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Electromagnetic Simulation Using The Fdtd Method

El problema de propagacion de ondas de radio sobre el suelo ha sido tema de interes por mas de un siglo. Dado que el problema es de naturaleza electromagnetica, su descripcion esta dada completamente por las ecuaciones de Maxwell. Sin embargo, dadas una condiciones de frontera especificas y segun el tiempo de fuente de los campos, la solucion de dichas ecuaciones puede ser extremadamente compleja y casi siempre se tienen que buscar soluciones numericas. Existe una gran cantidad de aplicaciones; el problema abordado en este trabajo trata sobre el modelado de la propagacion sobre suelo irregular de las ondas electromagneticas generadas por rayos, para su aplicacion a sistemas de localizacion de rayos. Se puede pensar inmediatamente en la siguiente pregunta: ?cual es el efecto que tienen las irregularidades del suelo sobre la propagacion de este tipo de ondas? Ademas, ?cual es la consecuencia de estos efectos de propagacion sobre los sistemas de localizacion de rayos que funcionan sobre regiones montanosas de altitudes que son comparables a la longitud de onda de la fuente de los campos? Estas son las preguntas de investigacion que fueron planteadas para ser respondidas mediante el presente trabajo.

El enfoque metodologico para responder a las preguntas planteadas consistio en el desarrollo de un modelo de simulacion numerica, especificamente el metodo de Diferencias Finitas en el Dominio del Tiempo (DFDT). Debido a los requerimientos de memoria computacional del metodo, fue necesario obtener una aproximacion en dos dimensiones a las ecuaciones de Maxwell, considerando la simetria azimutal del problema. Despues de que el modelo numerico fue validado y probado mediante resultados de modelos canonicos, se utilizo para predecir y observar la propagacion de ondas electromagneticas generadas por rayos bajo diferentes escenarios. Ademas, se modelaron seis perfiles de relieve reales sobre el territorio Colombiano y se usaron para determinar su efecto sobre la propagacion de ondas electromagneticas de rayo. Tambien se midieron los tiempos de arribo de las ondas a diferentes puntos de observacion y se compararon los casos de tiempos obtenidos para propagacion sobre terreno plano con los obtenidos para propagacion sobre terreno irregular. 

Los resultados mostraron que el efecto global de las irregularidades del suelo sobre la propagacion de las ondas puede ser de dos tipos: incremento o atenuacion del valor pico de la senal. Sin embargo, las derivadas temporales o tiempo de frente de las ondas no se vieron afectados de manera significativa. Esto es, las irregularidades del suelo unicamente, sin el efecto de la conductividad del suelo, pueden modificar unicamente la amplitud de las ondas electromagneticas. La atenuacion del valor pico de la senal se obtiene como resultado de la propagacion sobre obstaculos electricamente grandes y es debida a la reflexion de la onda. El incremento del valor pico de la senal de campo electromagnetico se explica a traves del fenomeno de interferencia constructiva de ondas cuando el punto de observacion se encuentra a cierta altitud por encima de la fuente. Se pueden dar algunos numeros; por ejemplo, para una fuente con una longitud de onda alrededor de 5000 m, y un obstaculo con altura de alrededor de 0.8 veces la longitud de onda, el valor pico del campo electrico vertical tuvo reduccion cercana al 22% del valor obtenido para propagacion sobre suelo plano. Para una fuente con longitud de onda alrededor de 790 m, el valor pico del campo electrico vertical sufrio una reduccion cercana al 43% de su valor cuando se propagaba sobre suelo plano. Los resultados descritos fueron obtenidos para el caso de propagacion sobre un obstaculo de igual altura, pero diferentes longitudes de onda de la fuente, lo cual demuestra que la discusion se debe dar en terminos de longitudes de onda y su relacion con el tamano de los obstaculos. El punto importante es que el cambio en el valor pico de la senal cuando se propaga sobre zonas montanosas de altura importante —como las que existen en Colombia debido a la Cordillera de los Andes— se deben considerar con el fin de obtener un modelado preciso de la propagacion. Los resultados tambien mostraron que los tiempos de arribo de las senales no se modificaron mas alla del 4% con respecto a los tiempos de arribo para propagacion sobre suelo plano. De hecho, cinco de los seis perfiles reales del relieve estudiados mostraron que el error en el calculo de los tiempos de arribo estaba por debajo del 1% cuando se incluyeron las irregularidades del terreno en el modelo de propagacion.

Al inicio de esta investigacion, la hipotesis indicaba que el efecto mas significativo de las irregularidades del terreno sobre la propagacion de ondas electromagneticas generadas por rayo era sobre la precision de localizacion de los sistemas de localizacion de rayos. Sin embargo, los resultados obtenidos sugieren un cambio de direccion al pensar en estos efectos, puesto que los tiempos de arribo de la senal de campo dependen fuertemente del tiempo de frente de la senal, pero este parametro no puede ser modificado significativamente por las irregularidades del terreno unicamente. Con respecto a esto, los efectos de la conductividad del terreno son de hecho mas importantes porque estos causan atenuacion selectiva de ciertas componentes de frecuencia, como ha sido demostrado por varios autores en la literatura cientifica. Por lo tanto, esta tesis demostro que los efectos de propagacion debidos a las irregularidades del terreno tienen su efecto mas importante en otros aspectos de la aplicacion a sistemas de localizacion de rayos, como por ejemplo la eficiencia de la deteccion y principalmente, la estimacion de parametros de rayo a partir de la informacion contenida en sistemas de localizacion de rayos.

Propagation of LF AND VLF lightning electromagnetic waves: the ground effects. Applications to Lightning Locating Systems in Mountainous Regions.

Complementary frequency selective surface pair-based intelligent spatial filters for 5G wireless systems

Theoretical aspects of methods for calibrating Stokes polarimeters are considered. The prospects and opportunities for implementing the presented methods for calibrating portable polarization systems used in biology and medicine are determined. Based on a comparative analysis, a method for calibrating a portable Stokes polarimeter for medical applications is proposed. The chosen method provides the smallest error in measuring the parameters of the Stokes vector for calculating the parameters of optical anisotropy and researching the polarization properties of biological tissues. A series of experimental research and statistical analysis of the spatial distributions of the polarization parameters of the calibration sample was carried out to use the results for forming the instrument matrix of the developed Stokes polarimeter during calibration.

/pdf/calibration-methods-of-a-portable-polarizing-system-for-3nmql83s.pdf

Calibration Methods of a Portable Polarizing System for Monitoring Optically Inhomogeneous Media

Electromagnetic wave backscattering by corner reflectors in an anechoic chamber is studied using our developed computational tool. The tool applies the Finite-Difference Time-Domain (FDTD) method to simulate the propagation of the wave’s electric and magnetic fields. Experimental measurement in an anechoic chamber is also carried out as a comparison. The two results show agreement, including the finding that the backscatter intensity variation amongst the four circularly polarized modes is significantly smaller than the variation amongst the four linearly polarization modes.

https://www.mdpi.com/2079-3197/7/4/55/pdf

Computation and Experiment on Linearly and Circularly Polarized Electromagnetic Wave Backscattering by Corner Reflectors in an Anechoic Chamber

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