Pocítacové modelovanie - Šírenie vln v nehomogénnom prostredí - FDTD

Podobné dokumenty
Pokrocilé programovanie XI - Diagonalizácia matíc

Klasické a kvantové vĺny na rozhraniach. Peter Markoš, KF FEI STU April 14, 2008 Typeset by FoilTEX

L avoruké materiály Peter Markoš, FÚ SAV 25 február 2004 Abstract Porozprávam o niektorých EM vlastnostiach l avorukých materiálov: elektrodynamika s

Bariéra, rezonančné tunelovanie Peter Markoš, KF FEI STU February 25, 2008 Typeset by FoilTEX

Pokrocilé programovanie II - Nelineárne iteracné schémy, chaos, fraktály

Fotonické kryštály a metamateriály Peter Markoš

Jozef Kiseľák Sada úloh na precvičenie VIII. 15. máj 2014 A. (a) (b) 1

Preco kocka stací? - o tom, ako sú rozdelené vlastné hodnoty laplasiánu v limite, ked sú velké

2.5. Dotyčnica krivky, dotykový kužeľ. Nech f je krivka a nech P V (f) (t.j. m P (f) 1). Ak m P (f) = r a l je taká priamka, že I P (f, l) > r, potom

Model tesnej väzby (TBH) Peter Markoš, KF FEI STU April 21, 2008 Typeset by FoilTEX

O možnosti riešenia deformácie zemského povrchu z pohladu metódy konecných prvkov konference pro studenty matematiky

Matematika 2 - cast: Funkcia viac premenných

FYZIKA I Rámcove otázky 1998

Snímka 1

4. Pravidlo ret azenia. Často sa stretávame so skupinami premenných, ktoré zložitým spôsobom závisia od iných skupín premenných. Pravidlo ret azenia p

Slide 1

Študijný program (Študijný odbor) Školiteľ Forma štúdia Téma Požiadavky na prijatie Výzbroj a technika ozbrojených síl (8.4.3 Výzbroj a technika ozbro

MOPM -prednáška 9.

Microsoft Word - mnohouholnik.doc

9.1 MOMENTY ZOTRVACNOSTI \(KVADRATICKÉ MOMENTY\) A DEVIACNÝ MOMENT PRIEREZU

Biharmonická rovnica - ciže co spôsobí pridanie jedného laplasiánu

Študijný program (Študijný odbor) Školiteľ Forma štúdia Téma Elektronické zbraňové systémy (8.4.3 Výzbroj a technika ozbrojených síl) doc. Ing. Martin

Lokalizácia Peter Markoš Fyzikálny ústav SAV Katedra fyziky FEI STU Abstract Pri nízkych teplotách sa elektróny správajú ako kvantové častice. Preto s

36. Fázová analýza pomocou Mössbauerovej spektroskopie

Snímka 1

Ohyb svetla

1. KOMPLEXNÉ ČÍSLA 1. Nájdite výsledok operácie v tvare x+yi, kde x, y R. a i (5 2i)(4 i) b. i(1 + i)(1 i)(1 + 2i)(1 2i) (1 7i) c. (2+3i) a+bi d

Operačná analýza 2

Cvičenie 9 Riešené príklady 1. Príklad min f(x 1, x 2 ) = x x x 1 s.t. x 1 80 x 1 + x Pre riešenie úlohy vykonáme nasledujúce kroky

Microsoft Word - 00_Obsah_knihy_králiková

Microsoft Word - 6 Výrazy a vzorce.doc

trafo

Slide 1

Jednotkový koreň (unit root), diferencovanie časového radu, unit root testy Beáta Stehlíková Časové rady, FMFI UK, 2011/2012 Jednotkový koreň(unit roo

8 Cvičenie 1.1 Dokážte, že pre ľubovoľné body X, Y, Z platí X + Y Z = Z + Y X. 1.2 Dokážte, že pre ľubovoľné body A, B, D, E, F, G afinného priestoru

Microsoft Word - Autoelektronika - EAT IV.r. -Osvetľovacie zariadenia -Základné pojmy.doc

Operačná analýza 2

III. Diferenciálny počet funkcie viac premenných (Prezentácia k prednáškam, čast B) Matematická analýza IV (ÚMV/MAN2d/10) RNDr. Lenka Halčinová, PhD.

