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Técnicas de Descomposición de Dominios con Ecuación Integral para el Análisis Eficiente de Problemas Electromagnéticos - PDF
Técnicas de Descomposición de Dominios con Ecuación Integral para el Análisis Eficiente de Problemas Electromagnéticos
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Salvador Quiroga Alvarado
1 Universidad de Oviedo Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica, de Computadores y de Sistemas Tesis Doctoral Técnicas de Descomposición de Dominios con Ecuación Integral para el Análisis Eficiente de Problemas Electromagnéticos Autor: Jaime Laviada Martínez Directores: Fernando Las Heras Andrés Marcos Rodríguez Pino Abril de 20102 Reservados todos los derechos El autor Edita: Universidad de Oviedo, Biblioteca Universitaria, 2010 Colección Tesis Doctoral-TDR nº 71 ISBN D.L.: AS3 Capítulo 5 Análisis de problemas de radiación y dispersión con ondas esféricas características 5.1 Introducción En los capítulos anteriores hemos visto como el CBFM y su aplicación recursiva nos permiten reducir el número de incógnitas en el análisis de problemas electromagnéticos. Por este motivo resulta de interés comprobar si la metodología empleada es extensible a otros ámbitos. De este modo, el principal objetivo que se acometerá en este capítulo consiste en extender la metodología del CBFM a otros contextos. En particular se extenderá al caso de análisis con ondas esféricas. Se ha elegido este contexto porque, como se mostrará más adelante, la sola aplicación de ondas esféricas para modelar el acoplo entre secciones produce típicamente una considerable reducción de incógnitas. Por tanto, resulta especialmente atractivo comprobar si es posible reducir aún más el número de grados de libertad en estos casos. El método así desarrollado se aplicará al análisis de agrupaciones de dispersores y de antenas. Este último caso resulta especialmente desafiante puesto que el correcto modelado del acoplo entre elementos juega un papel crucial en el diseño de estas estructuras. Es importante destacar que este capítulo está tan sólo enfocado al estudio de la tasa de compresión mediante la técnica que se desarrollará en las posteriores secciones. De esta forma, queda pendiente para futuras investigaciones la reducción del tiempo computacional mediante el cálculo rápido del acoplo entre elementos. 1294 130 Capítulo 5. Análisis con ondas esféricas características Este capítulo está estructurado de la siguiente forma. En primer lugar, se revisan los principales usos que se han dado al análisis con ondas esféricas con el objetivo de familiarizar al lector con varios de los conceptos que se utilizarán a lo largo del capítulo. A continuación, se desarrolla el análisis de problemas de radiación y dispersión mediante ondas esféricas para posteriormente aplicar a esta metodología las ideas extraídas del CBFM. Finalmente, se analiza la tasa de compresión de varias geometrías canónicas así como varios problemas de dispersión y radiación. 5.2 Antecedentes de análisis de problemas electromagnéticos con ondas esféricas Uno de las opciones más atractivas que presenta el uso de ondas esféricas, es la posibilidad de definir matrices de dispersión. Aunque estas matrices serán descritas en profundidad en secciones posteriores, se adelantará aquí que dichas matrices nos permiten una representación total y muy compacta de un dispersor, permitiendo obtener el campo emitido por el mismo como consecuencia de cualquier campo incidente. Entre los usos más típicos y antiguos de las expansiones en ondas esféricas se encuentra el análisis de esferas conductoras o dieléctricas [Bru71; Ham90]. Este uso se encuentra motivado por el hecho de que muchos de los cálculos pueden ser llevados a cabo de forma analítica. No obstante, el uso más típico de estas