A study of terahertz - photonic structures and nano-antennas based on eigen-analysis techniques formulated using finite element method

Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται την ανάπτυξη μιας μεθοδολογίας ιδιοανάλυσης Terahertz (THz)-φωτονικών διατάξεων και νανο-κεραιών, τα οποία αποτελούν ανα- πόσπαστα κομμάτια των ασύρματων τηλεπικοινωνιακών συστημάτων της πέμπτης (5G) ή ανώτερης γενιάς. Η βασική ιδέα πίσω από τη μεθοδολογία αυτή εντοπίζεται στη με- ταφορά της τεχνογνωσίας που έχει αναπτυχθεί για τη μελέτη των μικροκυματικών γε- ωμετριών στη μελέτη THz και φωτονικών διατάξεων. Η αναγκαιότητα μιας αριθμητικής ανάλυσης των αναπτυσσόμενων ηλεκτρομαγνητικών πεδίων στις υπό μελέτη διατάξεις πριν τη διαδικασία κατασκευής τους είναι αδιαμφισβήτητη μιας και δεν υπάρχουν απλοί κανόνες σχεδίασης σε αυτό το υψηλό φάσμα συχνοτήτων. Η διατύπωση της αναπτυχθείσας ιδιοανάλυσης βασίζεται στη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων (FEM), μια στιβαρή και καλά ορισμένη αριθμητική μέθοδο, ικανή να χειρίζεται γεωμετρίες αυθαίρετου σχήματος που δύναται να περιέχουν ανισοτρόπα και ανομοιογενή υλικά. Ο βασικός λόγος που η συγκεκριμένη διατριβή στρέφεται σε τεχνικές ιδιοανάλυσης είναι η αποκάλυψη των φυσική μηχανισμών που κρύβονται πίσω από τις υπό μελέτη διατάξεις. Συνεπώς ο υπολογισμός των χαρακτηριστικών λειτουργίας των διατάξεων, όπως η συχνότητα συντονισμού, ο συντελεστής ποιότητας και η κατανομή των πεδίων-ρευμάτων, παρέχει τις απαραίτητες οδηγίες λειτουργίας τους. Η ανάλυση κατηγοριοποιείται σε δύο μέρη. Το πρώτο κομμάτι περιλαμβάνει την ιδιοανάλυση ανοικτών-ακτινοβολουσών διατάξε- ων που λειτουργούν στο THz-φωτονικό φάσμα συχνοτήτων. Η συγκεκριμένη ανάλυση αναπτύσσεται βασιζόμενη στη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Για τη μελέτη της ακτινοβολίας χρησιμοποιείται μια μεθοδολογία περιορισμού του χώρου επίλυσης. Συγκεκριμένα εισάγεται μια ιδεατή-τεχνητή επιφάνεια που περικλύει την υπό μελέτη γεωμετρία και περιορίζει τον άπειρο χώρο επίλυσης. Η παρούσα ιδεατή επιφάνεια πρέπει να είναι διαφανής σε κάθε προσπίπτον-σκεδανύμενο κύμα. Αυτό επιτυγχάνεται με τη διατύπωση μιας μιγαδικής αντίστασης. Η παρούσα εργασία υιοθετεί τις οριακές συνθήκες απορρόφησης (ABC) για να εκφράσει τη συμπεριφορά αυτή της ιδεατής επιφάνειας. Ωστόσο οι ABC είναι υπεύθυνες για την εμφάνιση ψευδών ρυθμών εξαιτίας των μη-απορροφούμενων προσπιπτόντων υπό γωνία κυμάτων πάνω στην επιφάνεια αυτή. Επιπλέον η μη-πλήρης ικανοποίηση των εξισώσεων του Maxwell αποτελεί μια ακόμη αιτία εμφάνισης μη-φυσικών λύσεων. Για το σκοπό εφαρμόζεται μια τεχνική γνωστή ως tree-cotree για την καταστολή των ψευδών αυτών ρυθμών. Οι σύγχρονες τηλεπικοινωνιακές ζεύξεις απαιτούν συχνότητες λειτουργίας οι οποίες κυμαίνονται σε ένα φάσμα δεκάδων GHz. Για να ανταποκριθούν στις σύγχρονες