نرم افزار دامنه زمانی تفاضل محدود (FDTD).

شکل 1: نرم افزار دامنه زمانی تفاضل محدود (FDTD) از اصول بنیادی فیزیک برای مدل سازی سیستم های الکترومغناطیسی استفاده می کند.

نرم افزار دامنه زمانی تفاضل محدود (FDTD) از اصول بنیادی فیزیک برای مدل سازی سیستم های الکترومغناطیسی استفاده می کند. روش FDTD معادلات ماکسول را مستقیماً حل می کند و فقط با محاسبات موجود برای حل معادلات محدود می شود. نرم‌افزاری که از روش FDTD استفاده می‌کند برای طراحی تجهیزات الکترومغناطیسی مانند آنتن‌ها و آرایه‌های رادار در میان بسیاری از موارد حیاتی است.

نمایش همه تولیدکنندگان نرم افزار دامنه زمانی تفاضل محدود (FDTD).

تئوری عملیات

روش FDTD یک تکنیک محاسباتی است که برای مدل سازی انتشار امواج الکترومغناطیسی استفاده می شود. به طور گسترده ای در زمینه های مهندسی برق و الکترودینامیک محاسباتی، به ویژه در طراحی و تجزیه و تحلیل آنتن ها، موجبرها، و سایر سازه های تابشی یا پراکنده استفاده می شود. در اینجا تئوری های اساسی که زیربنای نرم افزار FDTD هستند، آمده است:

گسسته سازی معادلات ماکسول

روش FDTD بر اساس گسسته سازی مستقیم معادلات کرل ماکسول در هر دو مکان و زمان است. معادلات ماکسول چگونگی انتشار و برهمکنش میدان های الکتریکی (E) و میدان های مغناطیسی (H) با ماده را توصیف می کند.

دو معادله کرل که در FDTD مرکزی هستند عبارتند از:

قانون فارادی، که توضیح می دهد چگونه یک میدان مغناطیسی متغیر با زمان یک میدان الکتریکی تولید می کند:

قانون آمپر (با افزودن ماکسول)، که توضیح می دهد که چگونه یک میدان الکتریکی متغیر با زمان و جریان های الکتریکی یک میدان مغناطیسی تولید می کنند:

الگوریتم یی

روش FDTD معمولاً از الگوریتم Yee استفاده می کند که به نام Kane Yee نامگذاری شده است که اولین بار این تکنیک را ارائه کرد. الگوریتم Yee شامل ایجاد یک شبکه در فضا (اغلب یک شبکه دکارتی) و سپس قرار دادن میدان الکتریکی و اجزای میدان مغناطیسی در موقعیت‌های متوالی در زمان و مکان است. این آرایش به تقریب تفاضل مرکزی مشتقات مکانی و زمانی در معادلات ماکسول اجازه می دهد.

زمان گام

الگوریتم FDTD در مراحل زمانی گسسته پیشرفت می کند. در هر مرحله زمانی، میدان های الکتریکی و مغناطیسی در سراسر فضای شبیه سازی با استفاده از نسخه های گسسته معادلات ماکسول به روز می شوند.

میدان های الکتریکی با استفاده از پیچش میدان مغناطیسی و مقادیر میدان الکتریکی قبلی به روز می شوند. میدان های مغناطیسی با استفاده از پیچش میدان الکتریکی و مقادیر میدان مغناطیسی قبلی به روز می شوند.

شرایط مرزی

از آنجایی که شبیه‌سازی باید محدود باشد، روش FDTD نیاز به درمان ویژه در مرزهای حوزه محاسباتی دارد. شرایط مرزی مختلفی را می توان اعمال کرد:

• مرزهای رسانای کاملاً الکتریکی (PEC) می توانند دیوارهای فلزی را شبیه سازی کنند.

• شرایط مرزی جذب (ABC)، مانند لایه کاملاً منطبق (PML)، اثر یک فضای نامحدود را برای جذب امواج خروجی بدون بازتاب شبیه‌سازی می‌کند.

• شرایط مرزی دوره ای می تواند ساختارها را با تناوب مدل کند.