expansiones encuentra su nicho dentro de las médidas en cámara anecoica [Han88], especialmente en su aplicación para transformaciones de campo cercano a campo lejano. Recientemente, se han utilizado estas expansiones para modelar el acoplo entre los diversos elementos de ciertos tipos de agrupaciones [Rub05]. En dicho trabajo, se descompone la geometría en varios dominios, los cuales se corresponden con los elementos de la agrupación. Estos dominios son conectados mediante ondas esféricas. Con esta estrategia, se logra una reducción notable del coste computacional debido al pequeño número de incógnitas con respecto al que se obtendrían si se analizase la estructura con todos los elementos a la vez. Esta técnica tiene muchos puntos en común con la estrategia que se expondrá en este capítulo. No obstante, varios aspectos de la formulación de partida difieren debido a que [Rub05] se apoya en el método de elementos finitos mientras que aquí se utilizará el método de los momentos. Un trabajo especialmente reseñable dentro del análisis de problemas electromagnéticos con ondas esféricas fue realizado por Chew a finales de los años ochenta [Che90; Che89]. Dicho trabajo estaba orientado al análisis de problemas de disper-5 5.2. Antecedentes de análisis con ondas esféricas 131 Tabla 5.1: Complejidades de los algoritmos recursivos para múltiples dispersores. RTMA RATMA Tiempo O ( MNSW 3 E + M 2 NSW 2 E P ) Memoria O (MNP ) O ( MNSW 3 E + MN SW EP 2) O ( P 2) sión involucrando múltiples objetos. Con este fin, se agregan de forma recursiva las matrices de dispersión de forma que cada vez que se añade un nuevo objeto, todas las matrices se actualizan para tener en cuenta el acoplo con dicho elemento. Esta estrategia es conocida como Recursive T-Matrix Algoritm (RTMA) o también como Recursive Aggregate T-Matrix Algorithm (RATMA) cuando se introducen unas ligeras modificaciones en el cómputo de las matrices de dispersión agregadas. La complejidad de los algoritmos RTMA y RATMA queda recogida en la tabla 5.1, donde N SW E es el número de armónicos para caracterizar cada cuerpo, M es el número de dispersores y P es el número de armónicos usados en la expansión en armónicos esféricos respecto al origen. En el caso más general (agregación de cuerpos en agrupaciones tridimensionales, ver [Gür93]) se tiene que P M 2/3. Aunque estos algoritmos presentan una baja complejidad, tienen una serie de desventajas, algunas de las cuales han sido solventadas con el paso de los años pero otras todavía se encuentran sin solución: Problemas de radiación: Los algoritmos RTMA y RATMA tan sólo se han aplicado a problemas de dispersión por lo que no está claro su posible uso a problemas de radiación (p. ej.: el análisis de agrupaciones de antenas). Complejidad para agrupaciones colineales: en el caso de que los elementos a analizar se encuentren alineados a lo largo de un mismo eje, tenemos que P M y, por tanto, la complejidad de los algoritmos es igual o superior a la del MoM. Dependencia con la distancia al origen: estos algoritmos deben realizar varias expansiones en ondas esféricas donde el orden de truncamiento depende de la distancia de los dispersores al origen. De este modo, armónicos de órdenes muy altos pueden estar involucrados incluso cuando el número de dispersores es relativamente bajo. El uso de armónicos de órdenes muy altos típicamente resulta en inestabilidades debido a las rápidas variaciones del campo. Este hecho es especialmente crítico en el caso de problemas donde los dispersores están muy alejados entre ellos. Aplicaciones en tres dimensiones: salvo unas pocas excepciones [Gür92; Gür93] donde los algoritmos se han utilizado para agrupaciones bidimensionales de parches, no existe documentación más allá del caso bidimensional.6 132 Capítulo 5. Análisis con ondas esféricas características