Propagador baseado em janela deslizante com formulação FDTD incondicionalmente estável de alta ordem
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
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Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Fernando Jose da Silva Moreira
Elson Jose da Silva
Luiz Alencar Reis da Silva Mello
Ben-hur Viana Borges
Elson Jose da Silva
Luiz Alencar Reis da Silva Mello
Ben-hur Viana Borges
Resumo
O presente trabalho trata da análise do problema da propagação de ondas eletromagnéticas nas faixas de 300 kHz a 30 GHz motivado pela necessidade de predição radioelétrica mais rigorosa para o planejamento de redes sem fio. Propõe-se um algoritmo baseado em diferenças finitas do domínio do tempo (FDTD) e no conceito de janela deslizante para o desenvolvimento de um propagador FDTD eficiente e com aplicação banda larga. A formulação aqui introduzida se baseia em três técnicas para a solução do problema: formulação de camadas absorventes perfeitamente casadas independentes do material (MI-PML), algoritmo incondicionalmente estável (US) e o cálculo das derivadas espacias com precisão de quarta ordem na expansão da série de Taylor (High Order HO-FDTD). Assim, é possível utilizar a mesma formulação independente da configuração no domínio, exceder o limite de estabilidade de Courant e trabalhar com valores de passo de tempo maiores, e minimizar a dispersão em grandes distâncias. A implementação computacional do propagador foi construída sobre o software SPRad (Sistema de Predição de Cobertura Radioelétrica), inicialmente desenvolvido pelo autor em seu trabalho de Mestrado. O sistema é uma plataforma para análise da propagação radioelétrica onde diversos métodos podem ser utilizados e comparados numa interface gráfica integrada. A formulação proposta é validada por meio da solução de um problema canônico (espalhamento por cilindro condutor) e suas principais características são comparadas com demais formulações FDTD, incluindo outro método de algoritmo incondicionalmente estável: a técnica de direção alternada implícita (ADI). O propagador é aplicado em terrenos com perfis canônicos (colina Gaussiana e cunha) e os resultados comparados com métodos de equações integrais encontrados na literatura. A influência do índice de refração atmosférico na propagação é verificada e comparada com o método SSPE (Split Step Parabolic Equation). Finalmente, casos práticos envolvendo medições na Dinamarca são analisados.
Abstract
This work deals with electromagnetic wave propagation in the MF, HF, VHF and UHF bands (300 kHz to 3 GHz), motivated by the need for more accurate radio communication prediction for wireless networks planning. It is proposed an algorithm based on finite difference time domain(FDTD) and the concept of moving window to the develop an efficient FDTD Propagator for broadband applications. The formulation introduced here is based on three techniques for solving the problem: materialindependent PML formulation (MI-PML), unconditionally stable algorithm (US) and fourthorder accuracy in the Taylor series expansion for the spatial derivatives (FDTD(2,4) scheme). Thus, it is possible to use an unique formulation independent of the media configuration, exceedthe courant stability limit and to minimize the dispersion over long distances. The propagator computational implementation is built on the software SPRad (Sistema de Predição de Cobertura Radioelétrica), initially developed by the author in his master's work. The system is a platform for the radio propagation analysis where several methods can be used and compared on an integrated graphics user interface. The proposed formulation is validated with a canonical problem (scattering by a conducting cylinder) and its main characteristics are compared with other FDTD formulations, including the ADI (alternating direction implicit) method. The propagator is applied to terrains with canonical profiles (Gaussian hill and wedge) and the results are compared with integral equation methods found in the literature. The propagator applicability to the calculation of fields in refractive index dependent scenarios are verfied and compared with the SSPE method (Split Step Parabolic Equation). Finally, case studies involving measurements in Brasilia-DF and Denmark are analyzed.
Assunto
Engenharia elétrica
Palavras-chave
Algoritmo incondicionalmente estável de alta ordem, Diferenças finitas no domínio do tempo, Método janela deslizante, Propagação de ondas eletromagnéticas