Spatio-Spectral Analysis of Electromagnetic Wave Propagation

Abstract

Numerical methods such as Finite Difference Time Domain Method (FDTD) solution of Electromagnetic Waves (EMW) are particularly useful for transient analysis of EMW propagation. However, transient analysis methods are not effective for analysis of spectral properties of wave propagation in anisotropic media. In order to consider frequency dependence of material parameters (permittivity, permeability and conductivity), frequency-depended FD-FDTD methods ((FD)2TD) are proposed. Besides, high computational complexity and stability problems of solution, relevance of solution is questionable.  There is a need for straight forward analytical solution for perform spatio-spectral investigation of basic structures and the verification of simulation results. This study presents a solution of Maxwell equations for directional wave propagation in media where dielectric constant expressed with respect to wave frequency. This provides low complexity fundamental analyses of EMW propagation in homogeneous material.

Keywords

• Maxwell equation,Spatio-spectral analysis,Field phasors

Elektromanyetik Dalga Yayılımının Uzaysal-Spektral Analizi

Abstract

Farklı elektrofiziksel özelliklere sahip lineer, homojen ve izotrop ortamlarda elektromanyetik dalga (EMW) yayılmasının transient analizi için zamanda sonlu farklar metodu (FDTD) gibi sayısal yöntemler önem arz etmektedir. Bununla birlikte, transient analiz yöntemleri, anizotropik ortamdaki dalga yayılımının spektral özelliklerinin analizi için pek etkili değildir. Bu nedenle, elektromanyetik dalganın yayıldığı bir ortamda, ortam parametrelerinin frekansa bağımlılığını (𝜀𝑎-elektrik geçirgenlik, 𝜇𝑎-manyetik geçirgenlik ve 𝜎-iletkenlik) dikkate almak için, frekans bağımlı FD-FDTD yöntemleri ((FD)2TD) önerilmiştir. Ayrıca, problemin çözümü esnasında oluşan yüksek işlemsel karmaşıklık ve kararlılık problemleri, çözümden elde edilen sonuçların sorgulanmasını gerektirmektedir. Temel yapıların uzaysal-spektral incelemesi ve simülasyon sonuçlarının doğrulanması için ileri analitik çözüme ihtiyaç vardır. Bu çalışmada, dielektrik sabitinin dalga frekansına göre ifade edildiği ortamlarda yönlü dalga yayılımı için Maxwell denklemlerinden hareketle elde edilen çözüm verilmiştir. Elde edilen sonuçlar, düşük karmaşıklıktaki bir homojen yapıya sahip bir materyalde EM dalga yayılımının temel analizlerine olanak sağlar. 

Keywords

• Maxwell denklemi,Uzaysal-spektral analiz,Alan fazörleri,EM dalga yayılımı

References

1. [1] A. Taalbi, G. Bassou, M. Y. Mahmoud, New design of channel drop filters based on photonic crystal ring resonators, Optik - International Journal for Light and Electron Optics 124( 9) (2013) 824–827. [2] H.Z. Alisoy, S. Barlaz Us, B.B. Alagoz, An FDTD based numerical analysis of microwave propagation properties in a skin–fat tissue layers, Optik - International Journal for Light and Electron Optics, Volume 124, Issue 21, November 2013, Pages 5218-5224 [3] N. Simicevic, D.T. Hayniye, FDTD Simulation of exposure of biological material to electromagnetic nanopulses, Phys. Med. Biol. 50 (2005) 347–360. [4] M.E. Kowalski, J.M. Jin, Model-Based Optimization of Phased Arrays for Electromagnetic Hyperthermia, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 52(8) (2004) 1964-1977. [5] V.V. Komarov, Formulations of the coupled mathematical models of microwave heating processes, International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics 36(4) (2011) 309-16. [6] S.E.-S. Abd El-Ghany, A theoretical study on the melting of a finite slab with a pulsed laser, Optik - International Journal for Light and Electron Optics 120 (2009) 890–897. [7] M. J. Moritz, Radial distribution of temperature in a thin lens due to absorption of light and heat conduction, Optik - International Journal for Light and Electron Optics 122 (2011) 1050–1057. [8] F. Marra, L. Zhang, J. G. Lyng, Radio frequency treatment of foods: Review of recent advances, Journal of Food Engineering 91 (2009) 497–508. [9] O. K. Siddiqui, B. S. Yilbas, Solar absorption heating in horizontal channel: Influence of absorbing plate location on thermal performance, Energy Conversion and Management 74 (2013) 140–148. [10] H.Z. Alisoy, B.B. Alagoz, S. Barlaz Us, F.N. Deniz, S. Alagoz, Spatio-spectral analyses of electromagnetic wave energy absorption and heating effect. Optik - International Journal for Light and Electron Optics, Volume 125, Issue 15, August 2014, Pages 4124-4130 [ 11 ]. Sullivan D. M.: "A frequency-depended FDTD Method for Biological Applications." IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, Vol. 40, No. 3, March 1992, pp. 532-539