c Tabla 5.2: Tipo de modos esféricos. Tipo de modo 1 Estacionario acotado en el origen 2 Estacionario no acotado en el origen 3 Propagativo hacia el interior 4 Propagativo hacia el exterior Restricciones en la disposición de los elementos: si los elementos están equidistantes respecto al origen, la formulación presentada viola el teorema de adición. Este problema ha sido observado y resuelto en [Che92], sin embargo la extensión a un caso tridimensional tampoco se ha contemplado. Inestabilidades en la recursión: la agregación recursiva de las matrices resulta en una serie de inestabilidades que afectan principalmente al cálculo del campo cercano. Este problema ha sido observado y solventado para el caso bidimensional en [Ş98], aunque su extensión al caso tridimensional no ha sido clarificada. Por tanto, aunque los algoritmos basados en matrices T tienen una muy baja complejidad, la cual les hace muy atractivos, las fuertes restricciones que plantean para algunos tipos de problemas, hacen que sea necesario recurrir a otras formulaciones. Estas formulaciones aunque pueden presentar complejidades mayores, permiten resolver una mayor variedad de problemas y son numéricamente estables. 5.3 Expansión de campos en ondas esféricas Las ondas esféricas aparecen como soluciones a la ecuación de onda en un medio homogéneo, lineal e isótropo cuando ésta es expresada en coordenadas esféricas para su posterior resolución mediante la estrategia de separación de variables (ver Apéndice C). Utilizando la notación de [Han88] estas soluciones se denotarán por F (c) smn, donde los índices smn indican el número de modo y el superíndice c indica el tipo de modo según se recoge en el Apéndice C, aunque para facilitar la lectura se repite esta clasificación en la tabla 5.2. Es importante notar que entre los citados modos existen relaciones de dependencia lineal de la forma: F (1) smn = 1 ( ) F (3) smn + F (4) smn 2 F (2) smn = 1 2j (5.1) ( F (3) smn F (4) smn), (5.2)7 5.3. Expansión de campos en ondas esféricas 133 y F (3) smn = F (1) smn + jf (2) smn (5.3) F (4) smn = F (1) smn jf (2) smn. (5.4) Por tanto, cualquier campo eléctrico 1 en un punto libre de fuentes puede ser expresado o bien como combinación de modos estacionarios: E = 2 2 n c=1 s=1 n=1 m= n o bien como combinación de modos propagativos: E = 4 2 n c=3 s=1 n=1 m= n Q (c) smnf (c) smn, (5.5) Q (c) smnf (c) smn. (5.6) Por comodidad, es habitual expresar los sumatorios anteriores en función de un solo índice: 2 n =, (5.7) J s=1 n=1 m= n donde J puede calcularse a partir de los índices s, n y m mediante la siguiente operación: J = 2 {n (n + 1) + m 1} + s. (5.8) Casos especiales de expansión en modos esféricos Las expresiones (5.5) y (5.6) permiten expresar el campo eléctrico como combinación lineal de dos tipos de modos, bien dos modos propagativos o bien dos modos estacionarios. Sin embargo, existen una serie de casos especiales de gran relevancia para el trabajo que aquí se presenta. En estos casos especiales es posible la expansión del campo eléctrico en un punto libre de fuentes en función de tan sólo un tipo de modo, que según el caso será un modo propagativo o un modo estacionario. El primero de estos casos lo constituye la evaluación de un campo en el exterior de la esfera mínima que engloba a las fuentes (ver Fig. 5.1). En este caso, el campo puede expresarse utilizando tan solo modos propagativos hacia el exterior (c = 4), es decir: E = 2 n s=1 n=1 m= n Q (4) smnf (4) smn. (5.9) El segundo caso especial consiste en la expansión del campo en modos esféricos dentro de una esfera lo suficientemente pequeña como para que no englobe ninguna 1 También es posible expresar el campo magnético de forma análoga.8 134 Capítulo 5. Análisis con ondas esféricas características Figura 5.1: Expresión del campo en el exterior de la esfera mínima