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2014年3月26日 星期三

古典力學

 

三種不同的古典力學詮釋

Newtonian   

Lagrangian

Hamiltonian

 

Newtonian (牛頓力學)

Newtonian 的變數是 F, x, x_dot, x_dot_dot; 2nd order differential equation

Newtonian 哲學是力造成速度的變化,正比於加速度

Pro:  1. 可以處理 non-conservative force (非保守場之力); 如摩擦力

         2. 比較直覺

Con: 1. 力很難分析 (vector 而非 scaler; 有方向性)

         2. 不同座標的 transformation 更複雜


Lagrangian

 

Lagrangian 的變數是 q and q_dot; 2nd order differential equation

 

Lagrangian 哲學是數小作用力原理

 

Pro:   1. L = T - U ; scaler only, no vector.  Or use Newtonian to derive L.

          2. General coordinates 

 

Con: 1. 只處理 conservative force (保守場之力)

 

       

Hamiltonian

Hamiltonian 的變數是 p and q; 1nd order differential equation

Hamiltonian 哲學是 reversibility -> phase diagram -> fluid/flow Lioville equation

-> field theory 

Pro:   1. H = Pq - L ; scaler only, no vector.

          2. General coordinates 

          3. pq are symmetry

          4. direct link to Quantum mechanics

 Con: 1. 只處理 conservative force (保守場之力)


 

 

2012年10月23日 星期二

Dipole/Monopole 雙極單極天線的一些特性

天線要能有效率的 radiate, 最好有 common mode signal oscillation, 因為對應的 ground 在無限遠處。  Differential signal oscillation to the first order 會互相抵消,效率會比 common mode signal oscillation 差。  因為 charge 永遠是電中性,只有 differential charge oscillation (如dipole oscillation), 不會有 common mode charge oscillation.   Current 則可以有 differential current oscillation (如 small loop) 以及 common mode current oscillation.   

Very short dipole antenna 只有 differential charge/voltage oscillation,和 small loop antenna 只有 differential current oscillation 恰好是對偶性 (duality),兩者的效率都很差。如 Table 1.

image

Table 1: Short dipole antenna and small loop antenna. (Dl = l/4 for half wavelength antenna)

Dipole antenna 利用 dipole 長度增加而產生 common mode current radiation, 如下圖 2.  Dipole antenna 最大效率的 common mode radiation 是在長度為 l/2。

長度再更長反而 current 會互相抵消,效率並不會增加。但 radiation pattern 會更集中在一些角度,又稱之為"開花" ,實務上並不常使用。理想的 dipole antenna 是 l/2, 即半波長雙極天線,遠場如下,比 short dipole antenna 公式算出略高,主要是 current distribution 為 sine instead of triangular。或者更常見的,用 l/4 的 monopole 加上 ground plane mirror. 

fields from a half-wave dipole antenna

Table 2: Half wavelength dipole antenna.

幾個需要注意的點:

1. monopole 必需是垂直於 ground plane, 而非水平。水平反而會讓 common mode current 變為 differential current, 而抵消 radiation, 變成 small loop antenna.  這也是 RFID 或 Etag 必需要遠離大片金屬的原因,因為 RFID 或 Etag 都是水平貼於表面。

2. 電路產生的 EMI 多半為 common mode noise, 很容易 couple 到 dipole antenna.  最好的解決方法是在 noise source 上做 common mode choke 或 shielding. 

3. Dipole antenna 的 differential feed is easy to understand, but how coax feed? or single-ended signal feed?

 

 

chart!

 

 

如何縮短天線大小

Dipole/monopole 雖然簡單有效,實務上常常遇到的問題是如何縮小天線的尺寸,可以 fit 到機構內。特別對於 sub 1GHz 的 mobile 或 portable 應用 (UHF, GSM-900MHz, ISM-900MHz, LTE-700MHz), 如果有一或兩根突出的天線,不但不美觀,也不安全。如果能 embed 到機構中,更符合美觀和 MIMO 的應用。常用縮短天線的方法:

1. Use monopole instead of dipole: 50% length reduction, refere the previous article for the trade-off between dipole and monopole antenna.

2. Use Meander line structure:   The meander-line antenna (MLA) can be in a l/2 dipole or l/4 ground plane format.  The idea is to fold the conductors back and forth to make the overall antenna shorter, which is shown in the following figure.  It is a smaller area, but the radiation resistance, efficiency and bandwidth decease.  The parameters of meander shape will affect the antenna performance parameter.  More details about MLA is in the next section.

image            image

 

Meander Line Antenna (MLA)

Meander line antenna is one type of the micro strip antenna. The meander line antenna was proposed by Rashed and Tai for reduce the resonant length. Meandering the patch increases the path over which the surface current flows and that eventually results in lowering of the resonant frequency than the straight wire antenna of same dimensions.