VYŠETROVANIE LÁTOK SPEKTROSKOPOM (SPEKOLOM)

1 Portál pre odborné publikovanie ISSN Heuristický adaptívny PSD regulátor založený na miere kmitavosti Šlezárová Alexandra Elektrotechnika

NSK Karta PDF

Funkcie viac premenných

Oceňovanie amerických opcií p. 1/17 Oceňovanie amerických opcií Beáta Stehlíková Finančné deriváty, FMFI UK Bratislava

Kedy sa predné koleso motorky zdvihne?

VZTAH STUDENTŮ VŠ K DISCIPLÍNÁM TEORETICKÉ INFORMATIKY

Numerické riešenie všeobecnej (klasickej) DMPK rovnice.

Úvod do lineárnej algebry Monika Molnárová Prednášky 2006

A 1

Microsoft Word - mpicv11.doc

PowerPoint Presentation

Diracova rovnica

PowerPoint Presentation

29.Kvantová fyzika sa zakladá na Planckových a Einsteinových teóriach a hovorí, že všetky procesy sa dejú po maličkých krokoch => všetky fyzikálne vel

1 Priebeµzné písomné zadanie µc.1. Príklady je potrebné vypoµcíta t, napísa t, a odovzda t, na kontrolu na nasledujúcej konzultácii. Nasledujúce integ

TESTOVANIE STABILITY PROCESU POKRAČOVANIA GRADIOMETRICKÝCH MERANÍ DRUŽICE GOCE NADOL

MO_pred1

Vlny v nehomogénnom prostredí - (Inauguracná prednáška)

Generovanie viacstavových modelov a ich riešenie v Maxime 1 Jozef Fecenko Abstrakt Cieľom príspevku je prezentovať zdrojový kód v open source systéme

Snímka 1

9. kapitola Maticová algebra II systém lineárnych rovníc, Frobeniova veta, Gaussova eliminačná metóda, determinanty 1. Systém lineárnych rovníc Systém

Bodová častica vo VTR Vladimír Balek Pole bodového náboja. Majme časticu s nábojom q, ktorá sa nachádza v počiatku súradníc. Elektrická intenzita E v

gis7 prifuk

Microsoft PowerPoint - Paschenov zakon [Read-Only] [Compatibility Mode]

Microsoft Word - Zahradnikova_DP.doc

Ďalšie vlastnosti goniometrických funkcií

gis5 prifuk

Aplikácia multimédií

Jadrova fyzika - Bc.

Prenosový kanál a jeho kapacita

untitled

Informačná a modelová podpora pre kvantifikáciu prvkov daňovej sústavy SR

Metódy násobenie v stredoveku

Snímka 1

Vybrané kapitoly zo štatistickej fyziky - domáce úlohy Michal Koval 19. mája 2015 Domáca úloha č. 1 (pochádza z: [3]) Systém pozos

Microsoft Word - Algoritmy a informatika-priesvitky02.doc

NÁVRH UČEBNÝCH OSNOV PRE 1

Inteligentné rozhodovacie systémy Heuristické prehľadávanie SP Október, 2018 Katedra kybernetiky

prednaska

Siete vytvorené z korelácií casových radov

Prezentácia programu PowerPoint

Prezentácia programu PowerPoint

Základná škola, Školská 3, Čierna nad Tisou Tematický výchovno - vzdelávací plán Stupeň vzdelania: ISCED 2 Vzdelávacia oblasť: Človek a príroda

Technická Univerzita Košice Matematicko počítačové modelovanie Vysokoškolská učebnica Košice 2013

