[pt] MÉTODOS SEMIANALÍTICOS PARA A ANÁLISE DA PROPAGAÇÃO ELETROMAGNÉTICA EM GUIAS DE ONDA ANISOTRÓPICOS E NÃO HOMOGÊNEOS COM SEÇÃO TRANSVERSAL ARBITRÁRIA USANDO HARMÔNICOS CILÍNDRICOS

[en] SEMI-ANALYTICAL METHODS FOR THE ELECTROMAGNETIC PROPAGATION ANALYSIS OF INHOMOGENEOUS ANISOTROPIC WAVEGUIDES OF ARBITRARY CROSS-SECTION BY USING CYLINDRICAL HARMONICS

[pt] JOHNES RICARDO GONCALVES

[pt] MEIOS ANISOTROPICOS

[pt] METODO DE CASAMENTO PONTUAL

[pt] TECNICAS DE PERTURBACAO

[pt] HARMONICOS CILINDRICOS

[pt] MAPEAMENTO CONFORMAL

[en] ANISOTROPIC MEDIA

[en] POINT-MATCHING METHOD

[en] PERTURBATION TECHNIQUES

[en] CYLINDRICAL HARMONICS

[en] CONFORMAL MAPPING

[pt] Esta tese apresenta um estudo sobre métodos semianalíticos para modelagem de guias de ondas com contornos complexos. Os campos eletromagnéticos dentro de meios não homogêneos e anisotrópicos são resolvidos por meio de harmônicos cilíndricos como base para outras abordagens numéricas, como o método de perturbação regular (RPM), o método de perturbação de material em cavidade (CMPM) e o método de casamento de pontos (PMM). As novas soluções semianalíticas que exploramos aqui podem ser empregadas para a análise de comunicação sem fio ao longo de túneis, bem como para a modelagem de sensores realistas de perfilagem durante a perfuração em problemas geofísicos de baixa frequência. Estudamos o potencial do RPM ao combiná-lo com os princípios da transformação óptica (TO) para analisar um guia de onda coaxial excêntrico preenchido com materiais anisotrópicos. Além disso, estendemos o CMPM clássico proposto por Harrington para lidar com meios anisotrópicos para resolver os números de onda de corte dos campos modais no mesmo guia de onda de maneira aproximada, mas numericamente eficiente. Outra solução de perturbação é proposta combinando as correções de baixa ordem do RPM no CMPM para fornecer correções de alta ordem para os números de onda de corte dos modos suportados pelo guia. Uma formulação matemática de um método semianalítico baseado em PMM para resolver guias de onda preenchidos com meios anisotrópicos e com camadas arbitrárias também é apresentada. Uma versão melhorada deste método é introduzida para modelar estruturas guiadas cilíndricas de múltiplas camadas não circulares. Essas soluções baseadas em casamento de pontos representam boas alternativas para abordagens de força bruta, como métodos de elementos finitos e de diferenças finitas.

[en] This thesis presents a study on semi-analytic methods for modeling waveguides with complex-shaped boundaries. The electromagnetic fields inside inhomogeneous and anisotropic media are solved via cylindrical harmonics as a basis for other numerical approaches, including the regular perturbation method (RPM), the cavity-material perturbation method (CMPM), and the point-matching method (PMM). The novel semi-analytic solutions we have explored here can be employed for the analysis of wireless communication along tunnels and boreholes as well as for the modeling of realistic logging-whiledrilling (LWD) sensors and their environments at low-frequency geophysical problems. We studied the potential of the RPM when combining it with the transformation optics (TO) principles to analyze an eccentric coaxial waveguide filled with anisotropic materials. Furthermore, we have extended the classical CMPM proposed by Harrington to handling anisotropic media for solving the cutoff wavenumbers of the modal fields in the same eccentric coaxial waveguide in an approximated but numerically efficient manner. Another perturbation solution is proposed here and combines the low-order corrections from RPM into the CMPM for providing high-order corrections to the cutoff wavenumbers of the modes supported in this guide. A mathematical formulation of a semi-analytic point-matching method for solving more complex anisotropic-filled waveguides with an arbitrary number of layers is also presented. An improved version of this method is introduced for modeling noncircular multi-layered cylindrical guided structures. Such point-matching-based solutions represent good alternatives to brute-force approaches such as finiteelement and finite-difference methods and motivate further investigations. We present a series of validation results showing the accuracy, efficiency, and potential limitations of the explored methods.

GUILHERME SIMON DA ROSA

JOSE RICARDO BERGMANN

FERNANDO JOSE DA SILVA MOREIRA

FERNANDO LISBOA TEIXEIRA

GUILHERME SIMON DA ROSA

RAFAEL ABRANTES PENCHEL

RAFAEL FERREIRA DA SILVA CALDEIRINHA

2022-10-28

2022-09-30

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INGLÊS

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https://doi.org/10.17771/PUCRio.acad.60998