Числова ефективність методів FEM та FDTD при моделюванні хвилевідних поляризаторів
DOI:
https://doi.org/10.20535/RADAP.2021.84.11-21Ключові слова:
FDTD, FEM, FIT, збіжність, мікрохвильові пристрої , хвилевідний поляризатор, поляризатор із діафрагмами, супутникові інформаційні системи , диференційний фазовий зсув , кросполяризаційна розв’язкаАнотація
Сьогодні для чисельного моделювання процесів поширення електромагнітних хвиль у різних пристроях НВЧ та антенних системах у часовій області найбільш часто використовують метод скінченних різниць, а в частотній області застосовують метод скінченних елементів. Отже, порівняння цих ефективних сучасних методів розрахунку є актуальною задачею. У наш час існує велика кількість різновидів цих чисельних методів, які мають свої переваги та недоліки. У статті представлені результати аналізу та порівняння цих двох методів на прикладі моделювання електромагнітних характеристик поляризатора на основі квадратного хвилеводу з п’ятьма діафрагмами. У результаті було отримано, що збіжність коефіцієнта стійної хвилі за напругою для розробленого поляризатора є швидкою для обох методів. Крім того, було отримано, що збіжність характеристик диференціального фазового зсуву, коефіцієнта еліптичності та кросполяризаційної розв’язки розробленого мікрохвильового пристрою виявилися значно більш чутливими до кількості комірок сітки. Цю кількість було отримано шляхом ділення внутрішнього об’єму структури пристрою на комірки сітки. При застосуванні методу скінченних елементів у частотній області із необхідною точністю розрахунку поляризаційних характеристик розробленого хвилеводного поляризатора на діафрагмах, рівною 0,2 дБ, було встановлено, що на весь об’єм конструкції поляризатора необхідно використовувати не менше 120 000 комірок адаптивної тетрагональної сітки. При застосуванні методу скінченних різниць у часовій області з необхідною точністю розрахунку поляризаційних характеристик розробленого хвилеводного поляризатора на діафрагмах, рівною 0,2 дБ, було встановлено, що на весь об’єм структури поляризатора необхідно використовувати не менше 1 200 000 комірок гексагональної сітки. Крім того, у статті встановлено, що час розрахунків методом скінченних різниць у часовій області більш ніж у 2 рази триваліший, ніж відповідний час, необхідний для розрахунку методом скінченних елементів у частотній області. При цьому відповідна кількість комірок гексагональної сітки в методі скінченних різниць у часовій області в 10 разів більша, ніж кількість комірок тетрагональної сітки в методі скінченних елементів у частотній області.
Посилання
References
Virone G., Tascone R., Peverinin O. A., Addamo G., Orta R. (2008). Combined-phase-shift waveguide polarizer. IEEE Microwave and Wireless Comp. Letters, Vol. 18, Iss. 8, pp. 509–511. DOI:10.1109/LMWC.2008.2001005.
Yang D.-Y., Lee M.-S. (2012). Analysis and Design of Waveguide Iris Polarizers for Rotation of Polarization Plane. Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Societly, Vol. 13, no. 7, pp. 3201-3206. DOI: 10.5762/KAIS.13.7.3201.
Dubrovka F. F., Piltyay S. I. (2013). A novel wideband coaxial polarizer. 2013 IX International Conference on Antenna Theory and Techniques, Odessa, Ukraine, pp. 473–474. DOI:10.1109/ICATT.2013.6650816.
Piltyay S. I. (2017). High performance extended C-band 3.4-4.8 GHz dual circular polarization feed system. 2017 XI International Conference on Antenna Theory and Techniques, Kyiv, Ukraine, pp. 284–287. DOI:10.1109/ICATT.2017.7972644.
Piltyay S. I., Sushko O. Yu., Bulashenko A. V. and Demchenko I. V. (2020). Compact Ku-band iris polarizers for satellite telecommunication systems. Telecommunications and Radio Engineering, Vol. 79, Iss.19, pp. 1673–1690. DOI:10.1615/TelecomRadEng.v79.i19.10.
Piltyay S.I., Bulashenko A.V., Demchenko I.V. (2020). Waveguide iris polarizers for Ku-band satellite antenna feeds. Journal of Nano- and Electronic Physics, Vol. 12, Iss. 5, pp. 05024-1–05024-5. DOI: 10.21272/jnep.12(5).05024.
Bulashenko A.V., Piltyay S. I. and Demchenko I. V. (2020). Optimization of a polarizer based on a square waveguide with irises. Naukoiemni tekhnolohii [Science-Based Technologies], Vol. 47, Iss. 3. pp. 287–297. [In Ukrainian]. DOI:10.18372/2310-5461.47.14878.
Wang X., Huang X. and Jin X. (2016). Novel square/rectangle waveguide septum polarizer. 2016 IEEE International Conference on Ubiquitous Wireless Broadband (ICUWB), Nanjing, China, p. 725-726. DOI:10.1109/ICUWB.2016.7790510.
