CC BY
115
УДК: 623.541
МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ В XFDTD
Игорь Владиленович Минин
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-45, e-mail: prof.minin@gmail.com
Олег Владиленович Минин
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, заведующий кафедрой метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-45, e-mail: kaf.metrol@ssga.ru
Рассмотрены особенности проведения вычислительных экспериментов на программном комплексе Remcom XFDTD v6.0. Приведено описание разработанной программы.
Ключевые слова: вычислительный эксперимент, Remcom XFDTD v6.0.
SIMULATION TECHNIQUE IN XFDTD
Igor V. Minin
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., doctor of technical sciences, professor of the department of metrology and optical technology, tel. (383)361-07-45, e-mail: prof.minin@gmail.com
Oleg V. Minin
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., doctor of technical sciences, head of a department of metrology and optical technology, tel. (383)361-07-45, e-mail: kaf.metrol@ssga.ru
The computational experiments based on software Remcom XFDTD v6.0 are discussed. The descriptions of the developed software are described.
Key words: computational experiments, Remcom XFDTD v6.0.
Для проведения вычислительных экспериментов нами была выбрана программа Remcom XFDTD v6.0, являясь доступной и позволяющей решать необходимые задачи [1,2]. Моделирование в XFDTD начинается с черчения исследуемой конструкции. Далее выполняется выбор размеров ячеек, расчетных границ и выполняется разбивка расчетной области на ячейки (рис. 1, 2). После того, как пользователь задал структуру в виде набора объектов, XFDTD автоматически замыкает объекты контуром, чтобы создать определенную трехмерную координатную сетку. В программе используются граничные условия Liao и PLM, которые дают поглощение на границах области анализа, близкое к идеальному. Затем задается источник возбуждения: точечный или в виде плоской электромагнитной волны [3].
Рис. 1. Окно конструирования исследуемой структуры программы ХРБТБ
Рис. 2. Окно дискретизации исследуемой структуры программы ХРБТБ
После чего пользователь может запустить моделирование, в ходе которого рассчитывается прохождение излучения через все пути распространения электромагнитных волн в геометрической структуре. Когда моделирование выполнено, пользователь может вывести на графики результаты моделирования. Постобработка включает расчет и вывод графиков 8-параметров, отображение сигнала во временной области (рис. 3), вывод анимированных цветных картин ближнего поля (рис. 4), сечений диаграммы направленности (рис. 5) и т.д.
Рис. 3. Изображение с игнала во временной области
Рис. 4. Картина электрической напряженности поля в ближней зоне
Рис. 5. Сечение
диаграммы направленности
Хотя программа ХРБТБ является одной из наиболее эффективных современных систем в классе трехмерного электродинамического моделирования и проектирования различных СВЧ устройств во временной области, при ее эксплуатации были выявлены следующие недостатки:
а) отсутствие возможности выводить электрическую и магнитную напряженность полей в двухмерном виде;
б) отсутствие возможности производить расчет модуля вектора Умова-Пойнтинга, как в определенной точке, так и по всему расчетному пространству в целом;
в) отсутствие автоматизированного инструмента для замера геометрического размера фокального пятна и уровней побочных дифракционных максимумов.
Для устранения недостатков был разработан и реализован новый программный продукт 2DFV for XFDTD6.0.
Разработка программного продукта. Разработка продукта осуществлялась в среде С++ Builder, как одной из самых популярных и эффективных сред для создания приложений под операционные системы семейства Windows. Программа позволит выводить электрическую и магнитную напряженности поля в двумерном виде, а также производить расчет модуля вектора Умова-Пойнтинга с последующим их выводом. В качестве исходных данных используются файлы (результаты) промоделированного проекта XFDTD.
Описание файлов выходных XFDTD данных, используемых разработанной программой.
