Method of impedance analog of electromagnetic space for solving initial boundary value problems of electrodynamics

Authors

  • S.A. Ivanov Lomonosov Moscow State University
  • A.N. Bogolyubov Lomonosov Moscow State University https://orcid.org/0000-0001-7282-0268
  • B.V. Sestroretskii JSC Lavochkin Scientific and Production Association

Keywords:

method of impedance analog of electromagnetic space, TLM-method, numerical electrodynamics, time domain, initial boundary value problem, ITER, high-temperature plasma

Abstract

The basic concepts of the method of impedance analog of electromagnetic space designed for numerical solving 2D- and 3D-problems of electrodynamics in time and frequency domains are considered. An approach to solve 2D-scalar initial boundary value problems and 3D-vector ones is briefly discusses. Some theoretical and practical results are given. This work was supported by the Russian Foundation for Basic Research (project N 06-01-00146). Keywords: method of impedance analog of electromagnetic space, TLM-method, numerical electrodynamics, time domain, initial boundary value problem, ITER, high-temperature plasma

Author Biographies

S.A. Ivanov

A.N. Bogolyubov

B.V. Sestroretskii

References

  1. Сестрорецкий Б.В. Полупроводниковые коммуникаторы для высокочастотных трактов // Современные проблемы антенно-волноводной техники. М.: Наука, 1967. 126-144.
  2. Сестрорецкий Б.В. Полупроводниковые регулирующие устройства СВЧ // СВЧ устройства на полупроводниковых диодах. Проектирование и расчет. М.: Сов. радио, 1969. 414-572.
  3. Сестрорецкий Б.В. Возможности прямого численного решения краевых задач на основе метода импедансного аналога электромагнитного пространства (ИАЭП) // Вопросы радиоэлектроники. Сер. «Общетехническая». 1976. Вып. 2. 113-128.
  4. Гершгорин С.А. Об электрических сетках для приближенного решения дифференциального уравнения Лапласа // Журнал прикладной физики. 1929. 6, вып. 3-4. 3-29.
  5. Гутенмахер Л.И. Электрическое моделирование. M.: Изд-во АН СССР, 1943.
  6. Тетельбаум И.М. Электрическое моделирование. M.: Физматгиз, 1959.
  7. Веников В.А. Физическое моделирование электрических систем. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1956.
  8. Штейн Н.И. Методы электрического моделирования волноводов // Электрическое моделирование. M.: Изд-во АН СССР, 1952.
  9. Пухов В.В., Сазонов В.П. Модели с сосредоточенными параметрами для изучения электромагнитных полей // Вопросы радиоэлектроники. Сер. 1. Электроника. 1961. Вып. 12. 3-32.
  10. Филатова Е.А. Дисс.… канд. техн. наук. М.: МЭИ, 1969.
  11. Федоров Н.Н. Решение двумерных задач электродинамики в неоднородных средах методом моделирования // Радиотехника. М.: Труды МЭИ, 1969. Вып. 65.
  12. Федоров Н.Н. Решение некоторых задач электродинамики в неоднородных средах методами конечно-разностных сеток: Дисс.… канд. техн. наук. М.: МЭИ, 1969.
  13. Kron G. Equivalent circuits of the field equations of Maxwell // Proc. of I.R.E. May 1944. 289-299.
  14. Крон Г. Тензорный анализ сетей. М.: Сов. радио, 1978.
  15. Крон Г. Исследование сложных систем по частям (диакоптика). М.: Наука, 1972.
  16. Johns P.B., Beurle R.L. Numerical solution of 2-dimensional scattering problems using a transmission-line matrix // Proc. Inst. Elec. Eng. Sept. 1971. 118. 1203-1208.
  17. Christopoulos С. The Transmission-Line Modelling (TLM) method. Series on Electromagnetic Wave Theory. IEEE/Oxford University Press, 1995.
  18. Петров А.С., Иванов С.А, Королев С.А., Фастович С.В. Метод матриц линий передачи в вычислительной электродинамике // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. 2002. № 1. 3-38.
