Electromagnetic analysis of periodic structures under a waveguide viewpoint

The fundamental objective of this Ph. D. dissertation is to demonstrate that, under particular circumstances which cover most of the structures with practical interest, periodic structures can be understood and analyzed by means of closed waveguide theories and techniques. To that aim, in the first place a transversely periodic cylindrical structure is considered and the wave equation, under a combination of perfectly conducting and periodic boundary conditions, is studied. This theoretical study runs parallel to the classic analysis of perfectly conducting closed waveguides. Under the light shed by the aforementioned study it is clear that, under certain very common periodicity conditions, transversely periodic cylindrical structures share a lot of properties with closed waveguides. Particularly, they can be characterized by a complete set of TEM, TE and TM modes. As a result, this Ph. D. dissertation introduces the transversely periodic waveguide concept. Once the analogies between the modes of a transversely periodic waveguide and the ones of a closed waveguide have been established, a generalization of a well-known closed waveguide characterization method, the generalized Transverse Resonance Technique, is developed for the obtention of transversely periodic modes. At this point, all the necessary elements for the consideration of discontinuities between two different transversely periodic waveguides are at our disposal. The analysis of this type of discontinuities will be carried out by means of another well known closed waveguide method, the Mode Matching technique. This Ph. D. dissertation contains a sufficient number of examples, including the analysis of a wire-medium slab, a cross-shaped patches periodic surface and a parallel plate waveguide with a textured surface, that demonstrate that the Transverse Resonance Technique - Mode Matching hybrid is highly precise, efficient and versatile. Thus, the initial statement: ”periodic structures can be understood and analyzed by means of closed waveguide theories and techniques”, will be corroborated. Finally, this Ph. D. dissertation contains an adaptation of the aforementioned generalized Transverse Resonance Technique by means of which the analysis of laterally open periodic waveguides, such as the well known Substrate Integrated Waveguides, can be carried out without any approximation. The analysis of this type of structures has suscitated a lot of interest in the recent past and the previous analysis techniques proposed always resorted to some kind of fictitious wall to close the structure. vii Resumen El principal objetivo de esta tesis doctoral es demostrar que, bajo ciertas circunstancias que se cumplen para la gran mayoría de estructuras con interés práctico, las estructuras periódicas se pueden analizar y entender con conceptos y técnicas propias de las guías de onda cerradas. Para ello, en un primer lugar se considera una estructura cilíndrical transversalmente periódica y se estudia la ecuación de onda bajo una combinación de condiciones de contorno periódicas y de conductor perfecto. Este estudio teórico y de caracter general, sigue el análisis clásico de las guías de onda cerradas por conductor eléctrico perfecto. A la luz de los resultados queda claro que, bajo ciertas condiciones de periodicidad (muy comunes en la práctica) las estructuras cilíndricas transversalmente periódicas guardan multitud de analogías con las guías de onda cerradas. En particular, pueden ser descritas mediante un conjunto completo de modos TEM, TE y TM. Por ello, ésta tesis introduce el concepto de guía de onda transversalmente periódica. Una vez establecidas las similitudes entre las soluciones de la ecuación de onda, bajo una combinación de condiciones de contorno periódicas y de conductor perfecto, y los modos de guías de onda cerradas, se lleva a cabo, con éxito, la adaptación de un conocido método de caracterización de guías de onda cerradas, la técnica de la Resonancia Transversal Generalizada, para la obtención de los modos de guías transversalmente periódicas. En este punto, se tienen todos los elementos necesarios para considerar discontinuidades entre guías de onda transversalmente periódicas. El analisis de este tipo de discontinuidades se llevará a cabo mediante otro conocido método de análisis de estructuras cerradas, el Ajuste Modal. Esta tesis muestra multitud de ejemplos, como por ejemplo el análisis de un wire-medium slab, una superficie de parches con forma de cruz o una guía de placas paralelas donde una de dichas placas tiene cierta textura, en los que se demuestra que el método híbrido formado por la Resonancia Transversal Generalizada y el Ajuste Modal, es tremendamente preciso, eficiente y versátil y confirmará la validez de el enunciado inicial: ”las estructuras periódicas se pueden analizar y entender con conceptos y técnicas propias de las guías de onda cerradas” Para terminar, esta tésis doctoral incluye también una modificación de la técnica de la Resonancia Transversal Generalizada mediante la cual es posible abordar el análisis de estructuras periódica abiertas en los laterales, como por ejemplo las famosas guías de onda integradas en sustrato, sin ninguna aproximación. El análisis de este tipo de estructuras ha despertado mucho interés en los últimos años y las técnicas de análisis propuestas hasta ix el momento acostumbran a recurrir a algún tipo de pared ficticia para simular el carácter abierto de la estructura.