que engloba las fuentes. Figura 5.2: Expresión del campo en el interior de una esfera, tal que solo existen fuentes localizadas en el exterior de la misma. fuente (ver Fig. 5.2). Puesto que el campo debe estar acotado en el origen de la expansión, en caso de utilizar modos estacionarios debemos descartar la existencia de ondas de tipo c = 2 pues darían lugar a un campo singular en el origen. Por tanto, el campo para este caso viene dado por: E = 2 n s=1 n=1 m= n Q (1) smnf (1) smn. (5.10) Los casos aquí presentados nos permitirán utilizar simplemente modos de tipo c = 1 ó c = 4 siempre y cuando se respeten las normas citadas relativas a los puntos de evaluación en función de las esferas mínimas.9 5.3. Expansión de campos en ondas esféricas 135 a i n b i n b i n S i a i n a i 1 a i 2 a i 3 S i bi b i 1 b i 2 a i n Figura 5.3: Representación de un cuerpo encerrado por una esfera mediante su matriz de dispersión Matrices de dispersión para formulación con modos esféricos El hecho de que un cierto campo pueda ser expandido de forma exacta mediante un conjunto discreto de funciones junto con la linealidad de las ecuaciones de Maxwell tiene ventajas de cara a caracterizar un cierto objeto en forma matricial. Las matrices involucradas son las denominadas matrices de dispersión. En estos casos es habitual utilizar la notación a n = Q (1) n y b n = Q (4) n para denotar a los coeficientes de los modos de entrada y salida, respectivamente. Estos modos están relacionados con la matriz de dispersión S de la forma: b = Sā. (5.11) Puesto que el número de modos necesarios para caracterizar el campo de forma exacta es infinito, dicha matriz debería posee infinitos elementos y por tanto debe truncarse el sumatorio en n de cara a su manipulación numérica. La regla habitual para truncar este sumatorio limita el valor de n a: N max = kr 0 + n l, (5.12) donde n l es un parámetro que controla la precisión debida al truncamiento. Empíricamente, suele fijarse n l = 10 para mantener una buena precisión en el caso de cuerpos grandes [Han88], sin embargo cuerpos pequeños suelen utilizar valores más pequeños de n l con valores típicos entre n l = 2 y n l = 4 [Rub05]. Debido a los límites de los sumatorios para la expansión en ondas esféricas, si el índice en n se trunca a un valor N max, el número total de ondas utilizado será: N SW E = 2N max (N max + 2) (5.13) Esta matriz de dispersión puede ser calculada utilizando diversos métodos numéricos, en este documento se utilizará el método de los momentos. La forma eficiente del cálculo de estas matrices se encuentra descrito en el apéndice D.10 136 Capítulo 5. Análisis con ondas esféricas características Análisis de problemas de análisis de radiación y dispersión con ondas esféricas En el caso de tener M elementos (radiadores o dispersores) es posible caracterizar cada uno de ellos por una matriz de dispersión referida al sistema de referencia local que resulte más apropiado. Este sistema de coordenadas se escoge típicamente de forma que el radio de la esfera mínima que encierra al cuerpo sea mínimo. Dicho sistema de coordenadas típicamente se escoge lo más centrado posible con objeto de minimizar el radio de la esfera mínima y con ello el número de modos necesarios para una expansión precisa. Denotaremos por ā i y b i a los coeficientes de los modos de entrada y salida respectivamente al cuerpo i-ésimo, expresados respecto al sistema de coordenadas del cuerpo i-ésimo. Por tanto, usando la notación de un sólo índice, el campo impreso incidente a un cuerpo y el campo radiado por el mismo son expresados como: E inc i (r) = J E scat i (r) = J ā i (J)F (1) J (r r i ) (5.14) bi (J)F (4) J (r r i ), (5.15) siendo r i el origen de coordenadas del elemento i-ésimo. Del mismo modo denotaremos por S i a la matriz de dispersión de dicho cuerpo que nos relaciona