Model-based systems engineering approach in phased antenna array design and optimization

Abstract. This thesis introduces the concept of Model-based systems engineering by providing an example on how the hardware aspects of a phased antenna array can be modeled with a system modeling language SysML in a modeling software application Cameo Systems modeler, and demonstrates how the resulting system model is used as a central hub for integration with the analysis of a phased antenna array. This thesis covers the creation of analysis models at three different fidelity levels for a phased antenna array that operates in the frequency range from 3.4 to 4 gigahertz. The models are created with the electromagnetic modeling and simulation software Ansys HFSS, and the programming and numeric computing platform MATLAB, which is used to create a script that handles post-processing of the simulation results. The lowest fidelity analysis model is automated in the Multi-disciplinary analysis and optimization tool ModelCenter. The result is an analysis workflow with configurable design parameters as its inputs and performance evaluation parameters as its outputs. The workflow combines and automates the consequent execution of the HFSS electromagnetic model and the post-processing MATLAB script. Afterwards, the workflow is integrated with the system model, which enables the use of requirements in the analysis, and the ability to upload designs achieved with the analysis to the system model. This connected workflow is used to perform a Design of experiments and a machine learning algorithm driven optimization on the phased antenna array, with the goal of finding the best possible spacings between the individual radiating elements in the array. The Design of experiments produces graphs that visualize statistical relationships between the antenna array’s design variables and its performance evaluation parameters. The optimization produces a graph that visualizes a pareto front between different performance evaluation parameters. In other words, the graph shows the design alternatives that cannot be further improved in any parameter without degrading another. This graph is used to make an informed decision on the best radiating element spacings in the antenna array. This results in 50 millimetres for the vertical spacing and 40 millimetres for the horizontal spacing in this example. Finally, the design option is uploaded to the system model, which concludes the demonstration of system and analysis modeling and their integrated usage in the design and optimization of a phased antenna array.Tiivistelmä. Tässä diplomityössä käydään läpi mallipohjaisen järjestelmäsuunnittelun konsepti, sekä osoitetaan esimerkin avulla, kuinka sitä käytetään vaiheistettujen antenniryhmien mallintamiseen SysML-järjestelmänmallinnuskielellä, Cameo Systems Modeler -työkalussa. Tämän lisäksi työssä esitetään, kuinka mallinuksesta syntyvää järjestelmämallia käytetään integroinnin keskuksena vaiheistetun antenniryhmän suunnittelun analysoinnille. Työssä käydään läpi kolmen eri tarkkuustason mallin luonti vaiheistetulle antenniryhmälle, jonka toimintataajuusalue ulottuu 3.4:stä gigahertsistä neljään gigahertsiin. Mallit luodaan käyttämällä sähkömagneettista mallinnus- ja simulointi ohjelmistoa nimeltään Ansys HFSS, sekä numeerista laskenta- ja ohjelmointialustaa nimeltään MATLAB, jolla luodaan skripti simuloinnin tulosten jälkikäsittelyä varten. Tämän jälkeen alimman tarkkuustason analyysimalli automatisoidaan monitieteisellä analyysi- ja optimointi työkalulla nimeltään ModelCenter. Tämä tehdään rakentamalla analyysin työnkulku, jonka tulona on antenniryhmän suunnittelumuuttujia ja lähtönä sen suorituskykyä kuvaavia parametreja. Analyysin työnkulku yhdistää sekä automatisoi sähkömagneettisen HFSS-mallin ja MATLAB-jälkikäsittelyskriptin peräkkäisen ajamisen ModelCenterissä. Tämän jälkeen analyysin työnkulku integroidaan järjestelmämallin kanssa. Tämä mahdollistaa vaatimusten käyttämisen analyyseissa sekä kyvyn ladata analyysin perusteella saatuja suunnitteluvaihtoehtoja järjestelmämalliin. Tätä kytkettyä analyysin työnkulkua käytetään vaiheistetun antenniryhmän kokeelliseen suunnitteluun sekä koneoppimisen algoritmeja käyttävään optimointiin, joiden tavoitteena on löytää parhaat mahdolliset antenniryhmän yksittäisten säteilevien elementtien väliset etäisyydet. Kokeellinen suunnittelu tuottaa kuvaajia, jotka visualisoivat antenniryhmän suunnittelumuuttujien ja suorituskykyä kuvaavien parametrien välisiä tilastollisia riippuvuussuhteita, tehden niiden ymmärtämisestä helppoa. Optimointi tuottaa kuvaajan, joka visualisoi eri suunnitteluvaihtoehdoilla saatavien suorituskykyä kuvaavien parametrien välistä pareto-tehokkuutta. Toisin sanoen kuvaajasta nähdään parhaat suunnitteluvaihtoehdot, joissa minkään suorituskykyä kuvaavan parametrin arvoa ei voida enää parantaa huonontamatta jonkun toisen arvoa. Tämän kuvaajan perusteella tehdään päätös parhaista mahdollisista antenniryhmän säteilevien elementtien välisistä etäisyyksistä. Tulos johon esimerkissä päädytään on 50 millimetriä korkeussuunnassa ja 40 millimetriä sivusuunnassa. Lopuksi tämä suunnitteluvaihtoehto ladataan järjestelmämalliin, joka päättää havainnollistavan esimerkin järjestelmä ja analyysimallinnuksesta, sekä niiden yhdistetystä käytöstä vaiheistettujen antenniryhmien suunnittelussa ja optimoinnissa