3D hp-adaptive finite element simulations of a magic-T electromagnetic waveguide structure

This paper employs a 3D hp self-adaptive grid-refinement finite element strategy for the solution of a particular electromagnetic waveguide structure known as Magic-T. This structure is utilized as a power divider/combiner in communication systems as well as in other applications. It often incorporates dielectrics, metallic screws, round corners, and so on, which may facilitate its construction or improve its design, but significantly difficult its modeling when employing semi-analytical techniques. The hp-adaptive finite element method enables accurate modeling of a Magic-T structure even in the presence of these undesired materials/geometries. Numerical results demonstrate the suitability of the hp-adaptive method for modeling a Magic-T rectangular waveguide structure, delivering errors below 0.5% with a limited number of unknowns. Solutions of waveguide problems delivered by the self-adaptive hp-FEM are comparable to those obtained with semi-analytical techniques such as the Mode Matching method, for problems where the latest methods can be applied. At the same time, the hp-adaptive FEM enables accurate modeling of more complex waveguide structures.

Development of a Uniform Theory of Diffraction for Scattered and Surface Electromagnetic Field Analysis on a Cylinder

Con esta tesis ”Desarrollo de una Teoría Uniforme de la Difracción para el Análisis de los Campos Electromagnéticos Dispersados y Superficiales sobre un Cilindro” hemos iniciado una nueva línea de investigación que trata de responder a la siguiente pregunta: ¿cuál es la impedancia de superficie que describe una estructura de conductor eléctrico perfecto (PEC) convexa recubierta por un material no conductor? Este tipo de estudios tienen interés hoy en día porque ayudan a predecir el campo electromagnético incidente, radiado o que se propaga sobre estructuras metálicas y localmente convexas que se encuentran recubiertas de algún material dieléctrico, o sobre estructuras metálicas con pérdidas, como por ejemplo se necesita en determinadas aplicaciones aeroespaciales, marítimas o automovilísticas. Además, desde un punto de vista teórico, la caracterización de la impedancia de superficie de una estructura PEC recubierta o no por un dieléctrico es una generalización de varias soluciones que tratan ambos tipos de problemas por separado. En esta tesis se desarrolla una teoría uniforme de la difracción (UTD) para analizar el problema canónico del campo electromagnético dispersado y superficial en un cilindro circular eléctricamente grande con una condición de contorno de impedancia (IBC) para frecuencias altas. Construir una solución basada en UTD para este problema canónico es crucial en el desarrollo de un método UTD para el caso más general de una superficie arbitrariamente convexa, mediante el uso del principio de localización de los campos electromagnéticos a altas frecuencias. Esta tesis doctoral se ha llevado a cabo a través de una serie de hitos que se enumeran a continuación, enfatizando las contribuciones a las que ha dado lugar. Inicialmente se realiza una revisión en profundidad del estado del arte de los métodos asintóticos con numerosas referencias. As í, cualquier lector novel puede llegar a conocer la historia de la óptica geométrica (GO) y la teoría geométrica de la difracción (GTD), que dieron lugar al desarrollo de la UTD. Después, se investiga ampliamente la UTD y los trabajos más importantes que pueden encontrarse en la literatura. As í, este capítulo, nos coloca en la posición de afirmar que, hasta donde nosotros conocemos, nadie ha intentado antes llevar a cabo una investigación rigurosa sobre la caracterización de la impedancia de superficie de una estructura PEC recubierta por un material dieléctrico, utilizando para ello la UTD. Primero, se desarrolla una UTD para el problema canónico de la dispersión electromagnética de un cilindro circular eléctricamente grande con una IBC uniforme, cuando es iluminado por una onda plana con incidencia oblicua a frecuencias altas. La solución a este problema canónico se construye a partir de una solución exacta mediante una expansión de autofunciones de propagación radial. Entonces, ésta se convierte en una nueva expansión de autofunciones de propagación circunferencial muy apropiada para cilindros grandes, a través de la transformación de Watson. De esta forma, la expresión del campo se reduce a una integral que se evalúa asintóticamente, para altas frecuencias, de manera uniforme. El resultado se expresa según el trazado de rayos descrito en la UTD. La solución es uniforme porque tiene la importante propiedad de mantenerse continua a lo largo de la región de transición, a ambos lados de la superficie del contorno de sombra. Fuera de la región de transición la solución se reduce al campo incidente y reflejado puramente ópticos en la región iluminada del cilindro, y al campo superficial difractado en la región de sombra. Debido a la IBC el campo dispersado contiene una componente contrapolar a causa de un acoplamiento entre las ondas TEz y TMz (donde z es el eje del cilindro). Esta componente contrapolar desaparece cuando la incidencia es normal al cilindro, y también en la región iluminada