Численный решатель для электродинамического анализа антенн и СВЧ-устройств методом конечных разностей во временной области

DOI: 10.21293/1818-0442-2026-29-1-68-74

Скачать текст статьи в формате PDF

Скачать JATS xml

Аннотация: Актуальность. В последние годы из-за технологических ограничений особую актуальность приобрела разработка доверенных отечественных численных решателей и программных средств для электродинамического анализа, в том числе антенн и СВЧ-устройств. Цель работы. Данная работа описывает достигнутый сотрудниками ТУСУРа прогресс в разработке такого решателя на основе метода конечных разностей во временной области (МКРВО). Методы. Разработанный решатель реализован в виде программной библиотеки на языке C++ с использованием современных средств распараллеливания вычислений. Научная новизна. В решатель интегрирован ряд математических моделей авторской разработки, включая модели источников возбуждения и сосредоточенных нагрузок. Результаты. В статье описаны основные особенности и возможности решателя. Приведены сведения о текущем состоянии разработки и будущих планах. Представлены результаты моделирования нескольких тестовых задач с использованием реализованного МКРВО и метода конечного интегрирования. Результаты хорошо согласуются, что подтверждает приемлемую точность решателя. Практическая значимость. Решатель может быть успешно применен при проектировании перспективных антенн и СВЧ-устройств.

Ключевые слова: вычислительная электродинамика, компьютерное моделирование, цифровые двойники, метод конечных разностей, устройства СВЧ, антенны

Сведения о финансировании: Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-79-10165, https://rscf.ru/project/23-79-10165/.

Библиография статьи:
Иванов А. А. Численный решатель для электродинамического анализа антенн и СВЧ-устройств методом конечных разностей во временной области / А. А. Иванов // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. – 2026. – Т. 29, № 1. – С. 68–74. DOI: 10.21293/1818-0442-2026-29-1-68-74

Авторы и правообладатели:

  • Иванов А. А. , Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (Томск, Россия)

  • 1. Григорьев А.Д. Методы вычислительной электродинамики. – М.: Физматлит, 2012. – 432 с.
  • 2. Volakis J.L. Finite element method for electromagnetics / J.L. Volakis, A. Chatterjee, L.C. Kempel. – Piscataway, NJ, USA: IEEE Press, 1998. – 344 p.
  • 3. Jin J.M. The finite element method in electromagnetics. – Third edition. – Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, 2014. – 876 p.
  • 4. Gibson W.C. Method of moments in electromagnetics. – New York, NY, USA: Chapman and Hall/CRC, 2008. – 272 p.
  • 5. On modeling antennas using MoM-based algorithms: wire-grid versus surface triangulation / A. Alhaj Hasan, A.A. Kvasnikov, D.V. Klyukin et al. // Algorithms. – 2023. – Vol. 16, No. 4. – P. 1–60.
  • 6. Finite-difference time-domain methods / F.L. Teixeira, C. Sarris, Y. Zhang et al. // Nature reviews methods primers. – 2023. – Vol. 3. – P. 1–19.
  • 7. Elsherbeni A.Z. The finite-difference time-domain method for electromagnetics with MatLab simulations / A.Z. Elsherbeni, V. Demir. – Second edition. – Edison, NJ, USA: SciTech Publishing, 2015. – 560 p.
  • 8. Advanced FDTD methods: parallelization, acceleration and engineering applications / W. Yu, X. Yang, Y. Liu, R. Mittra, A. Muto. – Norwood, MA, USA: Artech House, 2011. – 267 p.
  • 9. Modeling of Lossy Curved Surfaces in 3-D FIT/FDTD Techniques / R.M. Makinen, H. De Gersem, T. Weiland, M.A. Kivikoski // IEEE Transactions on antennas and propagation. – 2006. – Vol. 54, No. 11. – P. 3490–3498.
  • 10. Berens M.K. Structured mesh generation: open-source automatic nonuniform mesh generation for FDTD simulation / M.K. Berens, I.D. Flintoft, J.F. Dawson // IEEE Antennas and propagation magazine. – 2016. – Vol. 58, No. 3. – P. 45–55.
  • 11. Benkler S. Mastering conformal meshing for complex CAD-based C-FDTD simulations / S. Benkler, N. Chavannes, N. Kuster // IEEE antennas and propagation magazine. – 2008. – Vol. 50, No. 2. – P. 45–57.
  • 12. A 3-D total-field/scattered-field plane-wave source for the unconditionally stable associated Hermite FDTD method / Z. Huang, F. Jiang, Z. Chen et al. // IEEE Antennas and wireless propagation letters. – 2024. – Vol. 23, No. 2. – P. 628–632.
  • 13. Piket-May M. FD-TD modeling of digital signal propagation in 3-D circuits with passive and active loads / M. Piket-May, A. Taflove, J. Baron // IEEE Transactions on microwave theory and techniques. – 1994. – Vol. 42, No. 8. – P. 1514–1523.
  • 14. Fast and efficient near to far field transformation for FDTD / B. Bural, E. Yazarel, K. Çakır, L. Sevgi // Proceedings of 2023 7th International electromagnetic compatibility conference. – Istanbul, Turkiye, 17–20 September 2023. – P. 1–3.
  • 15. A novel compact conformal 2-D FDFD method for modeling waveports in 3-D FDTD / K. Wang, S. Zuo, Q. Wu et al. // IEEE Antennas and wireless propagation letters. – 2024. – Vol. 24, No. 7. – P. 2091–2095.
  • 16. Benkler S. Novel FDTD Huygens source enables highly complex simulation scenarios on ordinary PCs / S. Benkler, N. Chavannes, N. Kuster // Proceedings of 2009 IEEE Antennas and propagation society international symposium. – North Charleston, USA: IEEE, 01–05 June 2009. – P. 1–4.
  • 17. Conformal anisotropic periodic boundary condition for FDTD method / K. Wang, Q. Wu, F. Yu et al. // IEEE Antennas and wireless propagation letters. – 2025. – Vol. 24, No. 1. – P. 122–126.
  • 18. Unconditional stability of the ADE-LCDI-FDTD method for dispersive media / L. Zhang, J. Chen, K. Fan et al. // IEEE Antennas and wireless propagation letters. – 2026. – Vol. 25, No. 5. – P. 2280–2284.
  • 19. Li L. FDTD modeling dynamically biased ferrite based antennas / L. Li, Y.E. Wang // Proceedings of 2025 IEEE International symposium on antennas and propagation and North American radio science meeting. – Ottawa, Canada: IEEE, 13–19 July 2025. – P. 908–911.
  • 20. An improved ray tracing acceleration algorithm based on bounding volume hierarchies / C. Wang, Y. Wang, Y. Li et al. // Proceedings of 2022 IEEE 96th Vehicular technology conference. – London, United Kingdom: IEEE, 26–29 September 2022. – P. 1–6.
  • 21. An 3-D unconditionally stable CDI-FDTD method based on the conformal technique for simulating complex curved PEC objects / Y. Chen, G. Xie, H. Hou et al. // IEEE Transactions on antennas and propagation. – 2025. – Vol. 72, No. 11. – P. 9333–9344.
  • 22. A Conformal FDTD Method with Non-uniform Mesh for Anisotropic Media / K. Wang, Q. Wu, F. Yu et al. // Proceedings of 2025 International conference on microwave and millimeter wave technology. – Xian, China: IEEE, 19–22 May 2025. – P. 1–3.
Адрес редакции

  634050, г. Томск, пр. Ленина, 40, МК, каб. 310/2

  (3822) 701-582, внутр.: 1456

  journal@tusur.ru