  19. Nikol’skii V.V., Lavrova T.I. The method of minimum autonomous blocks and its application to waveguide diffraction problems // Radio Engineering and Electronic Physics. 1978. 23, N 2. 1-10.
  20. Никольский В.В., Никольская Т.И. Декомпозиционный подход к задачам электродинамики. М.: Наука, 1983.
  21. Сестрорецкий Б.В., Владимиров Ю.К. О некоторых задачах машинного проектирования сложных СВЧ систем // Машинное проектирование устройств и систем СВЧ. Общество «Знание» Украинской ССР. Киев, 1974. Вып. 1. 14-15.
  22. Рыков В.В., Сестрорецкий Б.В. Машинное моделирование нестационарных процессов в твердотельных СВЧ генераторах // Межвузовский сборник научных трудов «Машинное проектирование устройств и систем СВЧ». М.: МИРЭА, 1978. Вып. 2. 110-132.
  23. Кухаркин Е.С., Сестрорецкий Б.В. Диалоговая оптимизация топологии устройств в электродинамических САПР. М.: МЭИ, 1987.
  24. Рученков В.А., Камышев Т.В., Климов К.Н., Сестрорецкий Б.В., Белостоцкая К.К. Проектирование режекторных волноводных фильтров для диплексера станций «Индия» // Радиотехнические тетради. М.: ОКБ МЭИ. 2004. № 30. 20-23.
  25. Климов К.Н., Сестрорецкий Б.В., Вершков В.А., Солдатов С.В., Камышев Т.В., Рученков В.А. Электродинамический анализ двумерных неоднородных сред и плазмы. М.: МАКС Пресс, 2005.
  26. Климов К.Н., Сестрорецкий Б.В. Построение консервативных сеток для решения двумерных задач электродинамического анализа систем с произвольным распределением диэлектрической и магнитной проницаемостей // Радиотехника и электроника. 2001. 46, № 1. 30-39.
  27. Климов К.Н., Сестрорецкий Б.В. Анализ во временной области планарных структур с произвольным распределением диэлектрической проницаемости // Радиотехника и электроника. 2001. 46, № 3. 271-276.
  28. Климов К.Н., Сестрорецкий Б.В. Построение эквивалентной схемы элементарного объема пространства для подмагниченной плазмы // Радиотехника и электроника. 2005. 50, № 6. 647-658.
  29. Рученков В.А. Развитие методики импедансного аналога электромагнитного пространства: Дисс. … канд. техн. наук. М.: МГИЭМ, 2006.
  30. Кустов В.Ю. Импедансная интерпретация метода конечных элементов для электродинамического анализа планарных волноводных устройств: Дисс. … канд. физ.-мат. наук. М.: МФТИ, 1988.
  31. Сестрорецкий Б.В. RLC и Rτ-аналоги электромагнитного пространства // Межвузовский сборник научных трудов «Машинное проектирование устройств и систем СВЧ». М.: МИРЭА, 1977. 127-158.
  32. Сестрорецкий Б.В. Балансные RLC и Rτ схемы элементарного объема пространства // Вопросы радиоэлектроники. Сер. Общие вопросы радиоэлектроники. 1983. Вып. 5. 56-85.
  33. Сестрорецкий Б.В., Петров А.С., Иванов С.А., Климов К.Н., Королев С.А., Фастович С.В. Анализ электромагнитных процессов на основе RLC и Rτ сеток. М.: МГИЭМ, 2000.
  34. Карцев И.Ю. Метод импедансно-сеточной функции Грина для решения двумерных задач дифракции: Дисс. … канд. техн. наук. М.: МЭИ, 1991.
  35. Сестрорецкий Б.В., Карцев И.Ю. Метод импедансно-сеточной функции Грина для решения двумерных задач дифракции // Вопросы радиоэлектроники. Сер. Общие вопросы радиоэлектроники. 1991. Вып. 1. 18-26.
  36. Сестрорецкий Б.В., Кустов В.Ю., Шлепнев Ю.О. Анализ СВЧ-микросборок методом информационного многополюсника // Вопросы радиоэлектроники. Сер. Общие вопросы радиоэлектроники. 1988. Вып. 12. 26-42.
  37. Hoefer W.J. R. The Transmission Line Matrix (TLM) method // Numerical Techniques for Passive Microwave and Millimeter - Wave Structures. T. Itoh, Ed. New York: Wiley, 1989. Ch. 8. 486-591.
  38. Johns P.B. A new mathematical model to describe the physics of propagation // The Radio and Electronic Eng. 1974. N 44, N 12. 657-665.
