole vorgestellt. Durch Entfernung 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 longitudinales Feedback-Cavity) wurden in Hinblick auf Wakefelder, Impedanzen, verschiedener Verlust- und Kickparameter detailliert untersucht. Außerdem wurden fuer diese Komponenten Modalanalysen durchgef¨uhrt. Den Einfluss des sogenannten ‘Nose cones’ auf die Eigenschaften des Feedback-Cavitys sowie des Auftretens von Trapped-Moden in der Naehe (des Knopfes) des Strahlungsmonitors wurden ebenfalls untersucht. Die zweite Anwendung befasst sich mit der Modellierung und Analyse einer Ultrabreitband-Antenne fuer die Kommunikation im Hf-Bereich. Zur Bestimmung der Parameter, welche die Eigenschaften dieser Antenne wesentlich beeinflussen, wurde ihre komplexe Form modelliert und analysiert. Unter Verwendung der Ergebnisse der Analyse ist es moeglich, die Antenne fuer verschiedene Anwendungszwecke anzupassen. Eine optimierte Version dieser Antenne wird mit den dazugehoerigen Messergebnissen praesentiert. Der dritte Schwerpunkt ist die Charakterisierung abstrahlender Aperturen unter Verwendung einer Hybridmethode, welche sich aus der Generalized- Multipole-Technik und derMode-Matching-Technik zusammensetzt. Ein kritisches Problem dieser Methode ist die Verteilung der Multipole entlang der Antenne. Unpassend platzierte Multipolen oder die Verwendung von redundanten Multipolen verursachen eine numerische Instabilitaet, die wiederum zu ungenauen Ergebnissen fuehrt. Zwei Algorithmen zur Bestimmung der redundanten Multipolen wurden vorgeschlagen und am Beispiel einer Hornantenne mit elliptischer Apertur getestet. Diese Algorithmen beruhen auf zwei bekannte Verfahren zur Zerlegung von Matrizen. Die Effektivitaet der beiden Algorithmen wurde ueberprueft, indem die tatsaechlichen Randbedingungen mit den berechneten verglichen wurden. Außerdem wurde ein Vergleich der Fernfeldcharakteristik simuliert mit einer kommerziellen Finiten- Integrations-Technik Software und der vorgestellten Hybridmethode durchgefuehrt.

This thesis is concerned with the application of computational electromagnetics 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 apertures. In this context, some numerical techniques based on matrix decompositions to identify the redundant multipoles have been proposed to improve 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 position monitors at two sections of the beam pipe, the longitudinal feedback 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 ultrawideband antenna for microwave communication. The complex shape of 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 using a hybrid method involving generalized multipole technique and mode matching technique. One of the crucial issues in this method is the multipole distribution along the antenna. Improperly placed multipoles, or presence of redundant multipoles, cause severe numerical instability leading to inaccurate results. Two algorithms to identify the redundant multipoles have been proposed and applied in the case of horn antennas with elliptical apertures. These algorithms are based on two well-known matrix decomposition methods. The effectiveness of both approaches have been validated by comparison of the actual boundary conditions with the computed ones. Additionally, comparisons between the far-field patterns obtained from a commercial finite integration technique software and the proposed hybrid method have also been presented.