los coeficientes de las ondas de entrada y los coeficientes de las ondas de salida de la forma: bi = S i ā i, (5.16) si además, el elemento tiene una o varias alimentaciones internas, al campo dispersado se le debe sumar el campo radiado debido a dichas alimentaciones internas. Por tanto, haciendo uso del principio de superposición el campo emitido por el elemento i-ésimo será: bi = S i ā i + T i v i, (5.17) siendo v i un vector compuesto por las alimentaciones aplicadas en cada uno de los puertos del elemento i-ésimo y T i una matriz donde la columna n-ésima contiene los coeficientes de la expansión en ondas esféricas del campo radiado como consecuencia de alimentar el puerto n-ésimo con una fuente de valor unitario. Concatenando operaciones de traslación y rotación (ver Apéndice E) es posible expresar los modos esféricos de salida del sistema i (tipo c = 4) como modos de entrada al sistema j (tipo c = 1), mediante una operación lineal realizada por una matriz G ji. Por tanto, ā j = G ji bi. (5.18)11 5.3. Expansión de campos en ondas esféricas 137 El campo incidente en un cierto cuerpo estará compuesto tanto por el campo debido al campo impreso incidente (campo que existiría en ausencia de los elementos) más el campo debido a los modos radiados por el resto de cuerpos. Por tanto, los coeficientes de entrada al sistema i-ésimo, serán la suma de los coeficientes del campo impreso incidente expandido en el sistema de coordenadas i-ésimo más los coeficientes del campo radiado por el resto de elementos que puede ser expresado en término de los coeficientes de salida del resto de cuerpos convenientemente trasladados al sistema de coordenadas del cuerpo i-ésimo: ā i = ā imp i + M G ij bj, (5.19) j j i siendo ā imp i los coeficientes de la expansión en ondas esféricas (centradas en el origen de coordenadas del cuerpo i-ésimo) del campo impreso incidente. Un campo impreso incidente muy habitual en problemas de dispersión consiste en una onda plana. Las expresiones para la expansión de una onda plana en ondas esféricas están recogidas en el Apéndice F. Combinando las expresiones (5.17) y (5.19) llegamos a la siguiente expresión: bi = S i M j j i G ij bj + S i ā imp i + T i v i, (5.20) Repitiendo la operación anterior para i = 1...M obtenemos el siguiente sistema de ecuaciones: I S 1 G 12 S 1 G 1M S 2 G 21 I S 2 G 2M S M G M1 S M G M2 I b1 b2. bm = S 1 ā imp 1 + T 1 v 1 S 2 ā imp 2 + T 2 v 2 S M ā imp M. + T M v M, (5.21) cuya resolución nos permite conocer los coeficientes de los modos esféricos radiados por cada cuerpo y, por tanto, la radiación total. Por comodidad a la hora de extender el presente desarrollo, es conveniente definir una serie de matrices. De esta forma, la matriz del sistema se denotará por: A 11 A 12 A 1M A 21 A 22 A 2M A =., (5.22)..... A M1 A M2 A MM12 138 Capítulo 5. Análisis con ondas esféricas características donde cada bloque de la matriz viene dado por la expresión: siendo I la matriz identidad. Los vectores ā i, ā imp i forma ā G = I si j = i A ij = S i G ij si j i, (5.23) y b i de todos los cuerpos se agruparán en un vector de la ā 1 ā 2. ā M ; āimp G = ā imp 1 ā imp 2. ā imp M ; b G = Por último, se definen las siguientes matrices diagonales por bloques: S S 2 0 S G = S M b1 b2. bm T T 2 0 T G = T M. (5.24) De esta forma el sistema (5.21) puede expresarse de forma compacta como: (5.25) A b G = S G ā imp G + T G v G. (5.26) El sistema de ecuaciones (5.21) mantiene ciertas similitudes con el que se obtiene por medio del método de los momentos. Por un lado, la matriz del sistema depende tan sólo de la geometría y materiales de los objetos bajo análisis. Por otro lado, el lado derecho de la ecuación se corresponde con el campo incidente a la estructura y, por tanto, en caso de cambiar dicho campo tan sólo es necesario modificar este término. Como