  39. Russer P., Bader B. The Alternating Transmission Line Matrix (ATLM) scheme // 1995 MTT-S International Microwave Symposium Digest. 1995. Vol. I. 19-22.
  40. Иванов С.А., Сестрорецкий Б.В., Середов В.М., Климов К.Н. Новые эффективные 3D алгоритмы электродинамического анализа на основе потоковых сеток // VII Всероссийская школа-семинар «Волновые явления в неоднородных средах». Красновидово, Московская обл. 22-27 мая, 2000. 2. 101-103.
  41. Berenger J.P. A perfectly matched layer for the absorption of electromagnetic waves // J. Comput. Phys. 1994. 114. 185-200.
  42. Berenger J.P. An effective PML for the absorption of evanescent waves in waveguides // IEEE Microwave and Guided Wave Letters. May 1998. 8, N 5. 188-190.
  43. Fang J., Wu Z. Generalized perfectly matched layer for the absorption of propagating and evanescent waves in lossless and lossy media // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. Dec. 1996. 2216-2222.
  44. Сестрорецкий Б.В., Иванов С.А., Климов К.Н. Теория и точность аппарата потоковых сеток во временной области при одночастотном и многочастотном трехмерном электродинамическом анализе // Сб. трудов IV Международной научно-технической конференции «Антенно-фидерные устройства, системы и средства радиосвязи». Воронеж, 1999. 32-40.
  45. Ivanov S.A., Sestroretsky B.V. Dispersion of plane waves in 3D stream type grids // Proceedings of 1998 International Conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory (MMET’98). Kharkov, June 2-5, 1998. 2. 600-602.
  46. Nielsen J.S., Hoefer W.J. R. Generalized dispersion analysis and spurious modes of 2-D and 3-D TLM formulations // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. Aug. 1993. 1375-1384.
  47. Сестрорецкий Б.В., Азюкин А.В., Дризе М.А., Иванов С.А., Климов К.Н. Электродинамическое моделирование и испытание опытных образцов широкополосных двух- и четырeхпортовых трактов наземных антенн Ku и C диапазонов для перспективных спутников связи // Сб. трудов IV Международной научно-технической конференции «Антенно-фидерные устройства, системы и средства радиосвязи». Воронеж, 1999. 278-291.
  48. Сестрорецкий Б.В., Пригода Б.А., Иванов С.А. Широкополосная плоская отражающая антенна с наклонным лучом // Сборник трудов III международной научно-технической конференции «Антенно-фидерные устройства, системы и средства радиосвязи (ICARSM-97)’’. Воронеж, май 1997. 2. 255-263.
  49. Сестрорецкий Б.В., Пригода Б.А., Дризе М.А., Иванов С.А. Электродинамическое исследование однослойной антенны с круговой поляризацией Ка диапазона с отверстиями сложной конфигурации // IХ Международная Крымская микроволновая конференция «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии». Севастополь, 13-16 сентября 1999. 196-198.
  50. Сестрорецкий Б.В., Дорофеев А.В., Савченко А.Н., Дризе М.А., Иванов С.А. Электродинамическое моделирование во временной области двухпортовой плоской антенны C-диапазона круговой поляризации с печатными излучателями // Сб. трудов IV Международной научно-технической конференции «Антенно-фидерные устройства, системы и средства радиосвязи». Воронеж, 1999. 292-295.
  51. Сестрорецкий Б.В., Иванов С.А., Фастович С.В., Петров А.С. Моделирование волноводных устройств с помощью Rτ метода. М.: МГИЭМ, 1999.
  52. Johns P.B. A symmetrical condensed node for the TLM method // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. Apr. 1987. 370-377.
  53. Trenkic V. The development and characterization of advanced nodes for the TLM method // Thesis Philosophy Doctor Degree. University Nottingham, UK, 1995.