απαιτήσεις τα επερχόμενα συστήματα οφείλουν να λειτουργούν ευέλικτα, επιδεικνύοντας τη δυνατότητα συντονισμού τους ένα μεγάλο εύρος συχνοτήτων. Σε αυτό το πλαίσιο η παρούσα διατριβή παρουσιάζει μια καινοτόμο προσέγγιση για τη μελέτη του ηλεκτρονικού συντονισμού σε THz και φωτονικές δομές. Το δεύτερο κομμάτι της ανάλυσης είναι αφιερωμένο στη θεωρία των Χαρακτηριστικών Ρυθμών (TCM), μια εξελισσόμενη αριθμητική τεχνική την τελευταία δεκαετία. Τα σύγχρονα συστήματα κεραιών οφείλουν να έχουν μικρό μέθεθος, να είναι συμπαγή, καθώς και να παρουσιάζουν δυνατότητες πολλαπλών δεσμών και πολλαπλών εισόδων-εξόδων επιδεικνύοντας μια απόδοση υπέρ ευρείας ζώνης. Σε αυτό το πλαίσιο η θεωρία χαρακτηριστικών ρυθμών αποτελεί ένα ισχυρό εργαλείο, καθώς προσφέρει μια εναλλα- κτική ηλεκτρομαγνητική ανάλυση διαφόρων διατάξεων (κυρίως των κεραιών), η οποία δεν εξαρτάται από κάποια συγκεκριμένη διέγερση. Η παρούσα διατριβή παρουσία μια καινοτόμα διατύπωση του προβλήματος χαρακτηριστικών ρυθμών βασιζόμενη στη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων απαλλαγμένη από την εξίσωση Green, από την οποία εξαρτάται η κλασική διατύπωση που βασίζεται στη μέθοδο ροπών (ΜοΜ). Το χαρακτη- ριστικό αυτό της μη υποχρεωτικότητας προσδιορισμού της εξίσωσης Green αποτελεί το κύριο πλεονέκτημα της μεθόδου. Αναλυτικότερα, η βασιζόμενη στη MoM ανάλυση των αυθαίρετης διάταξης δομών απαιτεί τον προσδιορισμό της δυαδικής εξίσωσης Green. Όμως οι εμπλεκόμενες δυσκολίες είναι εξαιρετικά μεγάλες, που πρακτικά περιορίζουν την εφαρμοσιμότητα της τεχνικής αυτής. Εναλλακτικά, η MoM χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με τις επιφανειακές ολοκληρωτικές εξισώσεις, όπου το “φόρτωμα” των υλικών “εξαλείφεται” από την “αρχή ισοδυναμίας πεδίου”. Ωστόσο αυτή η προσέγγιση (Poggio-Miller-Chan-Harrington-Wu-Tsai, PMCHWT) γίνεται εξαιρετικά πολύπλοκη και στην πράξη περιορίζεται σε σχετικά απλές ανομοιογένειες. Επιπλέον η συνήθεις ολοκληρωτικές εξισώσεις ηλεκτρικού (EFIE) ή μαγνητικού (MFIE) πεδίου πάσχουν από το γνωστό πρόβλημα “ψευδών εσωτερικών συντονισμών”. Διάφορες προσπάθειες εξάλειψης του θέματος αυτού έχουν πραγματοποιηθεί με χρήση των ολοκληρωτικών εξισώσεων συνδυαζόμενου πεδίου (CFIE), οι οποίες περιλαμβάνουν πιο προχωρημένες προσεγγίσεις, που συνοδεύονται όμως από υπέρμετρη πολυπλοκότητα. Ακόμη δεν είναι ξεκάθαρο αν η ιδιοανάλυση βασιζόμενη στη FEM θα είναι απαλλαγμένη από εσω- τερικούς συντονισμούς, κάτι που αποτελεί ένα από τα προβλήματα που αντιμετωπίζονται εδώ. Οι αναπτυχθείσες τεχνικές ιδιοανάλυσης δοκιμάζονται μέσω της μελέτης διαφόρων αριθμητικών παραδειγμάτων. Αναλυτικότερα, συντονιζόμενοι συντονιστές μικροδακτυλίου, νανο-κεραίες που λειτουργούν στις THz και οπτικές συχνότητες και διάφορες διηλεκτρικές, μεταλλικές ή συνδυασμός αυτών νανο-τοπολογίες ερευνώνται διεξοδικά.

