<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="2.3" xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Phys.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Physics</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Phys.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2296-424X</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">1082688</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fphy.2022.1082688</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Physics</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>A three-dimension terminal simulation tool based on transfinite element method</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Yang et al.</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.3389/fphy.2022.1082688">10.3389/fphy.2022.1082688</ext-link>
</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Yang</surname>
<given-names>Siyi</given-names>
</name>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2073697/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>Hao</given-names>
</name>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2071900/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Xu</surname>
<given-names>Li</given-names>
</name>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>Muyi</given-names>
</name>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>Bingqi</given-names>
</name>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>Hangxin</given-names>
</name>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>Bin</given-names>
</name>
</contrib>
</contrib-group>
<aff>
<institution>School of Electronic Science and Engineering</institution>, <institution>University of Electronic Science and Technology of China</institution>, <addr-line>Chengdu</addr-line>, <country>China</country>
</aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Edited by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/906227/overview">Amin Chabchoub</ext-link>, Kyoto University, Japan</p>
</fn>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Reviewed by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1065026/overview">Zhaowen Yan</ext-link>, Beihang University, China</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1752426/overview">Ningfeng Bai</ext-link>, Southeast University, China</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x2a;Correspondence: Hao Wang, <email>haowang@uestc.edu.cn</email>
</corresp>
<fn fn-type="other">
<p>This article was submitted to Statistical and Computational Physics, a section of the journal Frontiers in Physics</p>
</fn>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>07</day>
<month>12</month>
<year>2022</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2022</year>
</pub-date>
<volume>10</volume>
<elocation-id>1082688</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>28</day>
<month>10</month>
<year>2022</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>25</day>
<month>11</month>
<year>2022</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#xa9; 2022 Yang, Wang, Xu, Chen, Liu, Liu and Li.</copyright-statement>
<copyright-year>2022</copyright-year>
<copyright-holder>Yang, Wang, Xu, Chen, Liu, Liu and Li</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<p>In the design of high-speed interconnection systems, it is often necessary to evaluate signal integrity and electromagnetic interference performance by extracting terminal network parameters and differential and common mode network parameters. However, in a multi-conductor transmission line, the characteristic parameters related to different conductors, which named terminal in terminal theory, are couped together in traditional model network parameters and could not be extracted directly. Therefore, in this paper, a three-dimension terminal simulation tool based on transfinite element method is developed to solve this problem. The vector finite element method is combined with the transfinite element method, and the electric field of the truncation surface is approximated by the expansion of the truncation surface mode function. As far as we know, the combination of the transfinite element method and the terminal theory is proposed for the first time. The terminal simulation tool has a human-computer interaction interface, as well as functions such as modeling, mesh generation, solution setting, and post-processing result display, which can accurately obtain the terminal network parameters and differential and common mode network parameters. Numerical examples are given to demonstrate the accuracy and efficiency of the developed tool compared with the results from HFSS.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>terminal simulation tool</kwd>
<kwd>full-wave electromagnetic analysis</kwd>
<kwd>transfinite element method</kwd>
<kwd>finite element method</kwd>
<kwd>terminal network parameter</kwd>
</kwd-group>
<contract-num rid="cn001">62071102 12102087 61921002</contract-num>
<contract-sponsor id="cn001">National Natural Science Foundation of China<named-content content-type="fundref-id">10.13039/501100001809</named-content>
</contract-sponsor>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<title>Introduction</title>