Rakennusmateriaalien heijastusmittaukset 28 GHz:n taajuusalueella

Tiivistelmä. Tässä työssä tutkitaan 28 GHz:n signaalin heijastumista kahdeksasta eri rakennusmateriaalista, sekä perehdytään antennien ja sähkömagneettisten aaltojen teoriaan. Tutkittavat rakennusmateriaalit ovat MDF-levy, kattopelti, polykarbonaattilevy, Gyproc-levy, lastulevy, ohut lastulevy, puinen paneeli ja metalliputki. Heijastusta tutkitaan kolmessa eri kulmassa antennien vastaanottamien tehojen avulla. Mittausten avulla materiaaleille määritetään heijastuskertoimet jokaisella eri kulmalla, joilla mittaukset tehtiin. Heijastuskertoimista saadaan tulokseksi MATLAB:illa jokaiselle materiaalille heijastuskertoimen kuvaaja heijastuskulman funktiona. Saadut heijastuskertoimet vaihtelevat arvojen 0,1 ja 0,5 välillä. Laskuissa käytetyissä mittaustuloksissa nähdään kuitenkin virheellistä vaihtelua ja epätarkkuutta, jonka vuoksi työn lopuksi pohditaan mahdollisia syitä mittausten epätarkkuudelle, sekä miten mittausta voitaisiin parantaa luotettavampien tulosten saamiseksi.Reflection measurements of construction materials at the frequency of 28 GHz. Abstract. This thesis studies reflection of a signal at the frequency of 28 GHz from eight different construction materials. Also, the reader is familiarized with the theory related to antennas and electromagnetic waves. The materials being studied are MDF-panel, roofing sheet, polycarbonate panel, chipboard, thin chipboard, wooden panel and metal pipe. The reflection is studied at three different angles by measuring the received power with antennas. The materials’ reflection coefficients are calculated by means of the measurement values at the three angles the measurements were done. As a result, graphs are created in MATLAB for all the materials that show the reflection coefficient as function of the reflection angle. The calculated reflection coefficients vary between values 0.1 and 0.5. Some erroneous variation and inaccuracy can be seen in the measurement results used in the calculations. Therefore, possible reasons for the inaccuracy of the measurements are pondered. In addition, there are some thoughts of how the measurement could be improved in order to get more accurate results

”Väkijuomain tuottama kirous uhkaa vieläkin”:Veljeysseuran raittiustyö amerikansuomalaisissa Raittiuskansan kalentereissa vuosina 1917–1933