consecuencia, si la matriz del sistema es lo suficientemente reducida como para admitir una factorización eficiente, es posible la resolución para múltiples lados derechos de la ecuación de forma simultánea. La figura 5.4 muestra un ejemplo donde se considera un campo incidente sobre un conjunto de dispersores (cilindros, placas, etc.) los cuales son sustituidos por sus matrices de dispersión para modelar el interior de su esfera mínima asociada. La ecuación (5.26) nos permite calcular el campo radiado por una agrupación de antenas como consecuencia de excitar sus puertos en conjunto con un campo incidente exterior. Este planteamiento es adecuado si tan sólo se desean calcular parámetros relativos al campo radiado como, por ejemplo, la directividad de la estructura. Sin embargo, en el ámbito de las agrupaciones de antenas, es muy importante tener en cuenta otros parámetros como impedancias de entrada o la matriz13 5.3. Expansión de campos en ondas esféricas 139 imp E r 0 z r 0 z r 0 x z y x y x y x z y r 0 x z y r 0 x z y E imp S 2 S 5 S1 z S 3 S 4 x y Figura 5.4: Ejemplo de aplicación a problemas de dispersión para un conjunto de varios elementos (tres cilindros, un cubo y una placa) iluminados por una onda plana. La figura superior muestra la agrupación de elementos junto a su esfera mínima. La figura inferior muestra cada elemento modelado por su matriz de dispersión.14 140 Capítulo 5. Análisis con ondas esféricas características de parámetros S. La mayor parte de estos parámetros pueden calcularse de forma sencilla si se conoce la corriente que circula a la entrada de cada puerto. Para obtener las corrientes a la entrada de cada puerto utilizaremos de nuevo el principio de superposición. Para ello, debemos tener en cuenta que la corriente inducida será la suma de la corriente inducida por cada modo esférico incidente más la corriente inducida por la excitación de cada puerto. Por tanto, el vector, que contiene la corriente que circula por cada puerto del elemento i-ésimo, puede ser calculado como: Ī in i = R i ā i + Y i v i, (5.27) siendo R i una matriz cuya columna n-ésima contiene la corriente inducida en cada puerto del elemento i-ésimo como consecuencia de iluminar el elemento con el modo n-ésimo, y la matriz Y i es la matriz de admitancias del elemento i-ésimo. La figura 5.5 muestra un ejemplo en el que varios parches, los cuales están situados sobre un plano de masa en el cual se han creado una serie de cavidades, son alimentados con un puerto interno cada uno y rodeados por sus esferas mínimas correspondientes para sus posterior análisis con el método propuesto. Este ejemplo está basado en las antenas analizadas también con modos esféricos en [Rub05] Restricciones en la geometría El método expuesto en las secciones anteriores se basa en una serie de expansiones que imponen restricciones con respecto a la geometría de los problemas que se pueden resolver. Las restricciones más fuertes son: El centro de una esfera mínima (esfera m) no puede estar dentro de otra esfera mínima (esfera n). De lo contrario, la matriz de translación que nos expresa el campo radiado por el elemento m, expandido como modos propagativos hacia el exterior de la esfera (tipo c = 4), en campo expandido en modos estacionarios de tipo c = 1 con respecto al origen del elemento n, no sería válida (ver apéndice C). Esta situación se encuentra recogida en la figura 5.6. Ninguna parte de un elemento puede estar dentro de la esfera mínima que envuelve otro elemento, de lo contrario no es posible asumir que el campo radiado se puede expandir utilizando solo modos de tipo c = 4. Habitualmente esta restricción es la más fuerte. Esta situación se encuentra recogida en la figura 5.7. En el caso de la izquierda, aunque las esferas mínimas se solapan no existe ninguna invasión y, por tanto, la situación es