UCLA Samuelis ingenjörer har utvecklat ett nytt verktyg för att modellera hur magnetiska material, som används i smartphones och andra kommunikationsenheter, interagera med inkommande radiosignaler som bär data. Den förutspår dessa interaktioner exakt till de nanometerskalor som krävs för att bygga toppmodern kommunikationsteknik.

Verktyget tillåter ingenjörer att designa nya klasser av radiofrekvensbaserade komponenter som kan transportera stora mängder data snabbare, och med mindre bullerstörningar. Framtida användningsfall inkluderar smartphones till implanterbara hälsoövervakningsenheter.

Magnetiska material kan locka eller stöta bort varandra baserat på deras polära orientering - positiva och negativa ändar lockar varandra, medan två positiva eller två negativa stöter bort. När en elektromagnetisk signal som en radiovåg passerar genom sådant material, ett magnetiskt material fungerar som en portvakt, släppa in de önskade signalerna, men att hålla utanför andra. De kan också förstärka signalen, eller dämpa signalens hastighet och styrka.

Ingenjörer har använt dessa gatekeeper-liknande effekter, kallas "våg-material-interaktioner, "för att göra enheter som används i kommunikationsteknik i årtionden. Till exempel, dessa inkluderar cirkulatorer som skickar signaler i specifika riktningar eller frekvensselektiva begränsare som reducerar brus genom att undertrycka styrkan hos oönskade signaler.

Nuvarande designverktyg är inte tillräckligt omfattande och exakta för att få en fullständig bild av magnetism i dynamiska system, t.ex. implanterbara enheter. Verktygen har också begränsningar i utformningen av konsumentelektronik.

"Vårt nya beräkningsverktyg löser dessa problem genom att ge elektronikdesigners en tydlig väg mot att ta reda på hur potentiella material bäst skulle användas i kommunikationsenheter, "sa Yuanxun" Ethan "Wang, en professor i el- och datateknik som ledde forskningen. "Anslut egenskaperna hos vågen och det magnetiska materialet, och användare kan enkelt modellera nanoskalaeffekter snabbt och exakt. Så vitt vi vet, den här modellen är den första som innehåller all kritisk fysik som är nödvändig för att förutsäga dynamiskt beteende. "

Studien publicerades i utgåvan av juni 2018 av IEEE -transaktioner om mikrovågsteori och tekniker .

Beräkningsverktyget är baserat på en metod som gemensamt löser välkända Maxwells ekvationer, som beskriver hur elektricitet och magnetism fungerar och Landau-Lifshitz-Gilbert-ekvationen, som beskriver hur magnetisering rör sig inuti ett fast föremål.

Studiens huvudförfattare Zhi Yao är en postdoktor i Wangs laboratorium. Medförfattare är Rustu Umut Tok, en postdoktor i Wangs laboratorium, och Tatsuo Itoh, en framstående professor i el- och datorteknik vid UCLA och Northrop Grumman -stolen i elektroteknik. Itoh är också Yaos medrådgivare.

Teamet arbetar med att förbättra verktyget för att redogöra för flera typer av magnetiska och icke-magnetiska material. Dessa förbättringar kan leda till att det blir en "universell lösning, "kan redogöra för vilken typ av elektromagnetisk våg som helst som interagerar med vilken typ av material som helst.

Wangs forskargrupp fick nyligen ett bidrag på 2,4 miljoner dollar från Defense Advanced Research Project Agency för att utöka verktygets modelleringskapacitet till att inkludera ytterligare materialegenskaper.