Improving Radiation Efficiency Using Characteristic Mode Analysis

Abstract

In this thesis, the challenges and opportunities of the characteristic mode analysis of combined metallic and lossy dielectric structures are analyzed. The thesis concentrates on losses and radiation efficiency: it analyzes the effect of losses from the theoretical point of view and identifies the opportunities to improve the radiation efficiency of antennas based on the modal analysis. In addition, the thesis introduces the radiation modes for lossy dielectric material and briefly discusses their possible applications.

Theoretical properties of the characteristic modes (CMs) for lossy structures are investigated from the mathematical and numerical points of view. The mathematical analysis shows that the orthogonality with respect to operators of the eigenvalue equation cannot be assumed, and the numerical experiments confirm this observation. Furthermore, it is shown that neither far-field orthogonality is valid in the lossy case.

In addition, the feasibility of the theory for designing antennas is investigated. It is shown that the modal analysis cannot always identify the most efficient modes from the antenna structure point of view. Therefore, a new method for estimating the radiation efficiency of modes is developed. The characteristic mode analysis is then applied on a smartwatch on the human wrist, and the radiation efficiency of modes is analyzed with the developed method.

The characteristic mode analysis is shown to provide beneficial information from the radiation efficiency point of view. However, the non-orthogonality of the modes hinders the exploitation of this design method. Nevertheless, the theory applies to studying electrically small radiators with small losses.

Tässä diplomityössä analysoidaan ominaismoodianalyysin (engl. characteristic mode analysis) soveltuvuutta häviölliselle dielektriselle materiaalille. Työssä keskitytään siihen, miten häviöt vaikuttavat ominaismooditeoriaan ja moodien ominaisuuksiin, ja kuinka moodianalyysiä voidaan hyödyntää antennien säteilyhyötysuhteen parantamisessa. Lisäksi työssä esitellään säteilymoodit häviölliselle dielektriselle materiaalille.

Teorian ominaisuuksia analysoidaan matemaattisesti ja numeerisesti. Analyysi osoittaa, ettei häviöllisen dielektrisen kappaleen ominaisvirtojen ortogonaalisuutta voida olettaa ominaisarvoyhtälön operaattorien suhteen. Numeeristen kokeiden perusteella myöskään kaukokentät eivät ole tässä tapauksessa ortogonaalisia.

Vaikka ominaisvirtojen ortogonaalisuus osoitetaan puutteelliseksi, ominaismoodianalyysia voidaan soveltaa myös häviöllisille rakenteille tietyin reunaehdoin. Diplomityössä tutkitaan, kuinka antennirakenteen häviöitä voidaan arvioida, ja kuinka antennirakenteen säteilyhyötysuhdetta voidaan parantaa ominaismoodien avulla. Moodien tulkinta säteilyhyötysuhteen kannalta osoittautuu vaikeaksi, minkä vuoksi työssä esitetään uusi menetelmä säteilyhyötysuhteen analysoimiseksi metallisen antennirakenteen näkökulmasta. Menetelmää sovelletaan ihmisranteessa olevan älykellon antennirakenteen analyysiin.

Työ osoittaa, että ominaismoodianalyysi antaa hyödyllistä tietoa häviöllisestä antennirakenteesta myös säteilyhyötysuhteen osalta, jos analysoitava rakenne on sähköisesti pieni ja melko vähähäviöinen. Toisaalta häviöllisen materiaalin moodien epäortogonaalisuus hankaloittaa moodien hyödyntämistä ja tulkintaa.