válida. El caso del centro representa el caso más favorable en el que no se produce ningún tipo de15 5.3. Expansión de campos en ondas esféricas 141 Figura 5.5: Ejemplo de aplicación a problemas de radiación para una agrupación con cavidades creadas en un plano de masa. La figura superior muestra la agrupación de parches junto a su esfera mínima. La figura inferior muestra cada elemento modelado por su matriz de dispersión.16 142 Capítulo 5. Análisis con ondas esféricas características r 0 r 0 D D Situación válida D r0 Situación no válida D r0 Figura 5.6: Ejemplo de translación de modos válida e inválida. El parámetro r 0 es el radio de la esfera mínima, la cual produce el campo (expresado en modos esféricos propagativos hacia el exterior) que se desea trasladar a la otra esfera en forma de modos estacionarios de tipo c = 1. El parámetro D es la distancia entre los centros de las esferas mínimas. Situación válida Situación válida Situación no válida Figura 5.7: Ejemplos de varias situaciones válidas y no válidas en función de si un elemento invade la esfera mínima de otro elemento. solapamiento. Finalmente, la situación de la derecha muestra un elemento que invade la esfera mínima de otro elemento, produciendo un caso no analizable con el algoritmo anterior.17 5.3. Expansión de campos en ondas esféricas Resultados Para ilustrar el método descrito anteriormente se consideran tanto problemas de dispersión como problemas de radiación. En primer lugar, se mostrará un ejemplo de análisis de un cubo mediante matrices de dispersión. Con este ejemplo se pretende mostrar la convergencia del campo en función del valor que se tome del parámetro n l en la expresión (5.12). Para ello consideraremos el análisis de un cubo de lado 2λ a una frecuencia de 300MHz. Para el cálculo de los resultados de referencia mediante el método de los momentos, así como para el cómputo de las matrices de dispersión, se han discretizado las corrientes eléctricas superficiales sobre la superficie del cuerpo utilizando funciones base RWG. La discretización del cubo, así como su esfera mínima se encuentran recogidos en la figura 5.8a. Se comienza estudiando la sección radar biestática como consecuencia de la incidencia de una onda plana propagándose a lo largo del eje x y con polarización vertical E imp = e jkx ẑ. Puesto que la esfera mínima que envuelve el cuerpo tiene un radio r 0 = 3 la regla dada por (5.12), asumiendo n l = 10 debido al tamaño del cuerpo, implica que el truncamiento en el índice n en sumatorios como (5.9) o (5.10) se produzca para el valor N max = 20. Los resultados para el citado valor así como para N max = 16 y N max = 12 se encuentran recogidos en la figura 5.8b. Los valores para el truncamiento anteriormente citados resultan en un total de 880, 576 y 336 modos totales. Los resultados muestran que incluso con valores por debajo de los dados por (5.12) se obtiene una buena concordancia en el caso de campo lejano. En este caso un total de 576 modos (N max = 16) bastaría para mantener un resultado muy preciso con respecto al resultado de referencia obtenido con el método de los momentos. Es bien sabido que el campo cercano habitualmente presenta una convergencia más lenta y, por tanto, se espera que se necesite un mayor número de modos para su análisis. Para realizar este estudio se recurre al mismo cubo del ejemplo anterior iluminado por la misma onda plana. En este caso se estudia el campo total dispersado a lo largo de una línea recta contenida en el plano XZ, paralela al eje x y tangente a la esfera mínima. Los puntos de dicha línea recta vienen dados por la ecuación paramétrica r l = 3ẑ + tˆx, con 3 t 3. Los resultados se encuentran reflejados en la figura 5.9 donde se puede apreciar como la convergencia cerca de la esfera mínima (x 0) es mucho peor que en el resto de puntos. Esta falta