<p>With the development of electronic technology, the operating speed and frequency of electronic equipment, and the integration of components have been continuously increasing [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>]. In high-speed interconnection systems, signal integrity problems such as reflection, crosstalk, delay and interference will occur when high-speed signals pass through interconnection lines [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>]. Signal integrity has become one of the key issues in the successful design of high-speed digital systems [<xref ref-type="bibr" rid="B5">5</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>]. Signals propagate through the high-speed interconnection lines in the form of electromagnetic waves [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>]. In the low-frequency region, the quasi-TEM models based on the equivalent physical circuit models assume that the propagating waves are similar to the pure TEM modes and neglect the longitudinal field components [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>], thus the quasi-TEM approximation can be effectively and accurately carried out. However, this method can yield accurate results only at the low-frequency region, and there is no clear upper limit of frequency to ensure its effectiveness [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>]. As the frequency increases and the structure becomes more complex, the dispersion characteristics of the interconnection lines become more predominant. At higher frequencies, when the longitudinal field components are no longer negligible, the assumption of quasi-TEM models is not valid, and the full-wave electromagnetic analysis must be carried out [<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>].</p>
<p>The finite element method (FEM) [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>] is one of the popular full-wave analysis methods in electromagnetic simulation. The FEM can match complex structure by flexible tetrahedral meshes, so it has the advantages of flexibility and versatility [<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>]. With the development of computing technology and computer aided design, there are many kinds of commercial software based on the FEM, such as the commonly used commercial software HFSS.</p>
<p>After the full-wave electromagnetic analysis of the high-speed interconnection system, the network parameters are usually extracted for frequency domain or time domain analysis [<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B15">15</xref>]. The traditional finite element method uses wave port excitation to obtain modal transmission characteristic parameters [<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>]. The transmission characteristics of each mode are coupled together and cannot be extracted individually. In addition, because most interconnection structures are of the open type, when the traditional FEM is used to deal with the truncation of the unbounded region, the artificial boundary is often approximated by the absorbing boundary condition [<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>], which is generally the approximation of the precise radiation boundary condition, so the accuracy and application range are limited.</p>
<p>The transfinite element method (TFEM) has the following advantages. Firstly, the processing of the truncation surface is based on the expansion of the mode function, which reduces the number of unknowns at the truncation surface and saves the storage space for the matrix. Secondly, the mode function expansion process for higher-order modes is simplified, so that the field distribution of the truncation port can be described more accurately. Finally, the modal characteristic parameters can be directly obtained from the final calculation results, so that the terminal characteristic parameters can be obtained by transformation. Therefore, the TFEM is adopted to obtain the terminal characteristic parameters accurately and conveniently.</p>
<p>In this paper, the combination of the TFEM and the terminal theory is proposed for the first time, and a three-dimension terminal simulation tool based on the transfinite element method for the analysis of electromagnetic effects in high-speed interconnection systems is developed. We first introduce the architecture of the terminal simulation tool. Then we introduce related theories and formulas, including the derivation of finite element formulas, transfinite element method and terminal theory. Finally, some numerical examples are presented to demonstrate the accuracy and efficiency of the terminal simulation tool.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<title>Architecture of the terminal simulation tool</title>
<p>The architecture of the terminal simulation tool shown in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref> refers to [<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>]. The model contains not only CAD geometry information, but also CAE feature information such as materials, boundary conditions, and excitation sources. Fully automatic unstructured meshing based on geometry can be achieved. The generated mesh information is passed to the terminal simulator, and then finite element analysis is performed according to the solution settings such as unit and solution frequency, and finally the obtained simulation result information is displayed.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>FIGURE 1</label>
<caption>
<p>Architecture of the terminal simulation tool.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-1082688-g001.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s3">
<title>Theory and formulation</title>
<sec id="s3-1">
<title>Finite element formulation</title>
<p>As shown in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref>, we consider a general circuit structure. <italic>&#x3a9;</italic> denotes the volume of the computational domain, and is bounded by two types of truncation surfaces, including the ports T<sub>
<italic>i</italic>
</sub> (<italic>i</italic> &#x3d; 1, 2, &#x2026; , <italic>p</italic>) and the side wall <italic>T</italic>
<sub>0</sub>. In the structure, Tc denotes the surface of a conductor and Td denotes the interface between different dielectric materials. In the computational domain, the electric field <italic>
<bold>E</bold>
</italic> in <italic>&#x3a9;</italic> must satisfy the vector wave equation<disp-formula id="e1">
<mml:math id="m1">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">J</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(1)</label>
</disp-formula>where <italic>k</italic>
<sub>0</sub> and <italic>Z</italic>
