With the enormously developing of the wireless communication technology, the electromagnetic environment exposing to the electrical devices is becoming more and more complex. Besides, the trends of designing high-speed digital computer systems are toward fast edge rates, high clock frequencies, and low voltage levels. The electromagnetic susceptibility (EMS) or immunity of the high-speed circuit has become an important issue today apparently. In this thesis, we will firstly establish the measurement environment and calibration technology for numerical validation. Then we employ the three-dimension finite-differential time-domain (3D-FDTD) numerical method compared to the finite element method (FEM) to simulate the EMS behavior of the power delivery network (PDN) and traces of the printed circuit boards (PCB). In addition to several types of layout of the traces studied in this thesis, we also explain the mechanism and phenomenon of the EMS of the power/ground planes of the PCB. Besides the EMS behavior research of the traditional solutions to suppress the power noise, we propose an electromagnetic bandgap structure (EBG) which has the broadband suppression of the power noise and is validated to be effective to improve the EMS problems. Finally, we also propose a novel concept to increase the signal integrity (SI) by shielding design.

Photonic crystal fibers (PCFs) are divided into two different kinds of fibers. The first one, index-guiding PCF, guides light by total internal reflection between a solid core and a cladding region with multiple air-holes. On the other hand, the second one uses a perfectly periodic structure exhibiting a photonic band-gap (PBG) effect at the operating wavelength to guide light in a low index core-region. A compact 2D-FDTD method based on finite-difference time-domain method is formulated and is effectively applied to analysis PCFs and PBGFs. We study the propagation features of fundamental mode and the fundamental characteristics such as effective index, modal-field diameter and chromatic dispersion in index-guiding PCFs. By optimizing the air-hole diameters and the hole-to-hole spacing of index-guiding PCFs, both the dispersion and the dispersion slope can be controlled in a wide wavelength range. We also investigate the propagation features of fundamental mode and band-gap effect of PBGFs.

The Finite-Difference Time-Domain Method (FDTD) is a very powerful numerical method for the full wave analysis electromagnetic phenomena. Due to its flexibility, it can be used to solve numerous electromagnetic scattering problems on microwave circuits, dielectrics, and electromagnetic absorption in biological tissue at microwave frequencies. However, it needs so much computation time to simulate microwave integral circuits by applying the FDTD method. If the structure we simulated is complicated and we want to obtain accurate frequency domain scattering parameters, the simulation time will be so much longer that the efficiency of simulation will be bad as well. Therefore, in the thesis, we introduce an artificial neural networks (ANN) method called ¡§Infinite Impulse Response Neural Networks (IIRNN)¡¨ can speed up the FDTD simulation time. In order to boost the efficiency of the FDTD simulation time by stopping the simulation after a sufficient number of time steps and using FIRNN as a predictor to predict time series signal.

The finite-difference time domain(FDTD) method is formulated by discretizing Maxwell¡¦s equation over a finite volume and approximating the derivatives with centered difference approximation. The total-field/scattered-field formulation use for simulating the uniform plane wave and the added -source formulation use for simulating the plane wave,compare the result of the electric field within metallic enclosures through aperture excited by uniform plane wave with plane wave,The larger of the exciting plane of the plane wave the more approximate to the result of the uniform plane wave .It must be very large for the induced electrical field within enclosure with a slot which vertical to interference source polarization . Generally speaking, the aperture on the enclosures not the slot but small holes on the condition of don¡¦t know interference source polarization.

In this thesis, we study the electromagnetic effect of the high-speed digital PCB in three sections. In first section, based on the FDTD modeling approach, the bridging effect of the isolation moat on the EMI caused by the ground bounce noise is investigated. We find that isolating the noise source by slits is effective to eliminate the EMI, but bridges connecting between two sides of the slits will significantly degrade the effect of EMI protection. In second section, we investigate both in time and frequency domains the power plane noise coupling to signal trace with via transition in multi-layered PCB. Separating the power plane with slits is effective in reducing noise coupling in high frequency but a new resonant mode will be excited at lower frequency. Current distribution pattern of this new resonant mode between the power planes helps us to understand this phenomenon more clearly. In final section, by using FDTD link SPICE method, we can predict the electromagnetic behavior of the PCB with active device effectively.