1. Файл Transient Field (*.fld)
Используется для хранения данных напряженности электрического и магнитного поля, а также плотности тока (для проводящих поверхностей) в различные моменты времени. Структура Transient Field файла (exam-ple.xz170.t900.fld) приведена ниже: t
900 900 3 169 0 337 339 319 1.203646e+000
6.250000e-004 6.250000e-004 6.250000e-004 6.254645e-003 -7.323638e-001 3.150838e-003 2.154524e-003 7.518719e-007 1.559084e-004 0.000000e+000 0.000000e+000 0.000000e+000 7.422960e-003 -9.589015e-001 5.104537e-003 1.992173e-003 -5.556415e-007 1.616677e-004 0.000000e+000 0.000000e+000 0.000000e+000
Описание заголовка вышеизложенного Transient Field файла (*.fld) приведено в табл. 1.
За заголовком файла для каждой ячейки слоя следует девять вещественных чисел, включающих проекции напряженности электрического поля, проекции напряженности магнитного поля и проекции плотности тока на оси декартовой системы координат (ДСК) соответственно. Значения величин приведены в единицах СИ.
Таблица 1
Заголовок Transient Field файла (*.fld)
t Означает, что файл содержит данные по всему полю.
80 1200 3 18 0 Номер временного интервала, общее количество временных интервалов, ориентация слоя (1 - ху, 2 - у7, 3 -xz), номер слоя (всегда на единицу меньше, чем в XFDTD проекте), тип сетки (0 - основная сетка, 1 - подсетка 1, 2 - подсетка 2 и т.д.).
337 339 319 Размер расчетного пространства в ячейках.
1.203646e+000 Временной интервал (пс).
6.25e-04 6.25e-04 6.25e-04 Геометрические размеры ячейки (м).
2. Файл CEF (*.cef)
Используется для хранения данных о средней напряженности электрического поля, как по проекциям на оси ДСК, так и суммарное их значение в каждой ячейке слоя. Структура CEF файла (example.xz170.cef) имеет вид: 1
900
3 169 0 337 339 319
6.250000e-004 6.250000e-004 6.250000e-004 9.072421e-003 9.999968e-001 9.365984e-003 1.000082e+000 1.000138e-002 1.060330e+000 8.630897e-003 1.060413e+000 1.082979e-002 9.916839e-001 7.949954e-003 9.917749e-001 Описание заголовка вышеизложенного CEF файла (*.cef) приведено в табл.2.
Таблица 2
Заголовок CEF файла (*.cef)
1 Означает, что файл содержит усредненные во времени данные.
900 Общее количество временных интервалов.
3 169 0 Ориентация слоя (1 - ху, 2 - у7, 3 - xz), номер слоя (всегда на единицу меньше, чем в XFDTD проекте), тип сетки (0=основная сетка, 1 - подсетка 1, 2 - подсетка 2 и т.д.).
337 339 319 Размер расчетного пространства в ячейках.
6.25e-04 6.25e-04 6.25e-04 Геометрические размеры ячейки (м).
За заголовком файла для каждой ячейки слоя следует четыре вещественных числа, включающих проекции средней напряженности электрического поля на ДСК и суммарное их значение соответственно. Значения величин приведены в единицах СИ.
3. Файл BFD (*.bfd)
Используется для хранения данных о средней напряженности магнитного поля, как по проекциям на оси ДСК, так и суммарное их значение в каждой ячейке слоя. Структура (заголовок, данные) BFD файла подобна структуре CEF файла, за исключением того, что вместо электрической напряженности приводится магнитная. Значения величин приведены в единицах СИ.
Описание разработанной программы. Блок-схема разработанной программы представлена на рис. 6.
Рис. 6. Блок-схема разрабатываемой программы 2DFV for XFDTD6.0
Приведем описание каждого из блоков (рис. 6) алгоритма программы. Блок 1. Выбор выходного ХБОТЭ файла для последующей обработки данных. Используется диалоговое окно открытия файла (рис. 7).
Рис. 7. API диалог открытия файла
30
Блок 2. Определение типа данных файла (Transient Field, CEF, BFD). Загрузка заголовка файла в оперативную память ЭВМ.
Блок 3. Вывод файла и его заголовка (в единицах СИ) на экран (рис. 8.).