cuando la incidencia es oblicua donde el campo se reduce a la solución de GO. La solución UTD presenta una muy buena exactitud cuando se compara numéricamente con una solución de referencia exacta. A continuación, se desarrolla una IBC efectiva para el cálculo del campo electromagnético dispersado en un cilindro circular PEC recubierto por un dieléctrico e iluminado por una onda plana incidiendo oblicuamente. Para ello se derivan dos impedancias de superficie en relación directa con las ondas creeping y de superficie TM y TE que se excitan en un cilindro recubierto por un material no conductor. Las impedancias de superficie TM y TE están acopladas cuando la incidencia es oblicua, y dependen de la geometría del problema y de los números de onda. Además, se ha derivado una impedancia de superficie constante, aunque con diferente valor cuando el observador se encuentra en la zona iluminada o en la zona de sombra. Después, se presenta una solución UTD para el cálculo de la dispersión de una onda plana con incidencia oblicua sobre un cilindro eléctricamente grande y convexo, mediante la generalización del problema canónico correspondiente al cilindro circular. La solución asintótica es uniforme porque se mantiene continua a lo largo de la región de transición, en las inmediaciones del contorno de sombra, y se reduce a la solución de rayos ópticos en la zona iluminada y a la contribución de las ondas de superficie dentro de la zona de sombra, lejos de la región de transición. Cuando se usa cualquier material no conductor se excita una componente contrapolar que tiende a desaparecer cuando la incidencia es normal al cilindro y en la región iluminada. Se discuten ampliamente las limitaciones de las fórmulas para la impedancia de superficie efectiva, y se compara la solución UTD con otras soluciones de referencia, donde se observa una muy buena concordancia. Y en tercer lugar, se presenta una aproximación para una impedancia de superficie efectiva para el cálculo de los campos superficiales en un cilindro circular conductor recubierto por un dieléctrico. Se discuten las principales diferencias que existen entre un cilindro PEC recubierto por un dieléctrico desde un punto de vista riguroso y un cilindro con una IBC. Mientras para un cilindro de impedancia se considera una impedancia de superficie constante o uniforme, para un cilindro conductor recubierto por un dieléctrico se derivan dos impedancias de superficie. Estas impedancias de superficie están asociadas a los modos de ondas creeping TM y TE excitadas en un cilindro, y dependen de la posición y de la orientación del observador y de la fuente. Con esto en mente, se deriva una solución UTD con IBC para los campos superficiales teniendo en cuenta las dependencias de la impedancia de superficie. La expansión asintótica se realiza, mediante la transformación de Watson, sobre la representación en serie de las funciones de Green correspondientes, evitando as í calcular las derivadas de orden superior de las integrales de tipo Fock, y dando lugar a una solución rápida y precisa. En los ejemplos numéricos realizados se observa una muy buena precisión cuando el cilindro y la separación entre el observador y la fuente son grandes. Esta solución, junto con el método de los momentos (MoM), se puede aplicar para el cálculo eficiente del acoplamiento mutuo de grandes arrays conformados de antenas de parches. Los métodos propuestos basados en UTD para el cálculo del campo electromagnético dispersado y superficial sobre un cilindro PEC recubierto de dieléctrico con una IBC efectiva suponen un primer paso hacia la generalización de una solución UTD para superficies metálicas convexas arbitrarias cubiertas por un material no conductor e iluminadas por una fuente electromagnética arbitraria. ABSTRACT With this thesis ”Development of a Uniform Theory of Diffraction for Scattered and Surface Electromagnetic Field Analysis on a Cylinder” we have initiated a line of investigation whose goal is to answer the following question: what is the surface impedance which describes a perfect electric conductor (PEC) convex structure covered by a material coating? These studies are of current and future interest for predicting the electromagnetic (EM) fields incident, radiating or propagating on locally smooth convex parts of highly metallic structures with a material coating, or by a lossy metallic surfaces, as for example in aerospace, maritime and automotive applications. Moreover, from a theoretical point of view, the surface impedance characterization of PEC surfaces with or without a material coating represents a generalization of independent solutions for both type of problems. A uniform geometrical theory of diffraction (UTD) is developed in this thesis for analyzing the canonical problem of EM scattered and surface field by an electrically large circular cylinder with an impedance boundary condition (IBC) in the high frequency regime, by means of a surface impedance characterization. The construction of a UTD solution for this canonical problem is crucial for the development of the corresponding UTD solution for the more general case of an arbitrary smooth convex surface, via the principle of the localization of high frequency EM fields. The development of the present