مدلسازی مواد

روش FDTD می‌تواند مدل‌های مواد پیچیده را برای محاسبه گذردهی، نفوذپذیری و رسانایی وابسته به فرکانس ترکیب کند. این خواص مواد بر نحوه انتشار و تعامل میدان های الکتریکی و مغناطیسی با رسانه های مختلف تأثیر می گذارد.

ملاحظات محاسباتی

روش FDTD به طور مشروط پایدار است، به این معنی که اندازه گام زمانی توسط شرط Courant-Friedrichs-Lewy محدود می شود. این شرط تضمین می کند که شبیه سازی از نظر عددی پایدار است. وضوح مکانی و زمانی باید به اندازه کافی خوب باشد تا رفتار موج الکترومغناطیسی را با دقت ثبت کند، به خصوص اگر موج با ویژگی های کوچک تعامل داشته باشد یا فرکانس بالایی داشته باشد.

نرم افزار FDTD یک راه حل عددی برای معادلات ماکسول ارائه می دهد و امکان شبیه سازی پدیده های پیچیده الکترومغناطیسی را در حوزه فضا-زمان گسسته شده فراهم می کند. این ابزار قدرتمندی برای مهندسان و دانشمندان برای پیش‌بینی رفتار میدان‌های الکترومغناطیسی در سناریوهای مختلف است.

مشخصات

مشخصات نرم افزار FDTD بسته به بسته نرم افزاری خاص و کاربرد مورد نظر آن می تواند متفاوت باشد. با این حال، برخی از مشخصات رایج که کاربران ممکن است در هنگام انتخاب نرم افزار FDTD به دنبال آن باشند عبارتند از:

قابلیت های مدل سازی فیزیکی

نرم افزار باید محدوده فرکانس هایی را که می تواند به طور دقیق انتشار الکترومغناطیسی را مدل سازی کند، مشخص کند. همچنین باید توانایی مدل‌سازی گذردهی، نفوذپذیری و رسانایی پیچیده، وابسته به فرکانس را برای مواد مختلف داشته باشد. نرم افزار باید سناریوهایی را مدیریت کند که در آن بخش های مختلف حوزه شبیه سازی دارای مقیاس های بسیار متفاوتی هستند. برخی از نرم افزارهای پیشرفته می توانند مواد غیرخطی و اثرات آنها بر امواج الکترومغناطیسی را کنترل کنند.

روش های عددی و عملکرد

نوع شبکه یک مشخصات مهم است. شبکه های دکارتی یا غیر دکارتی و قابلیت استفاده از مش بندی ساختاریافته یا بدون ساختار روش های مختلف مدل سازی امواج الکترومغناطیسی با استفاده از روش FDTD می باشد. اطلاعات در مورد الگوریتم های گام به گام استفاده شده و نحوه برآورده شدن شرایط CFL نیز مهم است.

برای مدل‌های بزرگ، پشتیبانی از محاسبات موازی با استفاده از CPU و/یا GPU برای تسریع شبیه‌سازی مهم است. انواع شرایط مرزی پشتیبانی شده، مانند PML، شرایط مرزی دوره ای، یا موارد دیگر تضمین می کنند که مدل به اندازه کافی محدود است. اشکال مختلف تحریک منبع مانند پالس گاوسی، موج پیوسته و سیگنال های مدوله شده برای کاربردهای مختلف مهم هستند.

پشتیبانی و مستندسازی

نرم افزار FDTD می تواند بسیار پیچیده باشد. مستندات جامع برای کاربران، از جمله آموزش، کتابچه راهنمای کاربر، و منابع فنی ضروری است. یک جامعه قوی از کاربران همچنین نشانه خوبی است که می توان به هر مشکل یا سؤالی در رابطه با نرم افزار پاسخ داد. در دسترس بودن تالارهای گفتگوی کاربران، پشتیبانی فنی و خدمات حرفه ای منجر به موفقیت بیشتر در هنگام پیاده سازی این نرم افزار می شود.

