Finite Element Electromagnetic Simulator
Authors
Christiansen, Benjamin Becsei ; Thiellesen, Jeppe
Term
4. Semester
Education
Publication year
2021
Submitted on
2021-06-03
Pages
74
Abstract
This thesis builds an electromagnetic Finite Element Method (FEM) simulator for homogeneous, multiport waveguide networks. Waveguides are metal channels that carry high-frequency signals; multiport means several inputs and outputs, and homogeneous means the same material throughout. The thesis explains the mathematical basis of FEM and shows how reference triangles and numerical integration are used in the implementation. The Gmsh application is used to generate a first-order tetrahedral mesh for the FEM calculations. The simulator computes scattering parameters (S-parameters), which describe how much signal is reflected or transmitted between ports, and electric fields inside the waveguide. Results are compared with the analytical solution for a TE10 mode in a perfect-conductor waveguide, with the Finite Integration Technique (FIT), and with the FEM algorithm in CST Studio Suite by Dassault Systems. In the passband for S21 (transmission from port 1 to port 2), the magnitude difference from our implementation is -71.56 dB relative to CST-FEM and -70.26 dB relative to CST-FIT, indicating very close agreement.
Dette speciale udvikler en elektromagnetisk Finite Element Method (FEM)-simulator til homogene, flerports bølgeledningsnetværk. Bølgeledere er metalkanaler, der leder højfrekvente signaler; flerports betyder flere ind- og udgange, og homogen betyder samme materiale. Specialet gennemgår den matematiske baggrund for FEM og viser, hvordan reference-trekanter og numerisk integration bruges i implementeringen. Programmet Gmsh anvendes til at generere et førsteordens tetraedernet, som FEM-algoritmen beregner på. Simulatoren beregner spredningsparametre (S-parametre), som angiver hvor meget signal der reflekteres og transmitteres mellem porte, samt elektriske felter inde i bølgelederen. Resultaterne sammenlignes med den analytiske løsning for en TE10-tilstand i en ideelt ledende bølgeleder, med Finite Integration Technique (FIT) og med FEM-algoritmen i CST Studio Suite (Dassault Systems). I passbåndet for S21 (transmission fra port 1 til port 2) er størrelsesforskellen fra vores implementering -71,56 dB i forhold til CST-FEM og -70,26 dB i forhold til CST-FIT, hvilket indikerer meget tæt overensstemmelse.
[This apstract has been rewritten with the help of AI based on the project's original abstract]
Keywords