doctoral thesis has been carried out through a series of landmarks that are enumerated as follows, emphasizing the main contributions that this work has given rise to. Initially, a profound revision is made in the state of art of asymptotic methods where numerous references are given. Thus, any reader may know the history of geometrical optics (GO) and geometrical theory of diffraction (GTD), which led to the development of UTD. Then, the UTD is deeply investigated and the main studies which are found in the literature are shown. This chapter situates us in the position to state that, as far as we know, nobody has attempted before to perform a rigorous research about the surface impedance characterization for material-coated PEC convex structures via UTD. First, a UTD solution is developed for the canonical problem of the EM scattering by an electrically large circular cylinder with a uniform IBC, when it is illuminated by an obliquely incident high frequency plane wave. A solution to this canonical problem is first constructed in terms of an exact formulation involving a radially propagating eigenfunction expansion. The latter is converted into a circumferentially propagating eigenfunction expansion suited for large cylinders, via the Watson transformation, which is expressed as an integral that is subsequently evaluated asymptotically, for high frequencies, in a uniform manner. The resulting solution is then expressed in the desired UTD ray form. This solution is uniform in the sense that it has the important property that it remains continuous across the transition region on either side of the surface shadow boundary. Outside the shadow boundary transition region it recovers the purely ray optical incident and reflected ray fields on the deep lit side of the shadow boundary and to the modal surface diffracted ray fields on the deep shadow side. The scattered field is seen to have a cross-polarized component due to the coupling between the TEz and TMz waves (where z is the cylinder axis) resulting from the IBC. Such cross-polarization vanishes for normal incidence on the cylinder, and also in the deep lit region for oblique incidence where it properly reduces to the GO or ray optical solution. This UTD solution is shown to be very accurate by a numerical comparison with an exact reference solution. Then, an effective IBC is developed for the EM scattered field on a coated PEC circular cylinder illuminated by an obliquely incident plane wave. Two surface impedances are derived in a direct relation with the TM and TE surface and creeping wave modes excited on a coated cylinder. The TM and TE surface impedances are coupled at oblique incidence, and depend on the geometry of the problem and the wave numbers. Nevertheless, a constant surface impedance is found, although with a different value when the observation point lays in the lit or in the shadow region. Then, a UTD solution for the scattering of an obliquely incident plane wave on an electrically large smooth convex coated PEC cylinder is introduced, via a generalization of the canonical circular cylinder problem. The asymptotic solution is uniform because it remains continuous across the transition region, in the vicinity of the shadow boundary, and it recovers the ray optical solution in the deep lit region and the creeping wave formulation within the deep shadow region. When a coating is present a cross-polar field term is excited, which vanishes at normal incidence and in the deep lit region. The limitations of the effective surface impedance formulas are discussed, and the UTD solution is compared with some reference solutions where a very good agreement is met. And in third place, an effective surface impedance approach is introduced for determining surface fields on an electrically large coated metallic circular cylinder. Differences in analysis of rigorouslytreated coated metallic cylinders and cylinders with an IBC are discussed. While for the impedance cylinder case a single constant or uniform surface impedance is considered, for the coated metallic cylinder case two surface impedances are derived. These are associated with the TM and TE creeping wave modes excited on a cylinder and depend on observation and source positions and orientations. With this in mind, a UTD based method with IBC is derived for the surface fields by taking into account the surface impedance variation. The asymptotic expansion is performed, via the Watson transformation, over the appropriate series representation of the Green’s functions, thus avoiding higher-order derivatives of Fock-type integrals, and yielding a fast and an accurate solution. Numerical examples reveal a very good accuracy for large cylinders when the separation between the observation and the source point is large. Thus, this solution could be efficiently applied in mutual coupling analysis, along with the method of moments (MoM), of large conformal microstrip array antennas. The proposed UTD methods for scattered and surface EM field analysis on a coated PEC cylinder with an effective IBC are considered the first steps toward the generalization of a UTD solution for large arbitrarily convex smooth metallic surfaces covered by a material coating and illuminated by an arbitrary EM source.

