Solver Asintótico en CST Studio

Asymptotic Solver in CST Studio

Cuando nos enfrentamos a problemas con dimensiones extremadamente grandes (>1000 veces la longitud de onda) y nuestro objetivo de estudio no se centra en el diseño de una estructura electromagnética radiante, como una antena, sino en el comportamiento de las ondas electromagnéticas en ciertas regiones del espacio, el Solver Asintótico de CST es la mejor opción posible.

Este Solver Asintótico es un método de cálculo computacional utilizado en CST para resolver problemas electromagnéticos en el dominio de la frecuencia. Sin embargo, se enfoca en cómo se comportan las ondas electromagnéticas al entrar en contacto con superficies específicas, y se basa en la técnica de trazado de rayos (ray-tracing), también conocida como "shooting and bouncing rays" (SBR) que consisten en trazar y seguir el recorrido de los rayos electromagnéticos.

Técnica de Trazado de Rayos (SBR)

Este método consiste en el trazado de rayos electromagnéticos y el seguimiento de su recorrido, estudiando cómo afectan al entrar en contacto con diferentes materiales según su composición y geometría. Por lo tanto, se trata de un modelo determinista que se fundamenta en la aplicación de la óptica geométrica (GO) y la Teoría Uniforme de la Difracción (UTD) para determinar el comportamiento de las ondas electromagnéticas en el espacio.

Este enfoque es posible debido a que el solver está diseñado para estructuras muy grandes, donde la zona de estudio se encuentra en la región de campo lejano de los elementos radiantes. Esto permite considerar los campos electromagnéticos como rayos simples, lo que simplifica enormemente el análisis al seguir el camino de propagación de las ondas electromagnéticas de manera similar al recorrido de un rayo óptico. Además, también se pueden simular agrupaciones de rayos, conocidas como tubos de rayos, lo que permite un estudio más completo y eficiente del problema.

En el método del Solver Asintótico, se consideran dos mecanismos fundamentales de propagación: reflexión y difracción.

• La reflexión es el proceso mediante el cual una onda electromagnética incide sobre un objeto y rebota, cambiando su dirección de propagación. En la óptica geométrica, se utiliza la ley de Snell para describir cómo la onda reflejada se comporta en términos de ángulo de incidencia y ángulo de reflexión.
• La difracción ocurre cuando un rayo electromagnético encuentra una superficie con irregularidades abruptas, como esquinas o bordes afilados. En este caso, la onda incidente se difracta y se generan ondas secundarias desde estas irregularidades. La difracción se rige por el principio de Huygens, que establece que cada punto de una onda se comporta como una fuente de ondas secundarias.

En los puntos donde los rayos de ondas electromagnéticas interactúan con los materiales, se calcula la corriente de superficie J, la cual esta directamente relacionada con el campo magnético.

Ventajas e Inconvenientes

El Solver Asintótico es especialmente adecuado para problemas que involucran estructuras grandes, donde las técnicas de solución directa se vuelven computacionalmente costosas o incluso inmanejables. Este solver se utiliza principalmente para el cálculo de dispersiones y ubicación de antenas en objetos eléctricamente muy grandes, que son difíciles de manejar con otros métodos de solución electromagnética.

Una de las ventajas del Solver Asintótico es su eficiencia en el cálculo, especialmente en frecuencias altas. Esto permite realizar análisis de dispersión y ubicación de antenas en objetos eléctricamente grandes en un tiempo razonable. Además, la generación de mallas en este solucionador es muy robusta y no depende tanto de la calidad del modelo CAD, lo que significa que puede lidiar con modelos CAD menos precisos sin comprometer la precisión de los resultados.

Sin embargo, es importante tener en cuenta que el Solver Asintótico tiene ciertas limitaciones. Actualmente, solo admite materiales de fondo de vacío y condiciones de frontera abiertas. Esto significa que no es adecuado para problemas que involucren materiales con propiedades complejas o interfaces con otros materiales. Si se requiere considerar materiales más complejos, como materiales dieléctricos o conductores con propiedades no triviales, se deben utilizar otros solucionadores o métodos.

