Integral equation methods for extreme-parameter materials and novel boundary conditions

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorYlä-Oijala, Pasi, Doctor
dc.contributor.authorMarkkanen, Johannes
dc.contributor.departmentRadiotieteen ja -tekniikan laitosfi
dc.contributor.departmentDepartment of Radio Science and Engineeringen
dc.contributor.labElectromagneticsen
dc.contributor.labSähkömagnetiikkafi
dc.contributor.schoolSähkötekniikan korkeakoulufi
dc.contributor.schoolSchool of Electrical Engineeringen
dc.contributor.supervisorSihvola, Ari, Professor
dc.date.accessioned2013-07-24T09:00:13Z
dc.date.available2013-07-24T09:00:13Z
dc.date.dateaccepted2013-05-16
dc.date.defence2013-08-08
dc.date.issued2013
dc.description.abstractThis thesis aims to develop accurate and efficient numerical methods for modeling electromagnetic properties of materials with extreme parameters and nonconventional boundary conditions. Materials with the permittivity and permeability dyadics being strongly inhomogeneous or anisotropic or having parameters near zero or infinity are considered as extreme materials. Nonconventional boundary conditions investigated in this thesis are called DB and D'B' boundary conditions, which require the vanishing of the normal components of the fluxes (DB) or their normal derivatives (D'B'). This thesis consists of three main topics. In the first part, a surface integral equation-based solution for electromagnetic wave scattering by objects with the DB boundary condition is developed. The integral equations are solved by the method of moments. The DB boundary condition is enforced by restricting the freedom of the unknown surface current densities. The developed method is then used for analyzing electromagnetic scattering by the ideal DB objects. The second part examines properties of different volume integral equation formulations and their discretizations. The accuracy and stability of these formulations are analyzed when the material parameters are complicated or pushed to the extreme limits. It is shown that the formulation with the equivalent volume currents as unknowns is more stable than the conventional ones when the material parameters are extremely anisotropic. The third part focuses on material approximations of the DB and D'B' boundary conditions in terms of an interface against some extreme-parameter material. Scattering properties of these approximations are investigated by using the volume integral equation method developed in the second part.en
dc.description.abstractVäitöskirjan tavoitteena on kehittää tarkkoja ja tehokkaita numeerisia menetelmiä mallintamaan materiaalien sähkömagneettisia ominaisuuksia. Työssä tutkitaan materiaaleja, joiden sähkömagneettista vastetta kuvaavat parametrit permittiivisyys ja permeabiilisuus voivat olla voimakkaasti riippuvaisia kentän suunnasta tai saada äärimmäisiä arvoja. Lisäksi työssä tutkitaan erikoisia niin sanottuja DB ja D'B' reunaehtoja, jotka rajoittavat kenttien normaalikomponenttien tai niiden normaali derivaattojen käyttäytymistä. Väitöskirja voidaan karkeasti jakaa kolmeen osaan. Ensimmäisessä osassa kehitetään pintaintegraaliyhtälöihin perustuvia laskennallisia menetelmiä sähkömagneettisten sirontaongelmien ratkaisemiseksi kappaleista, joiden pinnalla DB reunaehto on voimassa. Menetelmässä DB reunaehto pakotetaan voimaan rajoittamalla tuntemattomien pintavirtatiheyksien käyttäytymistä kappaleen pinnalla. Lisäksi tutkitaan DB kappaleiden sähkömagneettisia sirontaominaisuuksia. Toisessa osassa tarkastellaan tilavuusintegraaliyhtälömenetelmien ominaisuuksia. Erityisesti perehdytään diskretoitujen yhtälöiden tarkkuuteen ja stabiilisuuteen kun materiaaliparametrit lähestyvät äärimmäisiä arvoja. Työssä näytetään että tilavuusvirtoihin perustuva formulaatio käyttäytyy paremmin kuin tavanomaiset formulaatiot kun materiaaliparametrit ovat voimakkaasti epäsotrooppisia. Lopuksi väitöskirja käsittelee DB ja D'B' reunaehtojen realisointia sähkömagneettisten materiaaliparametrien avulla. Realisaatiot vaativat voimakkaasti epäisotrooppisia materiaaleja, joiden laskennalliseen mallintamiseen käytetään toisessa osassa kehitettyä menetelmää.fi
dc.format.extent118
dc.format.mimetypeapplication/pdf
dc.identifier.isbn978-952-60-5243-4 (electronic)
dc.identifier.isbn978-952-60-5242-7 (printed)
dc.identifier.issn1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/10782
dc.identifier.urnURN:ISBN:978-952-60-5243-4
dc.language.isoenen
dc.opnYilmaz, Ali E., Professor, The University of Texas at Austin, USA
dc.publisherAalto Universityen
dc.publisherAalto-yliopistofi
dc.relation.haspart[Publication 1]: J. Markkanen, P. Ylä-Oijala, and A. Sihvola. Computation of scattering by DB objects with surface integral equation method. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 59, no. 1, pp. 154-161, January 2011.