de convergencia se hace patente incluso para los valores proporcionados para el caso más conservador N max = 20. En el caso de disminuir este valor hasta N max = 16 (valor que proporcionaba una buena convergencia en el campo lejano) se puede observar como las discrepancias aumentan de forma ostensible. Con objeto de comprobar que los resultados proporcionados por nuestro18 144 Capítulo 5. Análisis con ondas esféricas características MoM SWE N max =12 SWE N max =16 SWE N max =20 10 RCS (dbm 2 ) θ [deg] (a) (b) Figura 5.8: Discretización de un cubo de 2λ y cálculo de su RCS: a) Cubo de 2λ discretizado en triángulos junto con la esfera de radio mínimo que lo encierra; b)rcs de un cubo calculado a partir de su matriz de dispersión en función del truncamiento en el número de modos. código de método de los momentos son correctos y que no presentan inestabilidades en dicha zona, también se incluyen los resultados obtenidos con el software comercial Feko. Se continua el análisis, mostrando ahora la caracterización del campo dispersado por dos cubos, cada uno de ellos igual al del ejemplo anterior. La geometría del problema se encuentra recogida en la figura De cara al análisis se considera que la distancia entre cubos puede ser d = 3λ o d = 4λ. Es de destacar que en el caso d = 3λ las esferas mínimas llegan a estar parcialmente solapadas pero los cuerpos no llegan a invadir las esferas vecinas. Considerando el mismo campo incidente que en la ocasión anterior, los resultados para la RCS biestática total se encuentran recogidos en la figura Se ha fijado N max = 16. En ambos casos se encuentra una excelente concordancia en el diagrama de radiación en campo lejano, mostrando como las inexactitudes que se observaban en el ejemplo anterior para campo cercano no afectan de forma importante al diagrama en campo lejano. De este modo hemos logrado resolver un problema con 576 incógnitas por cubo (1.152 incógnitas en total) en lugar de las incógnitas por cubo ( incógnitas en total) que involucra el método de los momentos. Con objeto de ilustrar la aplicación a problemas de radiación, consideraremos un elemento muy básico pero que nos servirá para ilustrar las capacidades del esquema anteriormente propuesto. Dicho elemento será el dipolo de placa ancha presentado en [Cra06b] y analizado en [Cra06a].19 5.3. Expansión de campos en ondas esféricas MoM Feko SWE N max =20 SWE N max =16 E [dbv/m] x [m] Figura 5.9: Convergencia del campo cercano para un cubo de lado 2λ. Figura 5.10: Dos cubos de lado 2λ separados una distancia λ. Se acompaña también las esferas mínimas que envuelven a cada cubo.20 146 Capítulo 5. Análisis con ondas esféricas características MoM SWE N max = MoM SWE N max = RCS (dbm 2 ) RCS (dbm 2 ) θ [deg] (a) d = 3λ θ [deg] (b) d = 4λ Figura 5.11: RCS biestática total correspondiente al problema de los dos cubos. 2 y [cm] x [cm] Figura 5.12: Geometría del dipolo de placa ancha. La geometría del dipolo de placa ancha se encuentra recogida en la figura De cara a análisis posteriores se tomará como frecuencia de análisis 441,18 MHz (λ = 68 cm) como en [Cra06b] puesto que se ha observado que cuando este elemento se rodea de otros similares para formar una agrupación, la frecuencia de resonancia de cada uno de ellos se desplaza en general hacia esa frecuencia. El dipolo se ha discretizado con 68 triángulos resultando en 87 incógnitas RWG a la frecuencia de análisis de 441,18 MHz. La mayor parte de los triángulos se encuentran principalmente destinados a preservar la forma curvada del dipolo. Puesto que el cuerpo tiene una longitud del orden de λ/2, podemos considerarlo como eléctricamente pequeño y utilizar valores de n l = 2 o n l = 4, dando lugar a truncar el sumatorio en n con N max = 3 y N max = 5, respectivamente. Mostrar más
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