سفارشی سازی و برنامه های افزودنی

افزونه ها و افزونه ها امکان افزودن قابلیت های سفارشی را فراهم می کنند. مدل‌های تعریف‌شده توسط کاربر، امکان معرفی مدل‌های جدید برای مواد، منابع و شرایط مرزی را فراهم می‌کنند. بسته به ماهیت کاری که انجام می شود، این مشخصات ممکن است فوق العاده مهم باشد.

اعتبارسنجی و محک زدن

در دسترس بودن تست‌های معیار برای اعتبارسنجی دقت شبیه‌سازی‌ها در برابر راه‌حل‌های شناخته شده، اطمینان را در خروجی‌های نرم‌افزار مدل فراهم می‌کند. بدون اعتبارسنجی مناسب، اعتماد به صحت نتایج دشوارتر است.

هر یک از این مشخصات به عملکرد کلی، دقت و قابلیت استفاده نرم افزار FDTD کمک می کند. کاربران باید مشخصات را با نیازهای خاص خود، چه در زمینه تحقیق، طراحی، آموزش یا کاربردهای صنعتی مطابقت دهند.

شکل 2: تصویری از چگونگی روش FDTD در الکترومغناطیس محاسباتی. 

انواع

نرم افزار FDTD را می توان بر اساس معیارهای مختلفی مانند مجوز، تمرکز برنامه و سطح پیچیدگی آنها دسته بندی کرد. در اینجا چند نوع نرم افزار FDTD آورده شده است:

توسط مدل مجوز

نرم افزار منبع باز به صورت رایگان در دسترس است و کاربران می توانند آن را تغییر دهند. به عنوان مثال می توان به Meep و gprMax اشاره کرد. نرم افزار تجاری نیاز به خرید مجوز دارد که اغلب رابط های کاربرپسندتر و پشتیبانی مشتری را ارائه می دهد. به عنوان مثال می توان به ANSYS HFSS، CST Studio Suite و Lumerical اشاره کرد.

با تمرکز برنامه

FDTD همه منظوره را می توان برای طیف گسترده ای از مشکلات در الکترومغناطیسی اعمال کرد. Meep و Lumerical FDTD در این دسته قرار می گیرند. نرم افزار تخصصی FDTD برای کاربردهای خاص مانند شبیه سازی رادار نفوذی زمین (GPR) در مورد gprMax یا شبیه سازی نوری برای دستگاه های فوتونیک بهینه شده است.

توسط مجموعه ویژگی

Basic FDTD عملکرد اصلی FDTD را با ویژگی های اضافی محدود ارائه می دهد و اغلب در تنظیمات آموزشی یا برای شبیه سازی های ساده استفاده می شود. نرم افزار پیشرفته FDTD با مجموعه ای جامع از ویژگی ها مانند شرایط مرزی پیشرفته، مواد غیر خطی و قابلیت های چند فیزیک ارائه می شود.

با سفارشی سازی و اسکریپت

نرم افزار Scriptable FDTD به کاربران اجازه می دهد تا اسکریپت هایی را برای تعریف شبیه سازی بنویسند که می تواند به ویژه برای پردازش دسته ای و بهینه سازی قدرتمند باشد. نرم افزار FDTD غیرقابل اسکریپت برای راه اندازی به رابط کاربری گرافیکی متکی است و ممکن است قابلیت های اسکریپت نویسی را ارائه ندهد. FDTD اسکریپت‌پذیر اغلب همراه با مدل‌های دیگر برای ساخت یک مدل پیچیده‌تر یا قوی‌تر استفاده می‌شود، اما راه‌اندازی در ابتدا دشوارتر است.

هر نوع نرم افزار FDTD نقاط قوت و ضعف خاص خود را دارد و بهترین انتخاب به نیازهای خاص کاربر از جمله پیچیدگی شبیه سازی ها، دقت مورد نیاز، محدودیت های بودجه و نیاز به پشتیبانی و مستندات بستگی دارد. محققان ممکن است به دلیل انعطاف پذیری و مقرون به صرفه بودن، به ابزارهای منبع باز متمایل شوند، در حالی که متخصصان صنعت ممکن است ابزارهای تجاری را برای استحکام و پشتیبانی خود ترجیح دهند.