1000 3 169 0 337 333 313
6.250000е-004 6.250000е-004 6.250000е-004 5.066279е-003 1,000002е+000 5.628411 е-003 1.000030е+000 5.264267е-003 1,320787е+000 5.549060е-003 1.320809е+000 5.374109е-003 1,286689е+000 5.573092е-003 1.28671 Зе+000 5.382130е-003 1.231341 е+000 5.675230е-003 1.231366е+000
Slice direction: XZ
Slice number: 170
Type of grid: Maingrid
Timestep number: Oof 1000
Dimensions of the slice in cells: 337x319 (107503)
Dimensions of the slice in mm: 210,6x188,4
Dimensions of the cell in mm: 0xG25x0xG25
Рис. 8. Поля вывода параметров проекта XFDTD
Блок 4. Загрузка данных (напряженности или плотности поля) из файла в оперативную память. Определение координат точки максимума напряженности (плотности тока) на загруженном слое, вывод координат точки максимума на экран.
Блок 5. Выбор типа выходных данных, используя поля ввода данных программы (рис. 9).
Show (Transient Field Files) |î Ен С Hx Г JK (" Eli Г Ну Г Jy
С Ez Г Hz Г Jz
Show (Steady State CEF or BFD files] Г EFM\BFD\Sx
Г EFM\BFD\Sy if EFM\BFD\Stotal Г EFM\BFDVSz
Plane ürintation rr OX an
Г 0Y an Г OZa*
Slice [1 to 31S]
-1
Middle Slice Slice through Мак
Horizontal Axis (units)
C Cells C Milimeteis (* Norm Values Norm to (wavelength] [To .mm
Horizontal Axis [zero position)
r from Left to Right
C* from MaxValue to the Edges
To the left: 163 To the right: 168
|100
|100
Chart properties
White backround W Graph in dB
MinValue -30
I Close Additional inform G M ax: 10,37V/m G M ax: 20,31 dB Cell: 163x261
Pointing vector calculating
Enable Load File fonltf bid tin Pointing Vectgi calculating! . File Name [bid]:
Рис. 9. Поля ввода и выбора типа выходных данных
Поле Show (Transient Field Files) - вывод соответствующей проекции напряженности электрического, магнитного поля или плотности тока. Активно только при загрузке Transient Field файла.
Поле Show (Steady State CEF or BFD files) - вывод соответствующей проекции средней напряженности электрического, магнитного поля или вектора Умова-Пойнтинга. Активно только при загрузке CEF или BFD файла.
Поле Plane Orientation - Выбор направления и положения требуемого двухмерного разреза загруженного слоя. OX axis - разрез вдоль оси OX, OY axis - разрез вдоль оси OY, OZ axis - разрез вдоль оси OZ.
Slice - порядковый номер выводимого слоя (в скобках указывается максимально возможный номер, исходя из загруженных параметров проекта).
Поле Horizontal Axis (units) - выбор единиц измерения откладываемых на горизонтальной оси координат графика.
Cells - ячейки,
Millimeters - миллиметры,
Norm Values - нормированные величины (нормировочная величина задается в поле Norm to (wavelength)).
Поле Horizontal Axis (zero position) - установка начала координат на двухмерном графике и диапазона значений оси абсцисс.
Поле Additional Inform - поле вывода значения максимальной напряженности поля (плотности тока) в единицах СИ (дБ, В/м), а также вывод координат ячейки точки максимума.
Поле Chart Properties - поле свойств выводимого графика.
White background - белый фон графика.
Graph in dB - ось ординат в децибелах.
Поле Vertical Axis - поле свойств оси ординат.
MinValue - минимальное значение выводимой величины по оси ординат графика.
Поле Pointing Vector Calculating - расчет проекций и модуля вектора Умо-ва-Пойнтинга.
Enable - выполнять расчет.
Load File - вызов диалогового окна открытия файла для загрузки файла данных усредненной во времени напряженности магнитного поля (BFD файл) для расчета вектора Умова-Пойнтинга поля.
