Vorhersage, wie elektromagnetische Wellen mit Materialien auf den kleinsten Skalen interagieren

Anonim

UCLA Samueli-Ingenieure haben ein neues Werkzeug entwickelt, um zu modellieren, wie magnetische Materialien, die in Smartphones und anderen Kommunikationsgeräten verwendet werden, mit eingehenden Funksignalen interagieren, die Daten übertragen. Es prognostiziert genau diese Interaktionen bis hinunter zu den Nanometerskalen, die für den Aufbau modernster Kommunikationstechnologien erforderlich sind.

Das Tool ermöglicht es Ingenieuren, neue Klassen von Funkfrequenz-basierten Komponenten zu entwickeln, die in der Lage sind, große Datenmengen schneller und mit weniger Störgeräuschen zu übertragen. Zukünftige Anwendungsfälle umfassen Smartphones für implantierbare Gesundheitsüberwachungsgeräte.

Magnetische Materialien können sich aufgrund ihrer polaren Orientierung anziehen oder abstoßen - positive und negative Enden ziehen sich gegenseitig an, während sich zwei positive oder zwei negative abstoßen. Wenn ein elektromagnetisches Signal wie eine Radiowelle solche Materialien durchdringt, agiert ein magnetisches Material wie ein Gatekeeper, der die gewünschten Signale einlässt, aber andere fernhält. Sie können auch das Signal verstärken oder die Geschwindigkeit und Stärke des Signals dämpfen.

Ingenieure nutzen diese Gatekeeper-ähnlichen Effekte, sogenannte "Wellen-Material-Interaktionen", um Geräte in Kommunikationstechnologien für Jahrzehnte zu verwenden. Dazu gehören beispielsweise Zirkulatoren, die Signale in bestimmte Richtungen senden, oder frequenzselektive Begrenzer, die das Rauschen reduzieren, indem sie die Stärke unerwünschter Signale unterdrücken.

Derzeitige Design-Tools sind nicht umfassend und präzise genug, um das vollständige Bild des Magnetismus in dynamischen Systemen wie implantierbaren Geräten zu erfassen. Die Werkzeuge haben auch Grenzen in der Gestaltung der Unterhaltungselektronik.

"Unser neues Computer-Tool adressiert diese Probleme, indem es Elektronikdesignern einen klaren Weg gibt, herauszufinden, wie potentielle Materialien am besten in Kommunikationsgeräten verwendet werden könnten", sagte Yuanxun "Ethan" Wang, Professor für Elektro- und Computertechnik, der die Forschung leitete. "Schließen Sie die Eigenschaften der Welle und des magnetischen Materials an, und die Anwender können die Nanostruktureffekte schnell und präzise modellieren. Nach unserem Wissen ist diese Modellreihe die erste, die alle kritischen physikalischen Eigenschaften enthält, die für die Vorhersage des dynamischen Verhaltens erforderlich sind."

Die Studie wurde in der Druckausgabe von IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques vom Juni 2018 veröffentlicht.

Das Berechnungswerkzeug basiert auf einer Methode, die gemeinsam bekannte Maxwell-Gleichungen löst, die beschreiben, wie Elektrizität und Magnetismus funktionieren, und die Landau-Lifshitz-Gilbert-Gleichung, die beschreibt, wie sich die Magnetisierung in einem festen Objekt bewegt.

Der Hauptautor der Studie, Zhi Yao, ist Postdoc in Wangs Labor. Co-Autoren sind Rustu Umut Tok, ein Postdoktorand in Wangs Labor, und Tatsuo Itoh, ein angesehener Professor für Elektro- und Computertechnik an der UCLA und der Northrop Grumman Chair in Electrical Engineering. Itoh ist auch Yaos Co-Berater.

Das Team arbeitet daran, das Werkzeug zu verbessern, um mehrere Arten von magnetischen und nichtmagnetischen Materialien zu berücksichtigen. Diese Verbesserungen könnten dazu führen, dass es zu einem "universellen Löser" wird, der in der Lage ist, jede Art von elektromagnetischer Welle zu berücksichtigen, die mit irgendeiner Art von Material interagiert.

Wangs Forschungsgruppe erhielt kürzlich einen Zuschuss in Höhe von 2, 4 Millionen US-Dollar von der Defense Advanced Research Project Agency, um die Modellierungskapazität des Werkzeugs um zusätzliche Materialeigenschaften zu erweitern.

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