شکل 3: بسته های نرم افزاری FDTD در ویژگی ها و قابلیت های خاص خود متفاوت هستند.

ویژگی ها

بسته‌های نرم‌افزاری FDTD از نظر ویژگی‌ها و قابلیت‌های خاص خود متفاوت هستند، اما چندین ویژگی اصلی و قابلیت‌های پیشرفته وجود دارد که بسیاری از این بسته‌ها مشترک هستند. در اینجا لیستی از ویژگی هایی است که کاربران ممکن است در نرم افزار FDTD به دنبال آن باشند:

ویژگی های اصلی

ویژگی های اصلی هر بسته نرم افزاری FDTD باید شامل موارد زیر باشد:

• گسسته سازی مکانی و زمانی: توانایی گسسته سازی حوزه محاسباتی هم در فضا و هم در زمان برای حل عددی معادلات ماکسول.

• مش بندی: ابزارهایی برای ایجاد و اصلاح شبکه محاسباتی، که ممکن است شامل قابلیت های مش بندی غیریکنواخت و تطبیقی ​​باشد.

• مدل های مواد: پشتیبانی از تعریف خواص مختلف مواد، از جمله مواد پراکنده و ناهمسانگرد.

• شرایط مرزی: اجرای شرایط مرزی مختلف مانند ABC، PML، شرایط مرزی دوره ای و غیره.

• تحریک منبع: اشکال مختلف تحریک منبع، مانند منابع نقطه ای، امواج صفحه، امواج پیوسته مدوله شده، و شکل موج های تعریف شده توسط کاربر.

• حل کننده های میدان: الگوریتم های کارآمد برای به روز رسانی مقادیر میدان الکترومغناطیسی در هر مرحله زمانی.

ویژگی های پیشرفته

در حالی که ویژگی‌های اصلی برای هر بسته FDTD ضروری است، ویژگی‌های پیشرفته را می‌توان به خوبی در نظر گرفت، اما ممکن است برای برنامه‌های خاص ضروری باشد:

• پردازش موازی: استفاده از پردازنده‌ها و پردازنده‌های گرافیکی چند هسته‌ای برای افزایش سرعت شبیه‌سازی با موازی کردن محاسبات.

• مدل‌سازی چند مقیاسی: توانایی مدل‌سازی کارآمد سناریوها با مقیاس‌های بسیار متفاوت، مانند یک سیستم بزرگ با ویژگی‌های کوچک و دقیق.

• مواد غیرخطی و متغیر زمان: پشتیبانی از مدل‌سازی مواد با پاسخ‌های غیرخطی به میدان‌های الکترومغناطیسی یا موادی که خواص آنها در طول زمان تغییر می‌کند.

• مدل‌سازی درون سلولی: توانایی مدل‌سازی دقیق اشیایی که کوچک‌تر از یک سلول Yee در شبکه هستند.

• تبدیل میدان نزدیک به دور: تبدیل داده های میدان نزدیک به الگوهای میدان دور، که برای طراحی آنتن و مشکلات پراکندگی ضروری است.

• نتایج دامنه فرکانس از شبیه‌سازی‌های حوزه زمان: استخراج پارامترهای حوزه فرکانس (مانند پارامترهای S) از داده‌های شبیه‌سازی حوزه زمان.

• ادغام چند فیزیک: جفت شدن با سایر شبیه سازی های فیزیکی، مانند شبیه سازی های دینامیک حرارتی، ساختاری یا سیالات.

• بهینه سازی و فراگیری پارامترها: ابزارهایی برای خودکارسازی فرآیند پارامترهای مختلف برای دستیابی به اهداف طراحی خاص.

