Mikrovågskomponenter designade från scratch med hjälp av datorsimuleringar

När man utformar mikrovågskomponenter, till exempel antenner för mobil kommunikation och vågledare för radarutrustning, har man i decennier främst litat till professionella konstruktörers påhittighet.Datorsimuleringar brukar bara göras i ett sista skede för att finjustera detaljer i utformningen. I sin avhandling i datavetenskap vid Umeå universitet utmanar Emadeldeen Hassan denna traditionella konstruktionsmetod.

– När datorer används på rätt sätt också i den tidiga designfasen kan vi inte bara förkorta processer som tagit tiotals år till några få timmar, säger Emadeldeen Hassan. Vi kan också få fram nya, revolutionerande utformningar med enastående prestanda.

Den klassiska konstruktionsprocessen utgår från en konceptuell idé om hur komponenten skulle kunna fungera. Prestandaförbättringar åstadkoms sedan via modifieringar av detaljer i utformningen, där numera datorsimuleringar och optimeringsalgoritmer ofta används. Ett exempel är den så kallade Vivaldiantennen, introducerad av Peter Gibson 1979. Denna antenn kan med hög känslighet fånga upp svaga signaler och har därför ofta använts i vissa medicinska tillämpningar, till exempel i försök att använda mikrovågor för tidig upptäckt av bröstcancer.

– Man har jobbat utifrån Vivaldiantennens grundkoncept och justerat det på olika sätt de senaste 36 åren, men frågan är om det är rimligt att ägna så mycket tid åt en enstaka konceptuell idé, säger Emadeldeen Hassan.

Den fråga han undersökt i sitt avhandlingsarbete är: Vad händer om man startar med ett “blankt papper”, utan att påverkas av ett initialt designkoncept? Kan en datoralgoritm automatiskt generera konstruktioner som liknar dem människor tänkt ut? Kan vi till och med få fram komponenter med ännu bättre prestanda?

– Svaret är ja på båda dessa frågor, menar Emadeldeen Hassan.

I sin avhandling har han utforskat en mångfald olika verktyg – precisa numeriska algoritmer för simulering och optimering som implementerats i kraftfulla beräkningssystem – och integrerat dessa för att möjliggöra effektiv design ”från scratch” av mikrovågskomponenter. Metoden har sedan bland annat använts för att designa en antenn som är känslig för identifikation av objekt i närområdet.

– Efter bara några timmars beräkningar fick algoritmen fram många gynnsamma konstruktioner, bland annat en antenn som liknar den klassiska Vivaldiantennen, säger Emadeldeen Hassan. Men det var inte den antennen som fungerade bäst, utan en helt ny typ av mycket mer känsliga antenner som genererats av algoritmen.

Metoden användes i forskningsprojektet också för att utforma en nyckelbeståndsdel i radarsystem: matchande överföringar mellan komponenter i mikrovågskretsar. En väl utformad överföring ger ett energieffektivt system och minskar risken för överhettning. Mätningar av prestanda i prototyper av komponenter som konstruerats med hjälp av metoden bekräftade deras höga prestanda.

Emadeldeen Hassan har genomfört sina doktorandstudier vid UMIT Research Lab och Institutionen för datavetenskap vid Umeå universitet. Han har sedan tidigare en kandidatexamen och masterexamen i Elektroteknik från Menoufia University, Egypten.

Avhandlingen är publicerad digitalt

Om disputationen:

Tisdagen den 26 maj försvarar Emadeldeen Hassan, Institutionen för datavetenskap, Umeå universitet, sin avhandling med titeln: Topologioptimering av antenner och vågledarövergångar, (engelsk titel: Topology Optimization of Antennas and Waveguide Transitions). Fakultetsopponent är professor Mats Gustafsson, Institutionen för elektronik och informationsteknologi, Lunds universitet.

Disputationen äger rum kl. 10.15 i sal N450, Naturvetarhuset, Umeå universitet.

För mer information om avhandlingen, kontakta gärna:

Emadeldeen Hassan, Institutionen för datavetenskap, Umeå universitet
Telefon: 076-585 25 03
E-post: emad@cs.umu.se

Porträttfoto för nedladdning

Högupplöst foto antenn