High-accuracy adaptive simulations of a Petri dish exposed to electromagnetic radiation

This paper analyses numerically the electric field distribution of a liquid contained in a Petri dish when exposed to electromagnetic waves excited in a rectangular waveguide. Solutions exhibit high-gradients due to the presence of the dielectric liquid contained in the dish. Furthermore, electromagnetic fields within the dielectric have a dramatically lower value than on the remaining part of the domain, which difficults its simulation. Additionally, various singularities of different intensity appear along the boundary of the Petri dish. To properly reproduce and numerically study those effects, we employ a highly-accurate hp-adaptive finite element method. Results of this study demonstrate that the electric field generated within the circular Petri dish is non-homogeneous, and thus, a better shape, size, or location of the dish is needed to achieve an equally distributed radiation enabling the uniform growth of cell cultives.

Design of a Semi-analytical Method to Describe Plasma-Wall Interactions

Electric probes are objects immersed in the plasma with sharp boundaries which collect of emit charged particles. Consequently, the nearby plasma evolves under abrupt imposed and/or naturally emerging conditions. There could be localized currents, different time scales for plasma species evolution, charge separation and absorbing-emitting walls. The traditional numerical schemes based on differences often transform these disparate boundary conditions into computational singularities. This is the case of models using advection-diffusion differential equations with source-sink terms (also called Fokker-Planck equations). These equations are used in both, fluid and kinetic descriptions, to obtain the distribution functions or the density for each plasma species close to the boundaries. We present a resolution method grounded on an integral advancing scheme by using approximate Green's functions, also called short-time propagators. All the integrals, as a path integration process, are numerically calculated, what states a robust grid-free computational integral method, which is unconditionally stable for any time step. Hence, the sharp boundary conditions, as the current emission from a wall, can be treated during the short-time regime providing solutions that works as if they were known for each time step analytically. The form of the propagator (typically a multivariate Gaussian) is not unique and it can be adjusted during the advancing scheme to preserve the conserved quantities of the problem. The effects of the electric or magnetic fields can be incorporated into the iterative algorithm. The method allows smooth transitions of the evolving solutions even when abrupt discontinuities are present. In this work it is proposed a procedure to incorporate, for the very first time, the boundary conditions in the numerical integral scheme. This numerical scheme is applied to model the plasma bulk interaction with a charge-emitting electrode, dealing with fluid diffusion equations combined with Poisson equation self-consistently. It has been checked the stability of this computational method under any number of iterations, even for advancing in time electrons and ions having different time scales. This work establishes the basis to deal in future work with problems related to plasma thrusters or emissive probes in electromagnetic fields.