Метод FD-TD в настоящее время стал инженерным и представлен большим количеством коммерческих и свободно распространяемых программ. Среди них наиболее известными являются: XFDTD, Empire, APLAC. Различие пакетов связано в основном с пользовательским интерфейсом и возможностями построцессорной обработки результатов.
Назначение и возможности пакета XFDTD
Рассмотрим основные возможности пакета XFDTD 6.0 и особенности его использования при расчете электродинамических параметров пассивных микроволновых устройств. Пакет разработан американской фирмой Rencom.
Пакет XFDTD предназначен для моделирования электромагнитных процессов и систем. Он позволяет рассчитывать пространственно-временное распределение электромагнитных полей в трехмерной области, материальные параметры которой могут быть произвольными функциями координат. По найденному распределению полей могут быть рассчитаны разнообразные электромагнитные характеристики: диаграммы направленности и диаграммы рассеяния, S-параметры, энергетические характеристики поглощения электромагнитного поля в средах с поглощением и т.д.
Пакет обладает развитым графическим интерфейсом, обеспечивающим сопровождение всех этапов вычислительного эксперимента и апостериорной обработки его результатов.
Структурная организация пакета отражает алгоритмические особенности метода конечных разностей во временной области. В состав пакета входит трехмерный графический редактор, предназначенный для создания геометрии моделей исследуемых устройств. Пакет позволяет импортировать геометрические модели, созданные в среде других систем автоматизированного проектирования.
Использование пакета предполагает проведение следующих основных этапов:
- формирование геометрии объектов и систем;
- задание материальных параметров;
- задание источников возбуждения электромагнитных полей;
- проведение расчетов, включающих, при необходимости, несколько циклов для обеспечения сходимости результатов;
- проведение апостериорного анализа;
- генерация отчета по результатам вычислительного эксперимента.
Для обеспечения
вычислительной устойчивости размеры пространственных сеток не должны превышать 
в среде.
Технология работы с пакетом XFDTD
Рассмотрим технологию использования пакета XFDTD на примере расчета электродинамических характеристик антенны в виде полуволнового вибратора.
Этап формирования геометрической модели вибратора представлен на рисунке 1.
Рис.1. Формирование геометрии вибратора.
Далее задаются параметры материала, из которого изготовлен вибратор.
Рис. 2. Задание материальных параметров.
Электромагнитные поля рассчитываются в пространственной области, имеющей форму параллелепипеда. Область моделирования дискретизируется на пространственные сетки, как показано на рис. 3.
Рис. 3. Формирование пространственных сеток.
Задание источников возбуждения представлено на рис. 4,5.
Рис. 4. Параметры возбуждающего вибратор сосредоточенного источника.
Рис. 5. Положение источника возбуждения.
Задание временной зависимости источника, показано на рисунке 6.
Рис. 6. Задание временной зависимости источника.
Задание состава данных, которые должны быть рассчитаны в рамках вычислительного эксперимента представлено на рисунке 7.
Рис. 7. Задание состава расчетных данных.
Проведение вычислительного эксперимента, в рамках которого осуществляется расчет электромагнитных полей в пространственной области в течение заданного временного интервала.
Рис. 8. Окно, отображающее процесс вычислений.
После окончания расчета электромагнитных полей задаются сечения, в которых необходимо отобразить их распределение.
Рис. 9. Временные интервалы и сечения для вывода полей.
Далее осуществляется визуализация полей в ближней зоне (рисунок 10) и расчет диаграммы направленности в дальней зоне (рисунок 11).
Рис. 10. Распределение поля в ближней зоне.
Рис. 11. Полярная диаграмма усиления антенны.
Задание и порядок выполнения работы
1. Ознакомится с основными положениями метода конечных разностей во временной области.
2. Ознакомиться с возможностями пакета XFDTD 6.0.
3. Освоить технологию работы с пакетом на примере расчета электродинамических характеристик тонкопроволочной антенны.
4. Численно решить следующие электродинамические задачи:
- решить задачу дифракции плоской электромагнитной волны на диэлектрическом цилиндре;
- исследовать излучение модели сотового телефона в присутствии модели головы абонента.
1. Цель работы.
2. Результаты вычислительных экспериментов.
3. Выводы по работе.
Контрольные вопросы
1. Назначение пакета XFDTD.
2. Технология работы с пакетом XFDTD.
3. Особенности решения внутренних и внешних задач прикладной электродинамики в среде пакета XFDTD.
4. Факторы, влияющие на точность и вычислительную эффективность метода конечных разностей во временной области.
1. Kane S. Yee. Numerical Solution of Initial Boundary Value Problems Involving Maxwell’s Equations in Isotropic Media IEEE Trans. on AP-14, 1966, No.3, pp. 302-307
2. "Fast Two-Dimensional Diffraction Modeling for Site Specific Propagation Prediction in Urban Microcellular Environments" by W. Zhang, IEEE Transactions on Vehicular Technology, March 2000.
3. Электродинамическое моделирование методом конечных разностей во временной области (FDTD)/ под ред. В.Н. Малышева. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2000, 76 стр.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.