ویژگی های قابلیت استفاده

ویژگی های قابلیت استفاده، تعامل با نرم افزار FDTD را آسان تر و کارآمدتر می کند. یک رابط کاربر پسند برای راه اندازی، اجرا و تجزیه و تحلیل شبیه سازی ها اجرای یک شبیه سازی را برای هر کسی آسان تر می کند. پشتیبانی از زبان های برنامه نویسی یا عملیات خط فرمان برای خودکارسازی راه اندازی و اجرای شبیه سازی ها. ابزارهای داخلی برای تجسم میدان‌های الکترومغناطیسی، چگالی توان، نرخ جذب خاص (SAR) و سایر مقادیر مرتبط در دو بعدی و سه بعدی می‌توانند درک پیش‌بینی‌های یک مدل را آسان‌تر کنند. کتابخانه های از پیش تعریف شده مواد، منابع و شرایط مرزی فرآیند راه اندازی را ساده می کند.

این ویژگی ها نرم افزار FDTD را به ابزاری قدرتمند برای مهندسان و دانشمندانی تبدیل می کند که نیاز به تجزیه و تحلیل مسائل پیچیده الکترومغناطیسی دارند. کاربران باید این ویژگی ها را در چارچوب نیازهای خاص خود ارزیابی کنند تا مناسب ترین بسته نرم افزاری FDTD را برای نیازهای خود انتخاب کنند.

شکل 4: تصویر شبکه Yee، نشان دهنده شبکه پلکانی مورد استفاده برای روش FDTD در الکترومغناطیس است.

توسعه

توسعه نرم افزار FDTD شامل مراحل متعددی است، از مدل سازی ریاضی و توسعه الگوریتم تا مهندسی نرم افزار و طراحی رابط کاربری. در اینجا یک نمای کلی از روند است:

پایه ریاضی

هسته هر نرم افزار FDTD حل عددی معادلات ماکسول است. این نرم افزار برای حل این معادلات در یک حوزه فضا و زمان گسسته طراحی شده است. الگوریتم Yee معمولاً به دلیل سادگی و اثربخشی آن انتخاب می‌شود، اگرچه ممکن است از تغییرات و بهبودهایی استفاده شود. حوزه فضایی پیوسته به یک شبکه (معمولاً یک شبکه Yee) گسسته می شود، و زمان به مراحلی تقسیم می شود که شرایط کورانت-فریدریش-لوی را برای پایداری برآورده می کند.

روشهای عددی و تجزیه و تحلیل پایداری

توسعه دهندگان طرح های عددی را برای تقریب مشتقات موجود در معادلات ماکسول و تجزیه و تحلیل پایداری و دقت این روش ها ایجاد می کنند. اجرای یک فرآیند تکراری برای به روز رسانی مقادیر میدان الکترومغناطیسی در هر مرحله زمانی، گام بعدی در ساخت مدل است. کدگذاری شرایط مرزی مختلف مانند PML، ABC، و مرزهای دوره‌ای برای تقلید از سناریوهای دنیای واقعی، تضمین می‌کند که مجموعه راه‌حل به درستی گنجانده شده است.

مهندسی نرم افزار

الگوریتم‌های عددی در یک زبان برنامه‌نویسی مناسب برای محاسبات با کارایی بالا، مانند C، C++ یا Python پیاده‌سازی می‌شوند. این نرم افزار برای ماژولار بودن، قابلیت نگهداری و مقیاس پذیری ساختار یافته است. اصول برنامه نویسی شی گرا (OOP) اغلب استفاده می شود. سپس کد برای عملکرد بهینه می شود، از جمله استفاده از تکنیک های محاسباتی موازی برای استفاده از پردازنده های چند هسته ای و GPU.

مدلسازی مواد و منبع

این نرم افزار باید انواع مختلفی از مواد و منابع را مدیریت کند که به مدل های پیچیده برای خواص دی الکتریک، مواد مغناطیسی، مواد غیرخطی و انواع مختلف منابع نیاز دارد. ایجاد یک پایگاه داده که می تواند خواص مواد مختلف را ذخیره کند، نرم افزار را قوی تر و آسان تر می کند. کدگذاری انواع مختلف تزریق منبع مانند منابع نقطه ای، پالس های گاوسی و منابع سینوسی نیز راه اندازی و استفاده از نرم افزار را آسان تر می کند.