Compact fully anechoic chambers may gradually replace open area test sites as the preferred type of testing facility for the measurement of radiated emissions. This dissertation theoretically and experimentally investigates the suitability of a compact fully anechoic chamber with ferrite tiles being partially lined on the floor ground as a free-space environment at frequency range below 300MHz. The results show that, for vertical polarization, the practical chamber will behave like a free-space test site. However, for the horizontal polarization, it seems have relatively significant effect on the NSTL performance and will not behave well like a free-space test site. Based on FDTD modeling approach, a numerical tool with the measuring tunable dipole antennas being considered is established to simulate the NSTL performance of the compact EMC chamber with different layout design of ferrite tiles. Furthermore, several designs of reduced coverage of the ferrite tiles in the compact chamber are proposed and discussed. In addition, this dissertation also investigates the correlation test of a 3m fully anechoic chamber ¡]FAC¡^ and a 10m semi-anechoic chamber ¡]SAC¡^ at frequency range from 80MHz to 1000MHz. Based on correction factor between two test sites, the EMI behaviors of the EUT in a 10m SAC could be predicted rapidly at frequency from 200MHz to 900MHz. Thus, a 3m FAC has been expected to provide a low cost as a pre-compliance test site, if the predicted EMI behaviors of the EUT are close to the practical measured results in a 10m SAC.

The operation speed of modern computer system has been upgraded from several hundred MHz to GHz. The instant current will pass to the power plane of the mother board by way of the IC pins and result in electromagnetic wave propagation between the power and ground plane, so called ¡§Ground bounce.¡¨ To prevent the ground bounce from IC operation, decoupling capacitors are used. In this thesis, an efficient numerical approach which is based on the two-dimensional (2D) finite-difference time-domain (FDTD) method and with a new recursive algorithm has been used for modeling the power/ground planes characteristics with SMT capacitors above them. By the way, we take several methods, such as Debye model, FDTD-SPICE, and telegrapher¡¦s equation, for modeling various mother board structures. Finally, we use the genetic algorithm for calculating the optimum capacitor placements to meet the expect ground bounce limitation.