Tiivistelmä. Tutkielmani käsittelee amerikansuomalaisen raittiusjärjestön Veljeysseuran julkaisemia Raittiuskansan kalentereita. Tutkimuksessani selvitän, miten Veljeysseura suhtautui omiin onnistumisiinsa ja epäonnistumisiinsa sekä millä tavoilla kirjoittajat suhtautuivat raittiustyön kehittämiseen. Amerikansuomalainen raittiusliike halusi raitistaa yhteiskunnan, joten jäsenet kannattivat alkoholijuomien valmistuksen, kuljetuksen ja myynnin kieltävää kieltolakia. Tämän vuoksi aikarajaus kattaa Yhdysvaltain kansallisen kieltolain voimassaolovuodet 1920–1933. Sisällytän mukaan vuosien 1918–1920 kalenterit, koska Veljeysseuran jäsenistö painottui Yhdysvalloissa erityisesti Michiganin osavaltioon, jossa kieltolaki tuli paikallisesti voimaan jo 1917. Tutkielmani päälähteenä toimivat Veljeysseuran kustantamat Raittiuskansan kalenterit vuosilta 1918–1934. Täydennän päälähdekokonaisuutta Veljeysseuran vuoden 1920 Käsi- ja sääntökirjalla. Tutkimusmenetelmiin kuuluvat historiallinen lähdekritiikki ja laadullinen sisällönanalyysi. Tutkielmassani historiallinen lähdekritiikki pitää huomioida laajemmassa näkökulmassa, jolloin siinä painottuvat kirjoittajien tavoitteiden analysointi. Lisäksi hyödynnän määrällistä analyysiä, koska kvantitatiivisella metodilla voidaan saada luotettavampi ja havainnollistavampi yleiskuva Veljeysseuran aktiivisten kirjoittajien suhtautumistavoista raittiustyön onnistumisiin, epäonnistumisiin sekä raittiustyön kehittämiseen. Vertailen tuloksia myös aiempiin amerikansuomalaisia ja raittiusliikettä koskeviin tutkimuksiin. Raittiuskansan kalentereissa merkittäväksi onnistumiseksi koettiin kansallinen kieltolaki. Kirjoittajat kokivat kieltolain onnistuneen yhteiskunnan raitistamisessa, joten lain toimivuutta puolustettiin eniten raittiuden kautta. Kieltolain koettiin onnistuneen taloudellisesti, sillä sen koettiin tuoneen säästöjä yksilölle ja yhteiskunnalle. Kieltolain toimivuutta puolustettiin myös siirtosuomalaisten kunnian, maineen ja moraalin palauttajana, koska lain ajateltiin kohottavan amerikansuomalaisten kunniaa ja korjaavan amerikansuomalaisten vahingoittuneen siveellisen maineen. Kirjoittajat kokivat Veljeysseuran epäonnistuneen jäsenkadon estämisessä ja siten aktiivisuuden laskussa. Yhdysvaltain kansallisen kieltolain voimaantulon myötä iso osa raittiustyöntekijöistä koki työn tehdyksi ja jätti liikkeen, jättäen näin suuremman vastuun raittiusseurojen työstä jäljelle jääneille jäsenille. Tutkimus osoittaa, että kirjoittajat kokivat järjestönsä epäonnistuneen myös kasvatuksellisessa raittiustyössä. Kasvatuksellinen raittiustyö koettiin epäonnistuneeksi, sillä toisen polven amerikansuomalaiset vieraantuivat raittiusseurojen toiminnasta. Lisäksi kirjoittajat kokivat järjestönsä epäonnistuneen amerikansuomalaisten yhteenliittämisessä, sillä Veljeysseura tavoitteli yhteiskunnan raittiuden lisäksi siirtosuomalaisten yhteenliittymistä. Raittiuskansan kalentereissa raittiustyön kehittämisen teemoja olivat kasvatuksellinen raittiustyö, raittiustyön elvyttäminen, valistuskirjallisuus, poliittinen aktiivisuus sekä tieteellinen raittiustyö. Kasvatuksellista raittiustyötä lasten ja nuorten parissa pyrittiin kehittämään toivonliittojen ja kotiopintojen kautta. Raittiustyötä pyrittiin elvyttämään raittiuspuhujien avulla, jotka kiersivät Yhdysvalloissa suomalaispaikkakunnilla auttamassa paikallisia raittiustoimijoita aktivoimaan raittiustoimintaa. Raittiustyötä pyrittiin kehittämään myös valistuskirjallisuuden avulla, sillä kirjallisuuden avulla alkoholin haittavaikutusten levittäminen kansan tietouteen oli helppoa ja tehokasta. Lukijoita kannustettiin myös poliittiseen aktiivisuuteen, sillä lukijoita kehotettiin vaikuttamaan kieltolaki äänestyksiin kirjeiden sekä äänestämisen avulla. Lisäksi raittiustyötä kehitettiin lisäämällä tieteellistä raittiustyötä, sillä raittiusasian oikeuttaminen tosiasioiden pohjalta toi raittiustyölle uskottavuutta

Effect of pyrazole, cobalt and phenobarbital on mouse liver cytochrome P-450 2a-4/5 (Cyp2a-4/5) expression.