Neineárne programovanie zimný semester 2018/19 M. Trnovská, KAMŠ, FMFI UK 1

Viacnásobne použitelné oblasti spolahlivosti pre viacrozmernú kalibráciu

Prehľad pedagogickej činnosti Ing. Martin Gulan, PhD. Prehľad pedagogickej činnosti na vysokej škole a prehľad dosiahnutých výsledkov v tejto činnosti

Študent 1. kapitola Maticová algebra I 1.1 Definícia matice V mnohých prípadoch dáta majú štruktúru dvojrozmernej tabuľky, ktorá má m riadkov a n stĺp

Testy z CSS_2015_16

Základné stochastické procesy vo financiách

Príspevok k modelovaniu a riadeniu robotických systémov s využitím metód umelej inteligencie

SK MATEMATICKA OLYMPIADA 2010/ ročník MO Riešenia úloh domáceho kola kategórie Z4 1. Doplň do prázdnych políčok čísla od 1 do 7 každé raz tak,

manual.indd

fadsgasga

Priebeh funkcie

Matematické modelovanie, riadenie a simulacné overenie modelov mobilných robotov

Operačná analýza 2

Microsoft PowerPoint - Bioindikacia

Možnosti ultrazvukovej kontroly keramických izolátorov v praxi

Prepis:

Počítačové modelovanie Šírenie vĺn v nehomogénnom prostredí - FDTD Peter Markoš Katedra experimentálnej fyziky F2-523 Letný semester 2016/2017

Úvod Hľadáme riešenia časovo závislej parciálnej diferenciálnej rovnice u tt = u xx + u yy + u zz u... skalár alebo vektor napr. intenzita EM poľa E. Dva typy fyzikálnych úloh: 1. EM vlny v homogénnom prostredí a na rozhran.í V homogénnom prostredí riešenie poznáme (rovinné vlny). Úlohou je správne zošiť známe riešenia na rozhraniach. 1.1 Vlnový balík v 1D 1.2 Vlnový balík v 2D 2. EM vlny v nehomogénnych (periodických) prostrediach. Numerické riešenie Maxwellových rovníc z prvých princípov. 2.1 Diskretizácia Maxwellovych rovníc 2.2 Numerické riešenie vlnovej rovnice pre EM vlny (FDTD)

Maxwellove rovnice - algoritmus Yee Cieľ: počítať šírenie EM vĺn v nehomogénnom prostredí: Fotonické kryštály Metamateriály Nehomogénne prostredie z x t y a r Metóda: diskretizácia časových Maxwellových rovníc v čase a v priestore, výpočet časového vývoja poľa.

Maxwellove rovnice - algoritmus Yee Úloha: diskretizácia priestoru, ktorá zachová platnosť Maxwellových rovníc H x z E z H x H y H z Diskretizácia E a H v rôznych bodoch. Fyzika: lokálne zachováme Maxwellove rovnice: H z H y H z E y y t D ds = H d l E x H y H x t B ds = x Zložky E a H sú definované na dvoch rôznych mriežkach. E d l

Maxwellove rovnice - algoritmus Yee v 2D Tri zložky poľa: napr. E z, H y a H z Pre každú z nich urobíme svoju diskretizáciu priestoru: H z H y H y H y E z E z E z H z H z Každý vektor je konštantný vo svojej elementárnej bunke (ohraničenej svojou farbou) Integrujem cez jednu malú plaketu S = δxδy: D ds t = H d l D z t δxδy = +δy [H y (x + δx/2) H y (x δx/2)] δx [H x (y + δy/2) H x (y δy/2)]

Maxwellove rovnice - algoritmus Yee v 2D D z t δxδy = +δy [H y (x + δx/2) H y (x δx/2)] δx [H [ x (y + δy/2) H x (y δy/2)] Hy = δxδy x H ] x y Dostali sme Maxwellovu rovnicu v diferenciálnom tvare. Podobne dostaneme rovnicu pre H y : domyslíme si plaketu" S = δxδz na ktorej je konštantné H y a obídeme ju v takom smere, aby vektor S bol rovnobežný s H y : B y t δzδx = δz [E z(x + δx/2) E z (x δx/2)] δx [E[ x (z + δz/2) E x (z δz/2)] Ez = δzδx x E ] x z druhý člen je teraz nulový, lebo E x 0. Všimnime si, že E x by bol lokalizovaný nad H y (posunutý o δz/2).