Nikolic N., Weily A., Kekic I., Smith S. L. and Smart K. W. (2018). A septum polarizer with integrted square to circular tapered waveguide. 2018 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting, Boston, USA, p. 725-726. DOI:10.1109/APUSNCURSINRSM.2018.8608909.
Deutschmann B. and Jacob A. F. (2020). Broadband septum polarizer with triangular common port. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 68, Iss. 2, pp. 693-700. DOI:10.1109/TMTT.2019.2951138.
Dubrovka F., Piltyay S., Sushko O., Dubrovka R., Lytvyn M. and Lytvyn S. (2020). Compact X-band stepped-thickness septum polarizer. IEEE Ukrainian Microwave Week, Kharkiv, Ukraine, pp. 135–138. DOI:10.1109/UkrMW49653.2020.9252583.
Dubrovka F., Martunyuk S., et al. (2020). Circularly Polarised X-band H11- and H21-modes Antenna Feed for Monopulse Autotracking Ground Station: Invited Paper. IEEE Ukrainian Microwave Week, Kharkiv, Ukraine, pp. 196–202. DOI:10.1109/UkrMW49653.2020.9252600.
Cano J. L. and Mediavilla A. (2020). Broadband septum polarizer with triangular common port. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, early access, pp. 1-10. DOI:10.1109/TMTT.2020.3030639.
Mohseni S. H., Kashani F. H. and Fallah M. (2010). A New Profile for Metal Post Circular Waveguide Polarizer. Progress in Electromagnetics Research Symposium Proceedings, Cambridge, USA, pp. 703-705.
Chittora A. and Yadav S. V. (2020). A Compact Circular Waveguide Polarizer with Higher Order Mode Excitation. IEEE International Conference on Electronics, Computing and Communication Technologies, Bangalore, India, pp. 1-4. DOI:10.1109/CONECCT50063.2020.9198499.
Zubko L. D., Кryzhanovsky V. G. and Rassokhina Yu. V. (1997). Analiz poljarizatora na nereguljarnom G-volnovode [Analysis of a polarizer based on an irregular Г-shaped waveguide]. Radio Engineering and electronics, Vol.42, Iss. 8, pp. 904-909. [In Russian].
Manshari S., Koziel S. and L. Leifsson (2020). Compact Dual-Polarized Corrugated Horn Antenna for Satellite Communication. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 68, Iss. 7, pp. 5122–5129. DOI:10.1109/TAP.2020.2980337.
Dubrovka F. F. and Piltyay S. I. (2017). Novel high performance coherent dual-wideband orthomode transducer for coaxial horn feeds. 2017 XI International Conference on Antenna Theory and Techniques (ICATT), Kyiv, Ukraine, pp. 277–280. DOI:10.1109/ICATT.2017.7972642.
Jazani G. and Pirhadi A. (2018). Design of dual-polariswd (RHCP/LHCP) quad-ridged horn antenna with wideband septum polarizer waveguide feed. IET Microwaves, Antennas & Propagations, Vol. 12, Iss.9, pp. 1541–1545. DOI:10.1049/iet-map.2017.0611.
Piltyay S. I. (2014). Enhanced C-band Coaxial Orthomode Transducer. Visnyk NTUU KPI Seriia – Radiotekhnika, Radioaparatobuduvannia, Vol. 58, pp. 27–34. DOI:10.20535/RADAP.2014.58.27-34.
Piltyay S. I. (2012) Numerically effective basis functions in integral equation technique for sectoral coaxial ridged waveguides, 2012 International Conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory, Kharkiv, Ukraine, pp. 492–495. DOI: 10.1109/MMET.2012.6331195.
Dubrovka F. F. and Piltyay S. I. (2013). Eigenmodes analysis of sectoral coaxial ridged waveguides by transverse field-matching technique. Part 2. Results. Visnyk NTUU KPI Seriia – Radiotekhnika, Radioaparatobuduvannia, Vol. 55, pp. 13–23. DOI: 10.20535/RADAP.2013.55.13-23.
Zhao C., Fumeaux C. (2019). Mode-Matching Analysis of Phase Shifter in Substrate-Integrated Waveguide Technology. 2019 IEEE International Conference on Computational Electromagnetics (ICCEM), Shanghai, China. DOI: 10.1109/COMPEM.2019.8779223.
Yang Y.-M., Yuan C.-W., Cheng G.-X., Qian B.-L. (2015). Ku-band Rectangular Waveguide Wide Side Dimension Adjustable Phase Shifter. IEEE Trnsactions on Plasma Science, Vol. 43, Iss. 5, pp. 1666–1669. DOI: 10.1109/TPS.2014.2370074.
Zhang Q., Yan C., Liu L. (2016). Studies on mechanical tunable waveguide phase shifters for phased-array antenna applications. IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology (PAST), Waltham, USA. DOI: 10.1109/TPS.2016.7832555.
Al-Amoodi K., Mirzavand R., Honari M. M., Melzer J., Elliott D. G, Mousavi P. (2020). A Compact Substrate Integrated Waveguide Notched-Septum Polarizer for 5G Mobile Devices. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 19, Iss. 12, pp. 2517–2521. DOI: 10.1109/LAWP.2020.3038404.