قابلیت استفاده و رابط کاربری

برای دسترسی به کاربران، نرم افزار FDTD معمولاً شامل یک رابط کاربری گرافیکی (GUI)، تجزیه کننده فایل ورودی یا قابلیت های اسکریپت است. طراحی و پیاده‌سازی یک رابط کاربری گرافیکی که به کاربران اجازه می‌دهد شبیه‌سازی‌ها را تنظیم کنند، نتایج را تجسم کنند و با داده‌ها تعامل داشته باشند، گام بعدی حیاتی در توسعه است. ارائه پشتیبانی از اسکریپت نویسی برای اینکه به کاربران امکان می دهد راه اندازی، اجرا و پس پردازش شبیه سازی را خودکار کنند نیز معمولاً در این مرحله انجام می شود.

تجسم و پس پردازش

تجسم میدان‌های الکترومغناطیسی و سایر مقادیر برای کاربران برای تفسیر نتایج شبیه‌سازی‌های FDTD حیاتی است. پیاده‌سازی ابزارهای تجسم در نرم‌افزار یا از طریق افزونه‌های خارجی برای تجسم داده‌های شبیه‌سازی به کاربران کمک می‌کند تا ارزش بیشتری از تعامل با نرم‌افزار دریافت کنند. اجازه دادن به کاربران برای صادر کردن داده های شبیه سازی برای تجزیه و تحلیل بیشتر در سایر ابزارهای نرم افزاری نیز باعث می شود نرم افزار برای بسیاری از برنامه های مختلف کاربردی تر شود.

تست و اعتبارسنجی

نرم افزار باید به شدت مورد آزمایش قرار گیرد تا اطمینان حاصل شود که نتایج دقیق و قابل اعتماد تولید می کند. نوشتن و اجرای آزمایش‌ها برای تک تک اجزای نرم‌افزار تضمین می‌کند که هر جزء مطابق طراحی رفتار می‌کند. اجرای تست‌های معیار استاندارد برای مقایسه نتایج نرم‌افزار با راه‌حل‌های تحلیلی یا نتایج سایر روش‌ها، تضمین می‌کند که نرم‌افزار به عنوان یک کل نتایج مورد انتظار را تولید می‌کند.

اسناد و پشتیبانی

مستندات جامع برای درک نحوه استفاده مؤثر از نرم افزار برای کاربران ضروری است. راهنمای کاربر و راهنماهایی باید ایجاد شود که نحوه استفاده از نرم افزار و ویژگی های آن را توضیح دهد. ایجاد کانال‌های پشتیبانی برای کاربران برای کمک گرفتن از مشکلاتی که با آن مواجه می‌شوند، نرم‌افزار را برای افراد بیشتری در دسترس‌تر می‌کند.

صدور مجوز و توزیع

توسعه دهندگان باید در مورد یک مدل مجوز (متن باز یا تجاری) تصمیم بگیرند و نرم افزار را بر اساس آن توزیع کنند. اگر نرم افزار منبع باز باشد، معمولاً از طریق پلتفرم هایی مانند GitHub یا GitLab توزیع می شود. اگر نرم افزار تجاری است، شامل راه اندازی یک سرور مجوز یا پیاده سازی یک سیستم مدیریت مجوز است.

تعمیر و نگهداری و به روز رسانی

پس از انتشار، نرم افزار به به روز رسانی و نگهداری منظم برای رفع اشکالات، بهبود عملکرد و افزودن ویژگی های جدید نیاز دارد. جمع آوری و پاسخ به بازخورد کاربران برای بهبودهای آینده و رفع اشکال، نرم افزار FDTD را قابل استفاده و ارزشمند نگه می دارد. به روز نگه داشتن نرم افزار با آخرین فن آوری های محاسباتی و پیشرفت های علمی تضمین می کند که مشتریان همچنان از نرم افزار استفاده خواهند کرد.

ایجاد نرم افزار FDTD یک تلاش چند رشته ای است که شامل تخصص در الکترومغناطیسی، روش های عددی، علوم کامپیوتر، مهندسی نرم افزار و طراحی تجربه کاربر است. این یک فرآیند پیچیده است که نیاز به توسعه و اصلاح مداوم دارد تا نیازهای در حال تحول پایگاه کاربر را برآورده کند.