Measurement Report: Strong Valley Wind Events during the International Collaborative Experiment – PyeongChang 2018 Olympic and Paralympic Winter Games Project

Strong gusty wind events were responsible for some of the poor performances of competitors and resulted in schedule changes during the PyeongChang 2018 Olympic and Paralympic Winter Games. Three events at two venues were investigated to document and articulate the wind forecasting and nowcasting challenges. Upper air analysis showed that the Games were dominated by northwesterly synoptic flow. Froude and Reynolds number analyses indicated that vortex shedding or wake turbulence were the dominant mechanisms in the lee of the mountains where the free-style competitions were conducted. Three types of wind data (10 and 1 min averages plus 1 minute maximums) from automatic weather stations that were reported every minute were analyzed using advanced techniques (Hovmueller, wavelet and eigen analysis frequency estimation). For the two days of Event 1, the conditions were well mixed throughout the day and night. For the other events, diurnal variations were observed with a stable atmosphere at night, well mixed in the afternoon and with 2–4 hour transition periods in the morning and evenings. Turbulence was best portrayed using wavelet analysis and vortex shedding was best portrayed using the eigen analysis frequency estimation method. The latter revealed dominant frequencies, presumably associated with vortex shedding with periodicities of 20 to 90 minutes. Nowcast implications are discussed.

An Intelligent In-Shoe System for Real-Time Gait Monitoring and Analysis

The deterioration of gait can be used as a biomarker for ageing and neurological diseases. Continuous gait monitoring and analysis are essential for early deficit detection and personalized rehabilitation. The use of mobile and wearable inertial sensor systems for gait monitoring and analysis have been well explored with promising results in the literature. However, most of these studies focus on the technologies for gait characteristic assessment, few of them have considered the data acquisition bandwidth of the sensing system. Inadequate sampling frequency will sacrifice signal fidelity, thus leading to an inaccurate estimation especially for spatial gait parameters. In this work, we developed an inertial sensor based in-shoe gait analysis system for real-time gait monitoring and investigated the optimal sampling frequency to capture all the information on walking patterns. An exploratory validation study was performed using an optical motion capture system on four healthy adult subjects, where each person underwent five walking sessions, giving a total of 20 sessions. Percentage mean absolute errors (MAE%) obtained in stride time, stride length, stride velocity, and cadence while walking were 1.19%, 1.68%, 2.08%, and 1.23%, respectively. In addition, an eigen-analysis based graphical descriptor from raw gait cycle signals was proposed as a new gait metric that can be quantified by principal component analysis to differentiate gait patterns, which has great potential to be used as a powerful analytical tool for gait disorder diagnostics.

Influence of Inverter Controller Parameters on the Small-signal Stability of LCC-HVDC System Based on a Practical Project

Unreasonable control parameters of the Line Commutated Converter based High Voltage Direct Current (LCC-HVDC) system may induce small-signal instability. This paper studies the impact of inverter controller parameters on steady response of the LCC-HVDC system under weak AC grid condition. Firstly, according to a practical project, the small-signal model of LCC-HVDC system is established based on the switching function. Then, the eigen-analysis method is adopted to study the impact of the controller parameters on the inverter side on the oscillation mode and damping characteristics of the LCC system, and the correctness of results is verified by PSCAD/EMTDC simulation. The conclusion shows that reasonable controller parameters can improve the stability margin of the system.

VARIABILITY OF FATTY ACID PROFILES, OXIDATIVE STABILITY AND NUTRITIVE QUALITY OF OIL IN SELECTED SOYBEAN GENOTYPES

The purpose of this study (2010‒12) was to investigate the fatty acid profiles (palmitic – PA, stearic – SA, oleic – OA, linoleic – LA, linolenic – LNA, saturated fatty acids – SFA, monounsaturated fatty acids – MUFA, polyunsaturated fatty acids – PUFA), oxidative stability (MUFA/PUFA, OA/LA), and nutritive quality (LA/LNA) of oil produced by 13 early soybean genotypes created at the Agricultural Institute Osijek, Croatia. The analysis of variance determined significant effect of genotype (G), year (Y), and GxY interaction on all examined traits. The correlation analysis indicated the most important positive correlation existed between the SA and OA, SA and LNA, and LA and LNA, and the most important negative relationship between OA and LA, and OA and LNA. The principal component analysis yielded four significant principal components (PCs) with the eigenvalues > 1, which together accounted for 57.84% of the total variability in the data set. The Eigen analysis of the correlation matrix loadings indicated MUFA/PUFA, MUFA, OA/LA, and OA mostly contribute to the PC1 axis and are in a positive correlation with it, while PUFA, LA, and LNA mostly contribute to a negative direction. These results will facilitate the planning of future breeding programs, aimed at adjusting the fatty acid profiles according to the needs of the processing industry and end consumers.