Bulashenko A. V. (2020) Evaluation of D2D Communications in 5G networks. Visnyk NTUU KPI Seriia – Radiotekhnika, Radioaparatobuduvannia, Vol. 81, pp. 21–29. [In Ukrainian]. DOI: 10.20535/RADAP.2020.81.21-29.
Bulashenko A. V., Piltyay S. I. (2020). Equivalent Microwave Circuit Technique for Waveguide Iris Polarizers Development. Visnyk NTUU KPI Seriia – Radiotekhnika, Radioaparatobuduvannia, Vol. 83, pp. 17–28, DOI: 10.20535/RADAP.2020.83.17-28.
Piltyay S. I., Bulashenko A. V., Demchenko I. V. (2020). Compact polarizers for satellite information systems. Proceedings of IEEE International Conference on Problems of Infocommunications. Science and Technology, Kharkiv, Ukraine.
Bulashenko A. V., Piltyay S. I., Demchenko I. V. (2020). Analytical technique for iris polarizers development. Proceedings of IEEE International Conference on Problems of Infocommunications. Science and Technology, Kharkiv, Ukraine.
Piltyay S.I., Bulashenko A.V., Demchenko I.V. (2020). Analytical synthesis of waveguide iris polarizers. Telecommunications and Radio Engineering, Vol. 79, Iss. 18, pp. 1579–1597. DOI: 10.1615/TelecomRadEng.v79.i18.10.
Zhu B., Chen J., Zhong W. (2011). A hybrid finite-element/finite-difference method with implicit-explicit time stepping scheme for Maxwell’s equations. IEEE International Conference on Microwave Technology and Computational Electromagnetics (ICMTCE), Beijing, China, pp. 481–484. DOI: 10.1109/ICMTCE.2011.5915564.
Classen C., Bandlow B. and Schuhmann R. (2012). Local Approximation Based Material Averaging Approach in the Finite Integration Technique*. IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 48, Iss. 6, pp. 2097-2100, June 2012, doi: 10.1109/TMAG.2012.2197131.
Šekeljić N. J., Ilić M. M. and Notaroš B. M. (2013). Higher Order Time-Domain Finite-Element Method for Microwave Device Modeling with Generalized Hexahedral Elements. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 61, No. 4, pp. 1425–1434. DOI: 10.1109/TMTT.2013.2246186.
Marechal Y., Ramdane B. and Botelho D. P. (2014). Computational Performances of Natural Element and Finite Element Methods. IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 50, Iss. 2. DOI: 10.1109/TMAG.2013.2285259.
Sakata T., Mifune T., Matsuo T. (2016). Optimal subgrid connection for space-time finite integration technique. IEEE Conference on Electromagnetic Field Computation. DOI: 10.1109/CEFC.2016.7816159.
Sakata Y., Mifune T., Matsuo T. (2017). Optimal Subgrid Connection for Space-Time Finite Integration Technique. IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 53, Iss. 6. DOI: 10.1109/TMAG.2017.2655626.
Liu N., Cai G., Zhu C., Huang Y., Liu Q. H. (2015). The Mixed Finite Element Method With Mass Lumping for Computing Optical Waveguide Modes. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 22, Iss. 2. DOI: 10.1109/JSTQE.2015.2473689.
Sun Q., Zhang R., Zhan Q., Liu Q. H. (2019). 3-D Implicit–Explicit Hybrid Finite Difference/Spectral Element/Finite Element Time Domain Method Without a Buffer Zone. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 67, Iss. 8, pp. 5469–5476. DOI: 10.1109/TAP.2019.2913740.
Xu J. and Xie G. (2019). A Novel Hybrid Method of Spatially Filtered FDTD and Subgridding Technique. IEEE Access, Vol. 7, pp. 85622–85626. DOI: 10.1109/ACCESS.2019.2925835.
Kazemzadeh M., Xu W., Broderick N. G. R. (2020). Faster and More Accurate Time Domain Electromagnetic Simulation Using Space Transformation. IEEE Photonics Journal, Vol. 12, Iss. 4, pp. 1–13. DOI: 10.1109/JPHOT.2020.3005704.
Kazemzadeh M. R., Broderick N. G. R., Xu W. (2020). Novel Time-Domain Electromagnetic Simulation Using Triangular Meshes by Applying Space Curvature. IEEE Open Journal on Antennas and Propagation, Vol. 1, pp. 387–395. DOI: 10.1109/OJAP.2020.3011920.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2021 А. В. Булашенко
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у нашому журналі.
2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована нашим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у нашому журналі.
3. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення рукопису роботи авторами в мережі Інтернет (наприклад, на arXiv.org або на особистих веб-сайтах). Причому рукописи статей можуть бути розміщенні у відкритих архівах як до подання рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання. Це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії, позитивно позначається на оперативності ознайомлення наукової спільноти з результатами Ваших досліджень і як наслідок на динаміці цитування вже опублікованої у журналі роботи. Детальніше про це: The Effect of Open Access.