En resumen, el Solver Asintótico es un método de cálculo utilizado en problemas electromagnéticos que involucran estructuras grandes o complejas. Su aplicación principal se encuentra en el cálculo de dispersión, ubicación de antenas y secciones eficientes de radar (RCS). Ofrece ventajas en términos de eficiencia de cálculo y robustez en la generación de mallas, pero tiene limitaciones en cuanto a los materiales admitidos. Es importante considerar estas limitaciones al seleccionar el solucionador más adecuado para cada problema electromagnético.

When we encounter problems with extremely large dimensions (>1000 times the wavelength) and our study objective is not focused on designing a radiating electromagnetic structure, such as an antenna, but rather on the behavior of electromagnetic waves in specific regions of space, CST's Asymptotic Solver is the best possible choice.

This Asymptotic Solver is a computational calculation method used in CST to solve electromagnetic problems in the frequency domain. However, it focuses on how electromagnetic waves behave when they come into contact with specific surfaces and is based on the ray-tracing technique, also known as "shooting and bouncing rays" (SBR), which involves tracing and following the path of electromagnetic rays.

Ray-Tracing Technique (SBR)

This method involves tracing electromagnetic rays and tracking their paths, studying how they behave when they come into contact with different materials based on their composition and geometry. It is, therefore, a deterministic model based on the application of geometric optics (GO) and Uniform Theory of Diffraction (UTD) to determine the behavior of electromagnetic waves in space.

This approach is possible because the solver is designed for very large structures, where the study area is located in the far-field region of radiating elements. This allows electromagnetic fields to be considered as simple rays, greatly simplifying the analysis by following the path of electromagnetic wave propagation similar to an optical ray. Additionally, it can also simulate ray bundles, known as ray tubes, allowing for a more comprehensive and efficient study of the problem.

In the Asymptotic Solver method, two fundamental propagation mechanisms are considered: reflection and diffraction.

Reflection is the process by which an electromagnetic wave strikes an object and bounces off, changing its direction of propagation. Geometric optics uses Snell's law to describe how the reflected wave behaves in terms of the angle of incidence and angle of reflection.

Diffracción occurs when an electromagnetic ray encounters a surface with abrupt irregularities, such as corners or sharp edges. In this case, the incident wave diffracts, and secondary waves are generated from these irregularities. Diffraction is governed by Huygens' principle, which states that each point on a wave behaves as a source of secondary waves.

Advantages and Disadvantages

The Asymptotic Solver is particularly suitable for problems involving large structures where direct solution techniques become computationally expensive or even unmanageable. This solver is primarily used for calculating scatterings and antenna placements on electrically very large objects that are challenging to handle with other electromagnetic solution methods.

One advantage of the Asymptotic Solver is its efficiency in calculation, especially at high frequencies. This allows for the analysis of scattering and antenna placements on electrically large objects in a reasonable time. Additionally, mesh generation in this solver is very robust and does not depend as much on the quality of the CAD model, meaning it can handle less precise CAD models without compromising result accuracy.

However, it is important to note that the Asymptotic Solver has certain limitations. Currently, it only supports vacuum background materials and open boundary conditions. This means it is not suitable for problems involving materials with complex properties or interfaces with other materials. If more complex materials, such as dielectric materials or conductors with non-trivial properties, need to be considered, other solvers or methods must be used.

In summary, the Asymptotic Solver is a calculation method used in electromagnetic problems involving large or complex structures. Its primary application is in the calculation of scattering, antenna placements, and radar cross-section (RCS) efficiencies. It offers advantages in terms of calculation efficiency and mesh generation robustness but has limitations regarding supported materials. It is important to consider these limitations when selecting the most suitable solver for each electromagnetic problem.