Применение метода конечных разностей во временной области для расчета направленных свойств двумерных излучающих структур


Авторы

Овчинникова Е. В.1*, Шмачилин П. А.1**, Кондратьева С. Г.1***, Гаджиев Э. В.1, 2****, Павлов С. В.3*****

1. Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), 125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 4
2. ОАО «Научно-производственная корпорация «Космические системы мониторинга, информационно-управляющие и электромеханические комплексы» имени А. Г. Иосифьяна», Хоромный тупик, 4, строение 1, Москва, 107078, Россия
3. ПАО «Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С. П. Королёва», ул. Ленина, д. 4А, г. Королёв, Московская обл., Россия, 141070

*e-mail: oea8888@gmail.com
**e-mail: shmachilin@gmail.com
***e-mail: kondratieff89@ya.ru
****e-mail: gadzhiev_elchin@mail.ru
*****e-mail: pav00.00@mail.ru

Аннотация

Объектом исследования является метод конечных разностей во временной области с алгоритмом пересчета поля ближней зоны в поле в дальней зоне. Цель работы – программно реализовать метод FDTD с граничными условиями и с возможностью расчета направленных свойств двумерных излучающих структур. Программа направлена на то, чтобы внести свой вклад в область вычислительной электромагнетики и её практических приложений, предоставляя пользователям универсальный и доступный инструмент для анализа явлений распространения, отражения, пропускания и рассеяния волн в двумерном пространстве и расчёте диаграмм направленности различных структур. В процессе работы проводились реализация граничных условий, разработка методики расчёта коэффициента отражения от граничных условий, программная реализация метода конечных разностей во временной области (FDTD), разработка алгоритма пересчёта ближнего поля в поле в дальней зоне, моделирование и расчёт диаграмм направленности различных антенн. В результате исследования был реализован метод FDTD с возможностью расчёта диаграммы направленности излучающих структур. Разработанная программа имеет широкий спектр потенциальных применений. Она может быть использована для анализа поведения волноводов и линий передачи, проектирования и оптимизации антенн, расчёта диаграммы направленности антенн, а также служить учебным пособием для студентов и исследователей в области электромагнетизма.

Ключевые слова:

численные методы, электродинамическое моделирование, электродинамика, FDTD, Python

Библиографический список

  1. Гаджиев Э.В. Моделирование бортовых антенн СВЧ космических аппаратов // Антенны. 2013. № 9 (196). С. 065-068.
  2. Овчинникова Е.В., Шмачилин П.А., Кондратьева С.Г., Гаджиев Э.В. Исследование характеристик направленности бортовых антенн космических аппаратов на ранней стадии разработки // Электросвязь. 2016. № 7. С. 56-59.
  3. Чистяков В.А. Моноимпульсный радиопеленгатор с использованием цифровой антенной решетки // Труды МАИ. 2020. № 115. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=119921. DOI: 10.34759/trd-2020-115-07
  4. Азаров А.В., Караваев М.Н., Рожков С.С., Славянский А.О., Смолка К.А. Синтез малогабаритного фазового пеленгатора авиационного базирования // Труды МАИ. 2022. № 123. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=165549. DOI: 10.34759/trd-2022-123-12
  5. Король Д.Г., Темченко В.С. Исследование цилиндрической конформной антенной решетки с печатным излучателем для БПЛА // Труды МАИ. 2023. № 129. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=173026. DOI: 10.34759/trd-2023-129-14
  6. Козлов К.В., Волков А.П., Старовойтов Е.И., Попов Е.В. Численное моделирование электромагнитного поля бортовой РЛС землеобзора для обеспечения электромагнитной совместимости // Труды МАИ. 2022. № 122. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=164200. DOI: 10.34759/trd-2022-122-11
  7. Овчинникова Е.В., Шмачилин П.А., Кондратьева С.Г., Гаджиев Э.В., Павлов С.В., Чекулов В.Р. Обзор систем автоматизированного проектирования // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. 2024. Т. 198. № 1. С. 39-46.
  8. Павлов С.В., Чекулов В.Р. Расчёт направленных свойств двумерных излучающих структур методом FDTD // 50-я Международная молодежная научная конференция «Гагаринские чтения – 2024» (Москва, 9–12 апреля 2024): тезисы докладов. - М.: Издательство «Перо», 2024. С. 357.
  9. Овчинникова Е.В., Шмачилин П.А., Кондратьева С.Г., Гаджиев Э.В., Павлов С.В., Чекулов В.Р. Обзор численных методов решения задач электродинамики // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. 2024. Т. 198. № 1. С. 17-25.
  10. Гринев А.Ю., Гиголо А.И. Математические основы и методы решения задач электродинамики. – М.: Радиотехника, 2015. – 126 с.
  11. Electronic Source. URL: https://www.kaggle.com/code/shmachilin/fdtd-2d
  12. John B. Schneider. Understanding the Finite-Difference Time-Domain Method. URL: file:///C:/Users/lenovo/Downloads/ufdtd(1).pdf
  13. GitHub - Jenyay/modelling. URL: https://github.com/Jenyay/modelling/tree/master
  14. Гаджиев Э.В., Овчинникова Е.В., Шмачилин П.А. Исследование характеристик направленности бортовых антенн космических аппаратов на ранней стадии разработки путём компьютерного моделирования // XLII Международная научная молодёжная конференция «Гагаринские чтения – 2016» (Москва, 12–15 апреля 2016): тезисы докладов. – М.: Изд-во МАИ, 2016. С. 509-510.
  15. Гаджиев Э.В., Кондратьева С.Г., Овчинникова Е.В. Математическое моделирование бортовых антенн космических аппаратов с учётом дифракции // XLII Международная научная молодёжная конференция «Гагаринские чтения – 2016» (Москва, 12–15 апреля 2016): тезисы докладов. – М.: Изд-во МАИ, 2016. – С. 499-500.
  16. Kane Yee. Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell's equations in isotropic media // IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1966, vol. 14, pp. 302-307. DOI: 10.1109/tap.1966.1138693
  17. Jean-Pierre Beranger. Perfectly Matched Layer for the FDTD Solution of Wave-Structure Interaction Problems // IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1996, vol. 44, issue 1, pp. 110-117.
  18. Воскресенский Д.И., Гостюхин В.Л., Максимов В.М., Пономарёв Л.И. Устройства СВЧ и антенны. – М.: Радиотехника, 2016. – 560 с.
  19. Гаврилов К.Ю., Каменский К.В., Малютина О.А. Моделирование траекторного сигнала в радаре с синтезированием апертуры на основе оптических изображений земной поверхности // Труды МАИ. 2021. № 118. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=158252. DOI: 10.34759/trd-2021-118-12
  20. Шамакина А.В. Обзор технологий распределённых вычислений // Вестник южно-уральского государственного университета. Серия: вычислительная математика и информатика. 2014. № 3. С. 51–85.


Скачать статью

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2000—2024

 Вход