Блок 6 и 7. Загрузка XFDTD файла средней напряженности магнитного поля (BFD файл), необходимый для расчета модуля вектора Умова-Пойнтинга. Предполагается, что XFDTD файл средней напряженности электрического поля (Steady State CEF file), также необходимый для расчета энергии, уже загружен (Блок 1). Загрузка файлов производится через API диалог (Рис. 7).
Блок 8. Догрузка в оперативную память данных (средняя напряженность магнитного поля) из BFD файла (Блок 7), расчет поля. Расчет модуля вектора Умова-Пойнтинга поля в каждой из ячеек слоя производится по известным проекциям на оси ДСК электрической и магнитной напряженности электромагнитного поля. Расчет значений векторов Умова-Пойнтинга выполняется по формуле [4]:
S = ~txH~=~^yHt-EtHyl+ttHx-ExH~2+ 1ну - ЕуНх Г, (1) 4Я" 4Я"
где Ex, Ey, Ez - проекции на оси ДСК напряженности электрического поля (В/м); Hx, Hy, Hz - проекции на оси ДСК напряженности магнитного поля (А/м); с - скорость света (м/с).
Таким образом, проекции вектора Умова-Пойнтинга на координатные оси вычисляются:
На ось X - sx = — • I:гн, -е,нг
X 4л. Г у - - л
На ось Y - Sv = ■ - ЕХН, An
На ось Z- S:=^-ixHv-EvHx\
4 П
Тогда, модуль вектора Умова-Пойнтинга рассчитывается по формуле:
с
(3)
(4)
Stota[= ~ V EyHz- EZHу > EZHX- EXHZ 3 + ExHy- EyHx l
4 П « ■ ■
(5)
Блок 9. Загрузка из оперативной памяти требуемых для вывода данных (для случая вывода на график только напряженности или плотности токов).
Блок 10. Преобразование полученных данных. Приведение к требуемым размерностям и формирование массива данных для вывода на график.
Блок 11. Вывод данных (рис. 10).
Блок 12, 13 и 14. Расчет точки локального максимума, КНД и ширины главного лепестка (по уровню -3дб) в выбранных единицах измерения (Поле Horizontal Axis (Units)). Вывод полученных данных на экран (рис. 11).
Рис. 10. Распределение модуля вектора Умова-Пойнтинга
Additional information
GlobalMax: 10,37Wm GlobalMax: 20,31 dB
LocalMax: 10,37Wm LocalMaw: 20,31 dB
BeamWidth: 0,88 norm to 10 mm
Рис. 11. Поле вывода КНД, ширины главного лепестка
Блок 15. Сохранение результатов. Сохранение графика производится при помощи стандартного диалогового окна, появляющегося после нажатия кнопки Save. Запись графика производится в формате Windows Media (*.bmp).
Общий вид программы и выведенных, с помощью программы, графиков показаны на рис. 12-13.
Таким образом, разработана и реализована программа, позволяющая строить двумерные разрезы электрической и магнитной напряженности поля, а так-
же производить расчет интенсивности поля вдоль выбранных строк расчетной области. Программное средство позволяет в автоматическом режиме вычислять уровни побочных дифракционных максимумов, положение главного максимума и его геометрические размеры.
Рис. 12. Окно выбора типа входных и выходных данных программы
2DFV for XFDTD6.0
Рис. 13. Пример результатов расчета программы распределения модуля вектора Умова-Пойнтинга в сечении, проходящем:
а) поперек оптической оси через главный дифракционный максимум б) поперек оптической оси через побочный дифракционный максимум ^/3); в) вдоль оптической оси через главный дифракционный максимум г) вдоль оптической оси через побочный боковой дифракционный максимум
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. RemCOM User's Guide, http://www.remcom.com.
2. Калиничев В.И., Курушин А.А. Программа XFDTD для анализа СВЧ структур. EDA Express № 9, 2004 г., c.40-46.
3. Справочник по физике / Карякин Н. И., Быстров К. Н., Кириев П. С.// - М., 1963.
4. 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.
© И. В. Минин, О. В. Минин, 2015