dc.relation.haspart[Publication 2]: J. Markkanen, P. Ylä-Oijala, and A. Sihvola. Surface integral equation method for scattering by DB objects with sharp wedges. ACES Journal, vol. 26, no. 5, pp. 367-374, May 2011.
dc.relation.haspart[Publication 3]: J. Markkanen, C-C. Lu, X. Cao, and P. Ylä-Oijala. Analysis of volume integral equation formulations for scattering by high-contrast penetrable objects. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 60, no. 5, pp. 2367-2374, May 2012.
dc.relation.haspart[Publication 4]: J. Markkanen, P. Ylä-Oijala, and A. Sihvola. Discretization of volume integral equation formulations for extremely anisotropic materials. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 60, no. 11, pp. 5195-5202, November 2012.
dc.relation.haspart[Publication 5]: I. V. Lindell, J. Markkanen, A. Sihvola, and P. Ylä-Oijala. Realization of spherical D'B' boundary by a layer of wave-guiding medium. Metamaterials, vol. 5, no. 4, pp. 149-154, December 2011.
dc.relation.haspart[Publication 6]: S. Järvenpää, J. Markkanen, and P. Ylä-Oijala. Broadband multilevel fast multipole algorithm for electric-magnetic current volume integral equation. Accepted for publication in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, May 2013.
dc.relation.ispartofseriesAalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONSen
dc.relation.ispartofseries109/2013
dc.revAndriulli, Francesco, Professor, Telecom Bretagne, France
dc.revMaci, Stefano, Professor, University of Siena, Italy
dc.subject.keywordintegral equation methodsen
dc.subject.keywordmethod of momentsen
dc.subject.keywordDB boundary conditionen
dc.subject.keywordD'B' boundary conditionen
dc.subject.keywordanisotropyen
dc.subject.keywordextreme materialsen
dc.subject.keywordintegraaliyhtälömenetelmätfi
dc.subject.keywordmomenttimenetelmäfi
dc.subject.keywordDB reunaehtofi
dc.subject.keywordD'B' reunaehtofi
dc.subject.keywordanisotropiafi
dc.subject.keywordäärimmäiset materiaalitfi
dc.subject.otherElectrical engineeringen
dc.titleIntegral equation methods for extreme-parameter materials and novel boundary conditionsen
dc.titleIntegraaliyhtälömenetelmät äärimmäisille materiaaleille ja uusille reunaehdoillefi
dc.typeG5 Artikkeliväitöskirjafi
dc.type.dcmitypetexten
dc.type.ontasotDoctoral dissertation (article-based)en
dc.type.ontasotVäitöskirja (artikkeli)fi
local.aalto.digiauthask
local.aalto.digifolderAalto_64885
Files
Original bundle
Now showing 1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
Name:
isbn9789526052434.pdf
Size:
366.23 KB
Format:
Adobe Portable Document Format