Optimal Design of Mosaic-like NRD Guide Devices

• Material Type: 博士論文
• Title: Optimal Design of Mosaic-like NRD Guide Devices
• Author/Editor: TAHIR, Bashir
• Author Heading: TAHIR, Bashir
• Publication Date: 2023-03-23
• Publication Date (W3CDTF): 2023-03-23
• Alternative Title: モザイク型NRD導波路デバイスの最適設計
• Degree grantor/type: 室蘭工業大学
• Date Granted: 2023-03-23
• Date Granted (W3CDTF): 2023-03-23
• Dissertation Number: 甲第516号
• Degree Type: 博士（工学）
• Text Language Code: eng
• Alias of Author: タヒル, バシル
• NDC: 547
• Target Audience: 一般
• Note (General): application/pdf; 近年の通信システムの大容量化に伴い、ミリ波およびテラヘルツ波帯域の使用が積極的に検討されている。非放射性誘電体導波路(NRDガイド)は、非放射性により低損失なため多くの注目を集めている。これまで提案されているNRDガイドデバイスは、基本的な構造によるものが主である。さらに、NRDガイドはその構造から3次元解析手法がしばしば使用され市販のソフトウェアでは計算コストが高くなる。この論文では、モザイク形状を用いたNRDガイドの最適設計についていくつかの最適設計アプローチを提案する。計算コストを削減するために、効率の高いシミュレーション手法も開発した。 はじめに、直接二値探索法(DBS)を開発した。設計効率を向上させるため、数値シミュレーション手法として独自に開発した2次元フルベクトル有限要素法(2D-FVFEM)を採用している。有用性を示すために、NRD市販の交差導波路と90°曲り導波路の設計を行い、いずれも99%を超える高い伝送効率が得られた。次に、バイナリベースの遺伝的アルゴリズム、差分進化アルゴリズム、ハーモニーサーチアルゴリズム、蛍アルゴリズム、粒子群最適化アルゴリズムを提案する。有用性を示すために、交差導波路、T分岐導波路、曲り導波路、および周波数分離素子の設計を行った。それぞれの透過率は、交差導波路が99.9%、T分岐導波路が49.9%:49.9%、曲り導波路では96.4 %、周波数分離素子では59 GHzで96.4 %、61 GHzで98.5 %が得られている。 次に、これまでに開発した2D-FVFEMを、非相反性材料を含んだNRDガイドデバイスの設計に適応できるように拡張し、サーキュレータとアイソレータの設計をすることにより妥当性を確認した。所望の特性を達成するために、ハーモニーサーチと差分進化法を適用し、単一周波数での動作と広帯域化を実現した。 次に、NRDガイドデバイスの解析のための厳密な2次元フルベクトル有限差分時間領域法(2DFDTD)を提案する。吸収境界条件として、畳み込み完全整合層(CPML)を用いた。さらに、LSM01とLSE01の各モードの透過率を推定するために厳密な定式化を確立した。NRDガイド交差導波路、T分岐導波路の解析を通してこの手法の有効性を示した。この研究では、いくつかの最適設計アプローチとシミュレーション手法を開発している。私達が提案する設計アプローチは、複雑なデバイス構造と機能を備えた多くのNRDガイドデバイスの設計にも適用できる。設計されたデバイスは小型で高性能なミリ波回路を実現するために十分な能力と可能性を持っている。; The use of millimeter- and terahertz-wave bands are being actively explored to increase communication system capacity and meet modern communication requirements. In recent years, non-radiative dielectric (NRD) waveguide device has received a lot of attention due to low loss nature. Several NRD guide components have been reported so far without employing any optimization approaches. On the other hands, those devices are simulated numerically using 3D simulation methods and commercially available softwares result in high computational time and simulation resources required. In this thesis, we propose several optimal design approaches based on mosaic optimization concept for the design of NRD guide. In order to reduce the computational cost, we also developed highly efficient simulation methods.First, we develop direct binary search (DBS) algorithm. In order to improve design efficiency, we employ the originally developed two-dimensional full vectorial finite element method (2D-FVFEM) as a numerical simulation method. To show the usefulness, NRD crossing and 900-bend waveguide are considered and high transmission efficiency greater than 99% is achieved at operating frequency 60 GHz. Then, we propose binary representation-based genetic algorithm, differential evolution algorithm, harmony search algorithm, firefly algorithm, and particle swarm optimization. To show the usefulness, four NRD circuit components are designed which include low crosstalk waveguide crossing, T-branch power splitter, bending waveguide, and frequency demultiplexer. The proposed optimal devices achieve high transmission efficiencies greater than 99.9%, 49.9%:49.9%, 99.9% at 60 GHz and 96.4%, 98.5% at 59 GHz and 61 GHz. In addition, the same NRD guide components except frequency demultiplexer are also designed at wideband operation and achieve broad bandwidth around 5 GHz, 4 GHz, and 3 GHz.We extend our previously developed 2D-FV-FEM to be applicable for design of non-reciprocal NRD guide devices. The accuracy is confirmed by designing NRD circulator and isolator. To achieve the desired properties, harmony search and differential evolution algorithm are employed for single frequency and broadband operation respectively.We propose rigorous two-dimensional full-vectorial finite difference time domain method for the analysis of NRD guide devices. Convolutional perfectly matched layer (CPML) is employed as an absorbing boundary condition. Furthermore, we have established a rigorous formulation for estimating the modal power of each LSM01 and LSE01 mode. We confirmed the validity of the proposed method through the analysis of NRD crossing and T-branch guide devices. Excellent accuracy is achieved by the cross comparison of 2D-FV-FDTD results with 2D-FV-FEM.In this research work, we develop several optimal design approaches and simulation methods. Our proposed design approaches are applicable to design a lot of NRD guide devices with complex device structures and functionalities as well. The designed devices have enough ability and potential to integrate in a circuit for the realization of complex, compact and high-performance millimeter- wave circuit.
• DOI: 10.15118/00010895; https://doi.org/10.15118/00010895
• Persistent ID (NDL): info:ndljp/pid/12912095; https://dl.ndl.go.jp/pid/12912095
• Collection: 障害者向け資料
• Collection (Materials For Handicapped People:1): テキストデータ
• Collection (particular): 国立国会図書館デジタルコレクション > デジタル化資料 > 博士論文; https://dl.ndl.go.jp/collections/A00014
• Acquisition Basis: 博士論文（自動収集）
• Date Accepted (W3CDTF): 2023-07-08T03:42:34+09:00
• Format (IMT): application/pdf
• Access Restrictions: 国立国会図書館内限定公開
• Service for the Digitized Contents Transmission Service: 図書館・個人送信対象外
• Availability of remote photoduplication service: 可
• Periodical Title (URI): http://dx.doi.org/10.15118/00010895; http://hdl.handle.net/10258/00010895; https://muroran-it.repo.nii.ac.jp/records/10956
• Data Provider (Database): 国立国会図書館 : 国立国会図書館デジタルコレクション; https://dl.ndl.go.jp