شکل 5: نرم افزار FDTD به دلیل توانایی در مدل سازی دقیق برهمکنش های الکترومغناطیسی، کاربردهای گسترده ای در زمینه های مختلف دارد.

برنامه های کاربردی

نرم افزار FDTD به دلیل توانایی در مدل سازی دقیق فعل و انفعالات الکترومغناطیسی، کاربردهای گسترده ای در زمینه های مختلف دارد. برخی از کاربردهای اولیه عبارتند از:

طراحی و تحلیل آنتن

شبیه سازی الگوهای تابش، امپدانس و پهنای باند آنتن ها پیچیده است و برای انجام آن به نرم افزار FDTD نیاز دارد. تجزیه و تحلیل تعامل بین عناصر در یک آرایه برای بهینه سازی شکل دهی پرتو و کاهش تداخل منجر به عملکرد و طراحی بهتر آنتن و آرایه می شود.

طراحی اجزای مایکروویو و RF

طراحی و بهینه سازی موجبرها و سایر سازه های هدایت کننده نیز با نرم افزار FDTD انجام می شود. ایجاد و آزمایش فیلترهای مایکروویو، رزوناتورها و سایر اجزای غیرفعال از طریق مدل‌سازی دقیق تا حد زیادی تسهیل می‌شود.

فوتونیک و اپتوالکترونیک

کریستال های فوتونیک را می توان با نرم افزار FDTD مطالعه کرد، به ویژه خواص مواد باند گپ فوتونی. طراحی موجبرها و فیبرهای نوری یکپارچه زمانی که بتوان عملکرد را به صورت دیجیتالی قبل از ساخت یک دستگاه واقعی شبیه سازی کرد، بسیار ساده تر است. بررسی رزونانس های پلاسمون سطحی و کاربردهای آن در حسگرها و مدارها یکی دیگر از کاربردهای نرم افزار FDTD است.

فرامواد

مواد خاصی برای داشتن خواص الکترومغناطیسی خاص طراحی شده اند. مصالح با ضریب منفی، موادی با ضریب شکست منفی، وقتی با نرم افزار FDTD طراحی شوند، آسان تر ساخته می شوند. این مواد با شاخص منفی را می توان برای لنزها و وسایل پوشاننده از جمله موارد دیگر استفاده کرد. مواد کایرال و بی همسانگرد خواص شگفت انگیزی دارند. کاوش در خواص مواد با فعل و انفعالات پیچیده الکترومغناطیسی با استفاده از نرم افزار FDTD کمک زیادی می کند.

سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) و تداخل (EMI)

ارزیابی اثربخشی محافظ الکترومغناطیسی در کابل‌ها و محفظه‌های الکترونیکی زمانی آسان‌تر است که عملکرد از قبل مدل‌سازی شود. تجزیه و تحلیل جفت الکترومغناطیسی بین اجزا و سیستم ها برای کاهش تداخل نیز از طریق مدل سازی کمک می شود.

رادار و تجزیه و تحلیل پراکندگی

نرم افزار FDTD می تواند سطح مقطع راداری اجسام را برای فناوری مخفی کاری و تجزیه و تحلیل امضای رادار پیش بینی کند. همچنین می توان از آن برای بررسی پراکندگی امواج الکترومغناطیسی از اجسام پیچیده استفاده کرد.

الکترومغناطیسی زیست پزشکی

تصویربرداری پزشکی یک برنامه اضافی از نرم افزار FDTD است. توسعه و بهبود تکنیک هایی مانند MRI تا حدی از طریق مدل سازی و اصلاح عملکرد الکترومغناطیسی و پاسخ مواد و اجزای مورد استفاده انجام می شود. محاسبه SAR در بافت های بیولوژیکی برای ارزیابی ایمنی دستگاه های بی سیم یک کاربرد بیولوژیکی اضافی از نرم افزار FDTD است.

