Predição de campos em ambientes interiores utilizando uma técnica híbrida baseada na combinação dos métodos de traçado de raios e diferenças finitas (FDTD)

Abstract

Neste trabalho, foi desenvolvido um modelo computacional híbrido fundamentado na combinação das Técnicas de Traçado de Raios e FDTD (Finite-difference time-domain) para o cálculo de campos eletromagnéticos em ambientes interiores (indoor). O algoritmo de Traçado de Raios é um método assintótico (adequado para aplicações em altas frequências) que mescla técnicas de computação gráfica e cálculo eletromagnético de campos. A abordagem bidimensional adotada utiliza o princípio da Ótica Geométrica (GO - Geometrical Optics) para a determinação analítica do campo espalhado. Com base na Teoria das Imagens, as trajetórias possíveis de reflexão são estimadas através de raios que representam a propagação das ondas de radiofrequência radiadas por uma fonte transmissora até um ponto de recepção. Essa modelagem é vantajosa, pois a análise é realizada apenas no domínio de interesse. O método das diferenças finitas no domínio do tempo (FDTD) é empregado como solução em problemas eletromagnéticos para simular o espalhamento de ondas em campos nos quais não apresentam características uniformes e a análise analítica não é eficiente. A base de cálculo é referenciada nas equações de Maxwell discretizadas no tempo e espaço. A técnica híbrida se fundamenta na utilização da metodologia de Traçados de Raios como fonte primária de análise em uma ampla área de cálculo, e posteriormente, o FDTD no estudo de regiões próximas às descontinuidades complexas e não homogeneidade do meio, onde soluções baseadas em raios não são suficientemente precisas. Exemplos de aplicações bidimensionais do método proposto são realizadas em cenários interiores, avaliando os canais de radioenlace por meio do levantamento de distribuição de campos. Resultados numéricos são verificados com base em soluções exatas conhecidas, presentes na literatura, e obtidas durante simulações, a fim de validar e reproduzir um comparativo entre os métodos de Traçado de Raios (em que há homogeneidade da estrutura), FDTD e o modelo híbrido, quantificando a eficácia e a precisão da ferramenta em questão elaborada.<br>

Abstract : A hybrid computational model was developed based on the combination the Ray Tracing and FDTD (Finite-difference time-domain) for the calculation of electromagnetic fields in indoor areas. The algorithm of Plan of Rays is an asymptotic method (appropriate for applications in high frequencies) that mixes techniques of graphic computation with electromagnetic calculation of fields. The 2D approach uses the beginning of the Geometrical Optics (GO) for the determination of the dispersed field. With base on the Image Theory, the possible paths are dear through rays that represent the propagation of the radio waves radiated by a source transceiver until a reception point, besides being a modeling with advantages accuracy; the analysis is just accomplished in the domain of interest. Finite differences time domain method (FDTD) is used as solution electromagnetic problems to simulate radio wave propagation in fields us which doesn't present uniform characteristics and the analytical analysis is not efficient, the calculation base is referenced on Maxwell?s equations discretized in time and space. The hybrid technique is based in the use of the methodology of Ray Tracing method as primary source of analysis in a wide calculation area, and after, FDTD in the study of close areas to complex discontinuities and no homogeneity, where solutions based on rays are not sufficiently necessary. Examples of two-dimensional applications of the proposed method are accomplished in indoor sceneries, evaluating the channels of radio ties through the rising of distribution of fields. Numeric results are verified with base in known exact solutions, presents in the literature, and obtained during simulations, in order to validate and to reproduce a comparative one among Ray Tracing Method (where has homogeneity of the structure), FDTD and the hybrid model, quantifying the effectiveness and accuracy of the tool in elaborated subject.