Investigación

 

Use of the perfect electric conductor boundary conditions to discretize a diffractor in FDTD/PML environment

 

C. Calderón-Ramón^a, J. F. Gómez-Aguilar^b, M. Rodríguez-Achach^c, L. J. Morales- Mendoza^a, J. R. Laguna-Camacho^a, M. Benavides-Cruz^a, M. I. Cruz-Orduna^a, M. González-Lee^a, H. Pérez-Meana^d, M. Enciso-Aguilar^e, R. Chávez-Pérez^f, and H. Martínez-García^a

 

^a Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica-Facultad de Ingeniería Electrónica y Comunicaciones de la Universidad Veracruzana, Venustiano Carranza s/n, Poza Rica Ver. México.

^b Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico, Tecnológico Nacional de México, Interior Internado Palmira S/N, Col. Palmira, Cuernavaca, Morelos, México.

^c Facultad de Física, Universidad Veracruzana, Xalapa Ver. México.

^d Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Culhuacán, Av. Santa Ana 1000, Col. San Francisco Culhuacán, I.P.N, México D.F.

^e Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Zacatenco, Depto. de Telecomunicaciones, UPALM Edif. Z-4

^f Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, Ensenada B.C. México.

 

Received 4 March 2015.
Accepted 1 June 2015.

 

Abstract

In this paper we present a computational electromagnetic simulation of a multiform diffractor placed at the center of an antenna array. Our approach is to solve Maxwell's differential equations with a discrete space-time formulation, using the Finite Difference Time Domain (FDTD) method. The Perfectly Matched Layers (PML) method is used as an absorbing boundary condition, to prevent further spread of the electromagnetic wave to the outside of the calculation region. The Perfect Electric Conductor (PEC) boundary conditions are used to represent the periphery of the region and the diffractor. The system consists of an antenna array of 20 elements: a transmission antenna (TX1) which feeds a Gaussian pulse with center frequency of 7.5 GHz, and 19 reception antennas (RX1 to RX19), which serve as sensors. The diffractor is discretized for integration into the environment FDTD, and two case studies are presented according to their geometric shape: square and circular diffractor. In this work, the goal is to determine the Maxwell's equations, analyze all the zones that form the diffractor and plug them in the computational algorithm in Matlab. We show the equations for each case and obtain the electromagnetic parameters of the system: electric fields, magnetic fields, and reflected power, sensed by the RX's.

Keywords: Conductor electric perfect conditions (PEC); finite difference time domain method (FDTD); perfectly matched layers (PML); antenna array; diffractor.

 

Resumen

En este artículo se describe el uso de las condiciones de Conductor Eléctrico Perfecto (PEC), para modelar un difractor multiforme colocado en el centro de un arreglo de antenas. La estrategia se basa en resolver las ecuaciones diferenciales de Maxwell con una formulación discreta espacio-temporal, mediante el método de Diferencias Finitas en el Dominio del Tiempo (FDTD), el método de Capas Perfectamente Acopladas (PML), se utiliza como condición de frontera absorbente al evitar que la onda electromagnética continÚe propagándose hacia el exterior de la región de cálculo, las condiciones de frontera PEC son utilizadas para representar la periferia de dicha región y el difractor. El sistema consiste en un arreglo de antenas, formado por 20 elementos: una antena de Transmisión (TX1) la cual alimenta un pulso gaussiano a una frecuencia central de 7.5 GHz y 19 antenas Receptoras (RX1 a RX19), que funcionan como sensores. El difractor es discretizado para su integración en el ambiente FDTD, se presentan dos casos de estudio, de acuerdo a su forma geométrica: difractor cuadrado y circular. Se presentan las ecuaciones correspondientes para cada caso, como resultado obtenemos los parámetros electromagnéticos del sistema: campos eléctrico, campos magnéticos, potencia reflejada, sensados por las RX.

Palabras clave: Conductor eléctrico perfecto (PEC). Método de diferencias finitas en el dominio del tiempo (FDTD); capas perfectamente acopladas (PML); arreglo de antenas; difractor.

PACS: 03.50.De; 02.70.Bf; 41.20.Jb; 07.05.Tp; 84.40.Ba

 

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Acknowledgements

We want to thank the financial support of PROMEP through grant No. ID10605, UV-CA-339.

 

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