Časová diskretizácia Majme polia H x a H y v čase t, E z v čase t /2. Pole E z (t + /2) nájdeme pre každú plaketu z Maxwellovej rovnice [ Hy εe z (t + /2) = E z (t /2) + x H ] x y zo známych hodnôt E z (t + /2) nájdeme v čase t + hodnoty magnetických polí: Opakovanie: derivácia sa diskretizuje f (x) x = µh y (t + ) = H y (t) E z x µh x (t + ) = H x (t) + E z y f (x + δx/2) f (x δx/2) δx

Vzťah medzi t a δx Priestorový krok δx musí byť dostatočne malý, aby ohmatal nehomogenity vo vzorke. Vo všeobecnosti δ x < λ 10 Podobne ako pri difúznej rovnici nemôže byť priestorový krok príliš veľký: δ x > c t Dôvod: metóda FDTD je explicitná metóda, je potrebné ustrážiť numerické nestability.

Okrajové podmienky Nechceme, aby sa na hranici niečo odrazilo. Preto potrebujeme zabezpečiť nulový odraz dopadajúcej vlny totálnu absorpciu za hranicou Na rozhraní sa preto pridáva absorbujúce prostredie s čo najmenším koeficientom odrazu.

Zdroj EM vĺn Chceli by sme generovať monochromatickú EM vlnu s jedinou frekvenciou ω. Takú ale nevytvoríme. Najjednoduchší zdroj: v čase 0 t 2π ω generuje el. pole E sin ωt: Pole obsahuje rôzne frekvenčné zložky. Môžeme ho rozložiť do Fourierovho radu. Poloha zdroja: bodový, lineárny, plošný...

Energia Počítajme v každom čase celkovú energiu elektromagnetického poľa U = ij ε ij E ij 2 + µ ij H ij 2 (sumujeme cez jednotlivé body mriežky v 2D modeli) Celková energia bude rásť kým zdroj emituje žiarenie, potom musí zostať konštantnou až kým sa nezačne strácať absorpciou na hranici.

Poyntingov vektor Tok energie W (t) cez nami zvolené rozhranie získame integráciou Poyntingovho vektora: W (t) = ds P P = E H Samozrejme závisí od času. S

Fotonický kryštál: frekvenčné spektrum 0,8 0,6 Frequency 0,4 0,2 0 Γ X M Γ Teória hovorí, že frekvenčné spektrum FK má zakázané a povolené frekvenčné pásy. EM vlny s frekvenciou v zakázanom páse sa naprieč FK nemôžu šíriť.

Pedagogická ukážka Vonkajší lineárny zdroj, vlna prechádza cez fotonickú vrstvu. Dve frekvencie zdroja. Ktorá patrí do povoleného pásu?

FDTD a frekvenčné spektrum Umiestnime zdroj EM vĺn do vnútra fotonického kryštálu a počítajme pomocou FDTD časový vývoj vlny. Očakávame, že niektoré Fourierove zložky poľa zostanú uzamknuté v okolí zdroja.

FDTD a frekvenčné spektrum Ľahko vidíme, ktorá frekvencia patrí do zakázaného pásu. [Ivan Lapin, bakalárska práca, FEI STU 2010]

Poyntingov vektor Tok energie jednotkovou plochou za jednotku času P = E H Plochu definujme tak, aby uzatvárala zdroj P(t) závisí od času, preto nájdeme Fourierov obraz P(ω)

Energia Koľko energie mi zostáva v okolí zdroja? Časový vývoj pre štyri frekvencie zdroja.