سیستم های ارتباطی بی سیم

شبیه سازی انتشار سیگنال بی سیم در محیط های پیچیده شهری، سرپوشیده یا پوشش گیاهی می تواند بدون استفاده از نرم افزار FDTD بسیار دشوار باشد. این نرم افزار همچنین برای تجزیه و تحلیل میدان های الکترومغناطیسی اطراف دستگاه های تلفن همراه برای قرار دادن آنتن و انطباق SAR استفاده می شود.

علوم زمین و ژئوفیزیک

GPR برای تصویربرداری از زیر زمین فوق العاده مفید است. FDTD GPR را برای تصویربرداری زیرسطحی شبیه سازی می کند تا مکان یابی ابزارها و دیگر اشیاء مدفون شده باشد. الکترومغناطیسی اتمسفر کاملاً پیچیده است و نیاز به مطالعه دقیق دارد. با نرم افزار FDTD، مطالعه رعد و برق و سایر پدیده های الکترومغناطیسی جوی کمی آسان تر می شود.

تطبیق پذیری نرم افزار FDTD در مدیریت هندسه ها، مواد و شرایط مرزی پیچیده، آن را به ابزاری قدرتمند در این برنامه های متنوع تبدیل می کند. توانایی شبیه‌سازی پاسخ دامنه زمانی این سیستم‌ها بینش‌هایی را در مورد رفتار آنها فراهم می‌کند، که می‌تواند هم برای بهینه‌سازی طراحی و هم برای درک نظری بسیار مهم باشد.

استانداردها

نرم افزار FDTD، مانند سایر نرم افزارهای شبیه سازی مورد استفاده در رشته های مهندسی و علمی، تابع استانداردهای مختلفی است که دقت، قابلیت اطمینان و ایمنی را در کاربردهای آن تضمین می کند. در اینجا برخی از استانداردها و دستورالعمل هایی که ممکن است اعمال شوند آورده شده است:

• استاندارد IEEE 1597

• استاندارد IEEE 1128

• IEC 62311

• IEC 62209

• ISO 11452-2

این استانداردها عملکرد و ایمنی جنبه های مختلف نرم افزار یا برنامه های کاربردی FDTD را در جایی که از آنها استفاده می شود، راهنمایی می کند. به عنوان مثال، برخی استانداردها، روش های اعتبارسنجی را برای روش های الکترومغناطیسی محاسباتی ارائه می دهند که شامل شبیه سازی FDTD می شود. برخی دیگر به دقت روش های محاسباتی برای تجزیه و تحلیل آنتن می پردازند که اغلب از تکنیک های FDTD استفاده می کنند.

برخی استانداردها، به ویژه آنهایی که توسط IEC صادر شده اند، انطباق تجهیزات الکترونیکی یا الکتریکی را با توجه به قرار گرفتن انسان در معرض میدان های الکترومغناطیسی فرکانس رادیویی ارزیابی می کنند. سری دیگر استانداردها روش هایی را برای ارزیابی قرار گرفتن انسان در معرض میدان های الکترومغناطیسی از دستگاه های مورد استفاده در مجاورت بدن مشخص می کنند که اغلب با استفاده از نرم افزار FDTD برای محاسبات SAR ارزیابی می شود.

همچنین ذکر دستورالعمل های FCC هنگام بحث در مورد استانداردهای مربوط به نرم افزار FDTD ضروری است. در ایالات متحده، کمیسیون ارتباطات فدرال دستورالعمل هایی را در مورد قرار گرفتن انسان در معرض میدان های الکترومغناطیسی ارائه می دهد که بر استفاده از نرم افزار FDTD در طراحی دستگاه های بی سیم تأثیر می گذارد.

رعایت این استانداردها تضمین می کند که نرم افزار FDTD قابل اعتماد است و نتایج آن توسط نهادهای نظارتی و در جوامع علمی و مهندسی پذیرفته می شود. برای نرم افزارهای تجاری، رعایت این استانداردها اغلب به عنوان یک علامت کیفیت عمل می کند و می تواند برای پذیرش بازار بسیار مهم باشد.

منبع

globalspec