Pyrazole, cobalt and phenobarbital increase the activity of coumarin 7-hydroxylase (COH) in mouse liver. To study the mechanism of this increase, we measured the expression of the cytochrome P-450 2a-4/5 (Cyp2a-4/5) complex, which mediates testosterone 15 alpha-hydroxylase and COH activities, as a function of dose and time after the treatment of C57BL/6 (B6) and DBA/2 (D2) male mice with the inducers. COH activity and Cyp2a-4/5 steady-state mRNA levels were increased in both strains in response to the inducers. No marked effect occurred with testosterone 15 alpha-hydroxylase or activities associated with Cyp1a-1 or Cyp2e-1. A 2-7-fold increase in response to the inducers was seen in the amount of P-450Coh (cytochrome P-450 isoenzyme catalysing coumarin 7-hydroxylation) protein in Western immunoblots. PCR amplification of a 1 kb region in Cyp2a-4/5-mRNA-derived cDNA, followed by cutting at the diagnostic PstI site, showed that most of the steady-state mRNA consisted of Cyp2a-5, which is also the form most affected by pyrazole. Nuclear run-off analysis revealed no increase in the transcription rate of Cyp2a-4/5 after pyrazole or cobalt treatment, whereas a 2-3-fold increase occurred after phenobarbital pretreatment in B6 mice. Together with previous reports [Aida & Negishi (1991) Biochemistry 30, 8041-8045], the current data suggest that both pyrazole and cobalt increase COH catalytic activity by affecting Cyp2a-5 by post-transcriptional mechanisms in mice

Tissue and sex-dependent differences in CYP2A activities in hamsters

Three enzymatic activities of the CYP2A subfamily, coumarin 7-hydroxylase (COH), testosterone 15α-hydroxylase (T15αOH) and testosterone 7α-hydroxylase (T7αOH), were characterized in liver, kidney and lung microsomes from control, pyrazole (PYR), 3-methylcholanthrene (MC) and phenobarbital (PB) treated female and male Syrian golden hamsters. Sex-dependent changes in the enzymatic activities were found. Among control animals COH and T15αOH activities were higher in males. T7αOH activity was five times higher in female kidneys than in males. Inducers changed this metabolic profile. MC and PB were potent CYP2A inducers in extrahepatic tissues: significant increases were found in COH (5-fold) and T15αOH (12-fold) activities in female MC lung microsomes and T7αOH (7-fold) in MC male kidney microsomes. PB increased significantly activities of COH (5-fold), T15αOH (3-fold) and T7αOH (10-fold) in male kidney microsomes. All inducers significantly increased T7αOH activity in male kidney microsomes but decreased hepatic T7αOH activity in both sexes. PYR treatment decreased hepatic CYP2A activities. Anti-mouse CYP2A4/5 antibody inhibited COH activity by a variable extent depending on the tissue and pretreatment and recognised three 52-, 49-, 48-kDa bands in liver and two major bands in kidney (48 and 49 kDa) and lung (49 and 52 kDa) microsomes. COH and T15αOH activities correlated well with 49 kDa protein (r = 0.95 and r = 0.99, respectively) in lung microsomes. These results suggest that i) the inducibility and immunological characteristics of CYP2A activities in hamster tissues are clearly different compared with those found in mouse, ii) MC and PB are potent CYP2A inducers in extrahepatic tissues of hamsters, and iii) that extrahepatic CYP2A activities exhibit remarkable tissue- and sex-dependent differences in their response to chemical inducers

The role of CYP2A5 in liver injury and fibrosis: chemical-specific difference

Liver injuries induced by carbon tetrachloride (CCL4) or thioacetamide (TAA) are dependent on cytochrome P450 2E1 (CYP2E1). CYP2A5 can be induced by TAA but not by CCL4. In this study, liver injury including fibrosis induced by CCL4 or TAA were investigated in wild type (WT) mice and CYP2A5 knockout (cyp2a5(−/−)) mice as well as in CYP2E1 knockout (cyp2e1(−/−)) mice as a comparison. Acute and sub-chronic liver injuries including fibrosis were induced by CCL4 and TAA in WT mice but not in cyp2e1(−/−) mice, confirming the indispensable role of CYP2E1 in CCL4 and TAA hepatotoxicity. WT mice and cyp2a5(−/−) mice developed comparable acute liver injury induced by a single injection of CCL4 as well as sub-chronic liver injury including fibrosis induced by one month of repeated administration of CCL4, suggesting that CYP2A5 does not affect CCL4-induced liver injury and fibrosis. However, while 200 mg/kg TAA-induced acute liver injury was comparable in WT mice and cyp2a5(−/−) mice, 75 and 100 mg/kg TAA-induced liver injury were more severe in cyp2a5(−/−) mice than those found in WT mice. After multiple injections with 200 mg/kg TAA for one month, while sub-chronic liver injury as indicated by serum aminotransferases was comparable in WT mice and cyp2a5(−/−) mice, liver fibrosis was more severe in cyp2a5(−/−) mice than that found in WT mice. These results suggest that while both CCL4- and TAA-induced liver injuries and fibrosis are CYP2E1 dependent, under some conditions, CYP2A5 may protect against TAA-induced liver injury and fibrosis, but it doesn’t affect CCL4 hepatotoxicity