  54. Sestroretsky B.V., Ivanov S.A. A new 6-parametrical three-dimensional algorithm for 12-port symmetrical condensed node // TLM-99. III International Workshop on TLM Modelling, Theory and Applications. Nitza, France, October 27-29, 1999. 197-200.
  55. Akhtarzad S., Johns P.B. Generalized elements for TLM method of numerical analysis // Proc. IEEE. Dec. 1975. 122. 1349-1352.
  56. Кухаркин Е.С., Сестрорецкий Б.В. Машинные методы расчета в инженерной электрофизике. М.: МЭИ, 1986.
  57. Cестрорецкий Б.В., Климов К.Н., Королев С.А., Петров А.С. Моделирование планарных волноводных устройств с помощью метода импедансных сеток. М.: МГИЭМ, 1999.
  58. Голиус А.Б., Вешникова И.Е., Сестрорецкий Б.В., Чернов И.В. Расчет волнового сопротивления полосковой линии методом импедансного аналога электромагнитного пространства // Вопросы радиоэлектроники. Сер. «Общетехническая». 1976. Вып. 3. 38-47.
  59. Сестрорецкий Б.В., Кустов В.Ю. Эффективный алгоритм анализа плоских волноводных устройств // Вопросы радиоэлектроники. Сер. Общие вопросы радиоэлектроники. 1988. Вып. 2. 3-16.
  60. Голиус А.Б., Сестрорецкий Б.В. Алгоритмы вычисления параметров плоских волноводных систем методом ИАЭП // Межвузовский сборник научных трудов «Машинное проектирование устройств и систем СВЧ». М.: МИРЭА, 1978. Вып. 2. 133-146.
  61. Бахрах Л.Д., Ильинский А.С. и др. К 80-летию со дня рождения Б.В. Сестрорецкого // Радиотехника и электроника. 2004. 49, № 3. 380-382.
  62. Писсанецки С. Технология разреженных матриц. М.: Мир, 1988.
  63. Сестрорецкий Б.В., Зиновьев А.В. Электродинамический анализ и оптимизация геометрии Е-плоскостных волноводных устройств // Вопросы радиоэлектроники. Сер. Общие вопросы радиоэлектроники. 1988. Вып. 12. 43-50.
  64. Сестрорецкий Б.В., Дризе М.А., Иванов С.А., Климов К.Н. Тракты наземных антенн Ku и C диапазонов для перспективных спутников связи // III Международная конференция «Антенная теория и техника». Севастополь, 8-11 сентября 1999. 528-533.
  65. Иванов С.А., Сестрорецкий Б.В., Дризе М.А. Синтез поляризатора, реализованного на изгибе волновода // Крымская микроволновая конференция «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии». Севастополь, 8-12 сентября 2003. 55-56.
  66. Климов К.Н., Сестрорецкий Б.В. Дифференциальные уравнения электромагнитных волн во временной области в средах с частотной дисперсией // Радиотехника и электроника. 2001. 46, № 10. 1223-1225.
  67. Hoefer W. The transmission-line matrix method - theory and applications // IEEE Trans., Oct. 1985. 882-893.
  68. Russer P. The Alternating Rotating Transmission Line Matrix (ARTLM) scheme // Electromagnetics. October 1996. N 16 (1). 537-551.
  69. Климов К.Н., Сестрорецкий Б.В. Граничные условия поглощения и возбуждения плоских и собственных волн прямоугольного волновода в планарной Rτ-сетке // Радиотехника и электроника. 2001. 46, № 9. 1048-1058.
  70. Brewitt-Taylor C.R., Johns P.B. On the construction and numerical solution of transmission-line and lumped network models of Maxwell’s equations // Int. J. Numer. Meth. Eng. 1980. 19. 13-30.
  71. Голиус А.Б., Сестрорецкий Б.В. Оценка методических ошибок при расчете плоских волноводных устройств методом ИАЭП // Вопросы радиоэлектроники. Сер. «Общетехническая». 1979. Вып. 3. 43-57.
  72. Digest of the Third International Workshop on Transmission Line Matrix (TLM) // University of Nice-Sophia. Antipolis, France, October 27-29, 1999.

Published

30-09-2008

How to Cite

Иванов С., Боголюбов А., Сестрорецкий Б. Method of Impedance Analog of Electromagnetic Space for Solving Initial Boundary Value Problems of Electrodynamics // Numerical Methods and Programming (Vychislitel’nye Metody i Programmirovanie). 2008. 9. 274-304

Issue

Section

Section 1. Numerical methods and applications