The electrical small antenna defines as the largest dimension of the antenna is no more than one-tenth of a wavelength [5]. Meander antenna is electrically small antenna .The design of meander line antenna is a set of horizontal and vertical lines. Combination of horizontal and vertical lines forms turns. Number of turns increases efficiency increases. In case of meander line if meander spacing is increase resonant frequency decreases. At the same meander separation increase resonant frequency decreases [6]. A meander antenna is an extension of the basic folded antenna and frequencies much lower than resonances of a single element antenna of equal length.
Radiation efficiency of meander line antenna is good as compare to conventional half and quarter wavelength antennas. Antenna size reduction factor β depends primarily on the number of meander elements per wavelength and spacing of element widths of the rectangular loops [7].

image

 

 

 

Meander line structure to shorten the size; but trade with efficiency

Live antenna vs. dead antenna

 

Injection power = Ohmic loss + non-radiation mode + radiating mode

where is the power of non-radiating mode?  loss again?

why long wavelength has better power in Friss formula

 

How to deal with Antenna?  Any simplified Maxwell equation?

Meander line antenna (MLA) equivalent circuit.

2011年11月14日 星期一

力不如場,場不如勢

最近想學太極拳。一個工程師朋友說到他對太極拳的體會:學了四五年的太極,才初窺堂奧。覺得太極拳像是學力學。推手時講求聽勁、化勁,用手和身體的觸覺感知對手和自己力(勁)道的變化。

再過四五年,開始升堂入室。覺得太極拳像是學電磁學。推手時彷彿在身前佈下一個場,對手只要進人這個場內,就會被脫的光光,看的清清楚楚。

等到更高明的階  ,不用出手。光用氣勢就可以壓得對手喘不過氣。

學過圍棋的人也知道:最下等的是爭子。其次是各逞心機,圍地設伏。高明者造勢而且仗勢壓人。

孫子兵法也說:故善戰者,求之於勢。善戰人之勢,如轉圓石於千仞之山者,勢也。故上兵伐謀,其次伐交,其次伐兵,其下攻城。伐謀、伐交就是造勢、借勢。伐兵、攻城就是以力取勝。

從物理學的角度:力學最明白易懂,直來直往。法拉第開啟的電磁場論是一個全新的觀念。不過場有許多種 .. 靜力場 流力場  電磁場  量子場 等等。我覺得勢場 (potential field) 是一個非常有用的場。

potential field is a local and global field.  local means all force is derived from the derivative of local potential.  Global means the field is conservative.  The work/energy is indpendent of path, only depending on two terminals.

2009年7月5日 星期日

力耶?勢耶?孰優孰劣

孫子兵法:故善戰者,求之於勢。善戰人之勢,如轉圓石於千仞之山者,勢也。故上兵伐謀,其次伐交,其次伐兵,其下攻城。伐謀、伐交就是造勢、借勢。伐兵、攻城就是以力取勝。孫子兵法明顯認為 "勢" 優 "力" 劣。

古典力學的兩種 approach

一是大家都熟悉的牛頓力學 (Newtonian mechanics) 和三大定律 (實際上是假設):即 (i) F=0 的慣性定律, (ii) F=mA 運動定律,  和 (iii) 作用力和反作用力定律。其中最重要最關鍵的物理量就是力。這也是為什麼 mechanics 中文翻譯為 "力" 學。

另一類 approach 是基於最小作用原理 (least action principle),通常稱為 Lagrangian mechanics 或是 Hamiltonian mechanics。這裹只有一個假設,就是運動的物體會遵循最小的 action。什麼是 action(S),可以用下面公式定義:

\mathcal{S} = \int_{t_1}^{t_2}\; L(x,\dot{x})\,\mathrm{d}t 

其中 L = T - V。T (kinetic energy) 是動能。V (potential) 通常稱為位能,或是勢(能)。雖然 V 大多是位置的函數,但也可能是速度或是時間的函數,所以位能不是妥當的翻譯。

只要能找出 L (i.e. T-V),其它只是計算。T=1/2mv2 是 well-known.  主要的工作就是找出 V (勢)。

簡言之:牛頓力學 (Newtonian mechanics) 主要的工作就是找到所有的力。Largrangian or Hamiltonian mechanics 主要的工作就是找到勢。在多數的情況,找勢比找力簡單容易。意即"勢" 優 "力" 劣。

靜力學的例子

考慮一條均勻繩子或鏈子兩端固立,在重力場中自然垂下如下。

img025

從牛頓力學的靜力學觀點而言,每一小段鏈子的重力和上下兩端的張力的合力為零。雖然不難,但須費一番功夫。

在靜力場中,動能 T=0, S = (t2-t1) V.   因此在靜力學中,最小作用力原理簡化為最低勢能原理。解法如下:

img026

因為重力場函數是 -gy, 所以只要將每一小段鏈子質量乘上重力場即是每一小段的勢。最後再把所有小段的勢積分就得到全部的勢。

最小作用力原理的優點

(A) 不用找力,不論是明顯的外力 (重力),或是不明顯的內力 (張力);只需要找勢。勢通常只由外力造成,內力可以被忽略(除非有彈力位能)。這讓思考簡化很多,也容易讓電腦自動計算。

(B) 同時勢能是一純量,而力是一向量。這也讓計算簡化許多。

(C) 除此之外,最小作用原理是一普遍的原理。可以同樣適用在相對論力學,量子力學上。這是比牛頓的力學三定律更基本的原理。此外,結合廣義座標和微分幾何,可以得到更深的物理意義。請參閱參考資料。

參考資料: "The Variational Principles of Mechanics" by Lanczos

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