Prechod EM vlny lineárnou kavitou Lineárna porucha v periodickej štruktúre má vlastný stav - frekvencie, pre ktoré sa vlna môže šíriť. Ak tieto frekvencie ležia v zakázanom páse, vlna z kanálu nemôže odísť - vlnovod. 300 20 200 0 100-20 Tok energie 0-100 -200 Tok energie -40-60 -300-80 -400 x=700-100 x=795-500 -120 0 2e+04 4e+04 6e+04 8e+04 1e+05 0 2e+04 4e+04 6e+04 8e+04 1e+05 Čas Čas Energia: EM vlna sa odráža od vyústenia kavity do voľného priestoru, preto tok energie mení znamienko vo vnútri kavity.

Prechod EM vlny cez fotonické štruktúry Prechod EM vlny cez zložitejšie vlnovody: FDTD simulácia šírenia EM vĺn v reálnom čase. Zdroj je umiestnený tesne pred ľavým vyústením kavity. Frekvencia zdroja leží v zakázanom páse. [M. Rudolf, dipl. práca FEI STU 2012]

Záver Sledovať časový vývoj elektromagnetických vĺn je zaujímavé, lebo vidíme celý proces šírenia môžeme ho kvantitatívne vyhodnotiť Numericky náročné: diskretizácia musí zodpovedať fyzikálnym rovniciam počítame všetky zložky elektromagnetického poľa E, H okrajové podmienky (nehovorili sme o nich) numerická presnosť Fourierova analýza Dodatok: Numerické problémy stability vlnovej rovnice, Laxova metóda.

Dodatok: Vlnová rovnica 2 u(x, t) t 2 = v 2 2 u(x, t) x 2 Zaveďme dve funkcie r = v u(x, t) u(x, t), s = t x Potom vlnovú rovnicu môžeme transformovať na systém dvoch jednoduchších rovníc: r(x, t) t ( ) r = s s(x, t) = v x ( 0 v v 0 ) ( r s s(x, t) t ) r(x, t) = v x

Vlnová rovnica Najjednoduchšia rovnica: u(x, t) t Naivná diskretizácia u(x, t) = v x u t = 1 [u(x, t + ) u(x, t)] u x = 1 [u(x + δ, t) u(x δ, t)] 2δ vedie k systému rovníc 1 a 0... 0 a 1 a.... u(x, t + ) =. 0 a.. u(x, t),... 0... a 1 a = v 2δ. Vlastné hodnoty matice sa nájdu ľahko

Vlnová rovnica Vlastné hodnoty matice sa nájdu ľahko: Λ = 1 i v δ Takže vidíme problém: Λ > 1 sin πn N + 1 Metóda je preto brutálne nestabilná.

Laxova metóda Upravíme časovú deriváciu: [ u(x, t + ) u t = 1 ] u(x + δ, t) + u(x δ, t) 2 Tým dostaneme iteračnú schému 0 1/2 + a 0... 0 1/2 a 0 1/2 + a.... u(x, t + ) =. 0 1/2 a..... 0... 1/2 a 0 S vlastnými hodnotami Λ n = cos α n i v δ sin α n, α n = πn N + 1

Laxova metóda Λ n = cos α n i v δ sin α n, α n = πn N + 1 a teda Λ < 1, ak v δ 1 Fyzika: vlna musí mať dostatok času na šírenie sa z jedného bodu mriežky na druhý. Ak má dlhý časový krok, nestihne sa poobzerať po okolí a program havaruje. Stabilita riešenia: podobná, ako pri difúznej rovnici. Explicitná metóda je stabilná len ak 2 δ 2 v 2 < 1. Napriek tomu sa explicitná metóda používa najčastejšie (programy FDTD).