Το παρακάτω κείμενο αποτελεί διπλωματική εργασία που εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ασύρματης Επικοινωνίας του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός μας, ήταν η επίλυση των εξισώσεων του Maxwell σε προβλήματα που αφορούν το σφαιρικό και το κυλινδρικό σύστημα συντεταγμένων. Στην προσπάθεια αυτή κάναμε χρήση της μεθόδου επίλυσης των πεπερασμένων διαφορών στο πεδίο του χρόνου (F.D.T.D) σε δύο ειδών εφαρμογές: η πρώτη αφορά έναν κυλινδρικό κυματοδηγό, τον οποίο μοντελοποιήσαμε με τη βοήθεια του κυλινδρικού συστήματος συντεταγμένων και η δεύτερη αφορά μια κωνική κεραία UWB, την οποία μοντελοποιήσαμε με τη βοήθεια του σφαιρικού συστήματος συντεταγμένων. Η προσομοίωση αυτών των δύο εφαρμογών γίνεται με τη βοήθεια του προγραμματιστικού περιβάλλοντος της Matlab. Επειδή η μέθοδος F.D.T.D επιλύει τις εξισώσεις του Maxwell στο χρόνο μας προσφέρει τη δυνατότητα της οπτικής απεικόνισης των πεδίων σε διάφορες χρονικές στιγμές, κάτι που μας επιτρέπει να παρατηρούμε τη χρονική εξέλιξη των φαινομένων. Η μέθοδος γίνεται ιδιαίτερα ελκυστική λόγω του επιπρόσθετου χαρακτηριστικού της απευθείας επίλυσης των εξισώσεων στροβιλισμού του Maxwell, καθιστώντας παράλληλα περιττή την επίλυση της κυματικής εξίσωσης. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στις υπολογιστικές τεχνικές στον ηλεκτρομαγνητισμό. Επίσης γίνεται μια πρώτη αναφορά στη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών στο πεδίο του χρόνου (F.D.T.D), στις δυνατότητες της μεθόδου, στο πεδίο εφαρμογής της καθώς και στα πλεονεκτήματά της. Στο κεφάλαιο δύο παρουσιάζονται οι εξισώσεις του Maxwell. Συγκεκριμένα παρουσιάζονται οι εξισώσεις στροβιλισμού και οι βαθμωτές διαφορικές εξισώσεις που προκύπτουν από αυτές στις τρεις και δύο διαστάσεις. Στις δύο διαστάσεις γίνεται διάκριση σε εγκάρσιο ηλεκτρικό ρυθμό (Transverse Electric) και εγκάρσιο μαγνητικό ρυθμό (Transverse Magnetic). Τέλος παρουσιάζονται οι εξισώσεις του Maxwell που ισχύουν για τα σκεδαζόμενα πεδία. Στο κεφάλαιο τρία παρουσιάζονται τα βασικά στοιχεία της μεθόδου F.D.T.D, τα οποία πρέπει να γίνουν κατανοητά προκειμένου να αναδειχθούν τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά της. Συγκεκριμένα παρουσιάζονται οι εξισώσεις πεπερασμένων διαφορών, που προκύπτουν από τις βαθμωτές διαφορικές εξισώσεις, που προκύπτουν από τις εξισώσεις στροβιλισμού του Maxwell. Στη συνέχεια παρουσιάζονται βασικά χαρακτηριστικά της μεθόδου, όπως η επιλογή του χωρικού και χρονικού βήματος και η δημιουργία πηγών. Μετά παρουσιάζεται η σημαντικότερη απορροφητική οριακή συνθήκη PML του Berenger και τέλος οι υπολογιστικές απαιτήσεις του αλγορίθμου F.D.T.D. Στο κεφάλαιο τέσσερα επιλύονται προβλήματα σε δύο διαστάσεις και συγκεκριμένα το πρόβλημα των ρυθμών διάδοσης TM και ΤΕ εντός κυλινδρικού κυματοδηγού με υλικό εντός του τον αέρα. Στο κεφάλαιο πέντε επιλύονται προβλήματα σε δύο διαστάσεις. Συγκεκριμένα παρουσιάζει την ανάπτυξη ενός σετ εργαλείων λογισμικού που είναι χρήσιμα στην ανάλυση κεραιών και δομών εξαιρετικά ευρείας ζώνης (UWB). Αυτά τα εργαλεία χρησιμοποιούνται στην εκτέλεση προσομοίωσης με τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών στο πεδίο του χρόνου (FDTD) μίας κωνικής κεραίας με συνεχές κύμα (CW) και παλμικές διεγέρσεις UWB. Η κεραία αναλύεται με τη χρήση εξισώσεων σφαιρικών συντεταγμένων FDTD που προέρχονται από τις βασικές αρχές. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης για τη διέγερση τύπου συνεχούς κύματος (CW) συγκρίνονται με τα αποτελέσματα από προσομοιώσεις και μετρήσεις σε δημοσιευμένες πηγές· τα αποτελέσματα της διέγερσης UWB είναι νέα. Τα παραπάνω προβλήματα κάνουν σαφές το πόσο σημαντικό είναι να γνωρίζουμε σε βάθος τα χαρακτηριστικά της μεθόδου προκειμένου να φτάσουμε στην λύση τους. Σε περιπτώσεις όπου γνωρίζουμε τη λύση εκ των προτέρων (είτε ποιοτικά ή ποσοτικά) έχουμε τη δυνατότητα να επαληθεύσουμε την ορθότητα των αποτελεσμάτων της F.D.T.D. Οι λύσεις των προβλημάτων β ασίζονται στην εύρεση των ολικών πεδίων. Ο εναλλακτικός τρόπος της εύρεσης των σκεδαζόμενων πεδίων δεν χρησιμοποιείται. Βέβαια στα προβλήματα ακτινοβολίας κεραιών υποχρεωτικά εφαρμόζεται η διατύπωση των ολικών πεδίων. Μέσω αυτής της εργασίας έγινε σαφής η ικανότητα της F.D.T.D να εφαρμόζεται σε μεγάλη ποικιλία προβλημάτων. Κάτι που δεν έγινε σαφές είναι η δυνατότητα της μεθόδου να συνδυάζεται με άλλες μεθόδους, κάτι που μπορεί να επιφέρει σημαντική καταστολή ή και εξάλειψη των μειονεκτημάτων της. Με αυτό τον τρόπο δημιουργούνται νέες υβριδικές μέθοδοι. Με τις μεθόδους εύρεσης των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων (όπως είναι η F.D.T.D) έχουμε τη δυνατότητα να δούμε τον ηλεκτρομαγνητισμό από νέα σκοπιά, κατανοώντας τον καλύτερα και προσαρμόζοντάς τον στις σύγχρονες ανάγκες της εποχής. / -

Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι να παράσχει χρήσιμες πληροφορίες για την πρακτική κατασκευή συσκευών αορατότητας. Αρχικά, παρουσιάζονται οι διαφορετικοί τύποι των δισδιάστατων μέσων μετασχηματισμού (συσκευών αορατότητας) και διαπιστώνεται η υπεροχή του δισδιάστατου μανδύα αορατότητας επιπέδου από διηλεκτρικό. Προκειμένου να διερευνήσουμε αριθμητικά την οπτική συμπεριφορά αυτού του τύπου μανδύα, χρησιμοποιούμε τις εξισώσεις που εξάγονται από τη θεωρία της οπτικής μετασχηματισμών, και μέσω της μεθόδου F.D.T.D υπολογίζουμε το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο σε όλα τα σημεία του υπολογιστικού πλέγματος. Στα όρια του πλέγματος αυτού τοποθετείται ένα στρώμα τέλειας προσαρμογής , έτσι ώστε να ελαχιστοποιούνται οι ανακλάσεις στα όρια αυτά, σε αναλογία με το πραγματικό πείραμα. Υλοποιώντας έναν κώδικα σε Μatlab, υπολογίζουμε την ένταση της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας, για εγκάρσια μαγνητικά επίπεδα κύματα που προσπίπτουν υπό γωνία σε ένα αντικείμενο που περιβάλλεται από έναν μανδύα από διηλεκτρικό και είναι τοποθετημένο σε επίπεδο. Συγκεκριμένα, μελετάμε: την επίδοση της συσκευής συναρτήσει του βαθμού διακριτοποίησης του αριθμητικού πλέγματος, την επίδραση της απορρόφησης και της τυχαίας διαταραχής της επιτρεπτότητας των δομικών υλικών του μανδύα, καθώς και την επίδοση για πρόσπτωση υπό διαφορετικές γωνίες. Τέλος, εκτιμάμε τις ιδιότητες των στρώσεων από διηλεκτρικά που θα μπορούσαν να περιβάλουν τον μανδύα και να βελτιώσουν την αποδοτικότητά του στο ορατό φάσμα. / This work aims to provide useful information for the fabrication of practical cloaking devices. Initially, different types of two dimensional transformation media (invisibility devices) are presented and it is concluded that the all dielectric, two dimensional electromagnetic ground plane cloak dominates. In order to perform a numerical study of the sensitivity of this type of cloak, we use the equations deduced from the transformation optics via finite difference time domain method, for the electromagnetic wave, at every single point of the numerical domain. In the boundaries of this domain, we place a perfectly matched layer in order to minimize the reflections in those boundaries. That would replicate the real experiment with our simulations. By the application of a code written in Matlab, we calculate the scattering signature of an object surrounded by an all dielectric cloak and placed on a ground plane. Transverse magnetic plane waves are launched at an angle towards the object. In particular, we study the performance of the system as a function of the number of distinct components the cloak is divided into, the effects of lossy elements, the angle of incidence, as well as typical random variations of the permittivity of the building materials. Finally, we evaluate impedance matching layers that can surround the cloak and improve its effectiveness in the visible spectrum.

This work is concerned with the numerical simulation of percussion instruments based on physical principles. Three novel modular environments for sound synthesis are presented: a system composed of various plates vibrating under nonlinear conditions, a model for a nonlinear double membrane drum and a snare drum. All are embedded in a 3D acoustic environment. The approach adopted is based on the finite difference method, and extends recent results in the field. Starting from simple models, the modular instruments can be created by combining different components in order to obtain virtual environments with increasing complexity. The resulting numerical codes can be used by composers and musicians to create music by specifying the parameters and a score for the systems. Stability is a major concern in numerical simulation. In this work, energy techniques are employed in order to guarantee the stability of the numerical schemes for the virtual instruments, by imposing suitable coupling conditions between the various components of the system. Before presenting the virtual instruments, the various components are individually analysed. Plates are the main elements of the multiple plate system, and they represent the first approximation to the simulation of gongs and cymbals. Similarly to plates, membranes are important in the simulation of drums. Linear and nonlinear plate/membrane vibration is thus the starting point of this work. An important aspect of percussion instruments is the modelling of collisions. A novel approach based on penalty methods is adopted here to describe lumped collisions with a mallet and distributed collisions with a string in the case of a membrane. Another point discussed in the present work is the coupling between 2D structures like plates and membranes with the 3D acoustic field, in order to obtain an integrated system. It is demonstrated how the air coupling can be implemented when nonlinearities and collisions are present. Finally, some attention is devoted to the experimental validation of the numerical simulation in the case of tom tom drums. Preliminary results comparing different types of nonlinear models for membrane vibration are presented.