<sub>0</sub> are the wavenumber and the intrinsic impedance of free space; and <bold>
<italic>J</italic>
</bold>
<sub>
<italic>i</italic>
</sub> is an impressed current density as an excitation source.</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>FIGURE 2</label>
<caption>
<p>Schematic diagram of general circuit structure.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-1082688-g002.tif"/>
</fig>
<p>The boundary conditions applied in the electromagnetic simulation include the perfect electric conductor (PEC) boundary, the impedance boundary condition (IBC), the absorbing boundary condition (ABC) and port boundary condition (PBC). Implementation of these boundaries in the FEM is described in [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>].</p>
<p>We adopt the Galerkin method, its scalar multiplication of <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Eq. 1</xref> by a weighting function <bold>
<italic>w</italic>
</bold> and integration over the computational domain &#x3a9;, and obtain the weak form as follows<disp-formula id="e2">
<mml:math id="m2">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3a9;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="&#x2329;" close="&#x232a;" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">H</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3a9;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">J</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3a9;</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(2)</label>
</disp-formula>where the surface integral of two complex-valued vector functions will be shorted conveniently as<disp-formula id="e3">
<mml:math id="m3">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="&#x2329;" close="&#x232a;" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x393;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x222c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x393;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(3)</label>
</disp-formula>and the volume integral of two complex-valued functions in a domain <italic>&#x3a9;</italic> is denoted by<disp-formula id="e4">
<mml:math id="m4">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3a9;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x222d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3a9;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(4)</label>
</disp-formula>
</p>
</sec>
<sec id="s3-2">
<title>Transfinite element method</title>
<p>After the finite element analysis of the high-speed interconnection system, the network parameters of the interconnection structure are usually extracted; and the electromagnetic field analysis is converted into a circuit analysis by applying the microwave network theory [<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>]. In general, the characteristics of a network can be analytically described by admittance parameters (Y-parameters), impedance parameters (Z-parameters), or scattering parameters (S-parameters) [<xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>]. Among them, the S-parameter has been widely used in microwave network and microwave circuit analysis. Because its physical meaning is clear and it can be transformed into other network parameters, it is most suitable to describe the external characteristics of the network.</p>
<p>In order to obtain the modal scattering matrix of the port accurately, we use the TFEM. For the convenience of discussion and without loss of generality, we adopt a two-port structure and the first-order vector basis functions. The main idea of TFEM is to combine the weak form of the Helmholtz equation with the expansion of the mode function in the regular truncated region. When the modal impedance and mode function have been obtained, we analyze the mode function set, (<bold>
<italic>E</italic>
</bold>
<sub>
<italic>ij</italic>
</sub>, <bold>
<italic>H</italic>
</bold>
<sub>
<italic>ij</italic>
</sub>) (<italic>i</italic> &#x3d; 1 or 2; <italic>j</italic> &#x3d; 1, 2, &#x2026; , <italic>N</italic>
<sub>
<italic>m</italic>
</sub>) of the electric field and magnetic field of the port. It is assumed that <italic>N</italic>
<sub>
<italic>m</italic>
</sub> is sufficient to provide an accurate approximation of the electric field on the port boundaries <italic>T</italic>
<sub>1</sub> and <italic>T</italic>
<sub>2</sub>, and their electric field mode functions are expressed as follows [<xref ref-type="bibr" rid="B20">20</xref>].<disp-formula id="e5">
<mml:math id="m5">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(5)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>According to the modal orthogonality relationship [<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>], the transverse electric and magnetic fields are normalized to obtain a set of normalized mode functions (<bold>
<italic>e</italic>
</bold>
<sub>
<italic>ij</italic>
</sub>, <bold>
<italic>h</italic>
</bold>
<sub>
<italic>ij</italic>
</sub>) (<italic>i</italic> &#x3d; 1 or 2; <italic>j</italic> &#x3d; 1, 2, &#x2026; , <italic>N</italic>
<sub>
<italic>m</italic>
</sub>). If the computational domain uses tetrahedral meshes for the region discretization, there are triangular elements on the boundaries. Then the total electric and magnetic field of the entire computational domain can be divided into the following form:<disp-formula id="e6">
<mml:math id="m6">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="{" close="" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">H</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">h</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">h</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">h</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(6)</label>
</disp-formula>where <italic>N</italic>
<sub>
<italic>e</italic>
</sub> is the number of edges in the mesh excluding those on the PEC surfaces, <italic>N</italic>
<sub>
<italic>pe</italic>
</sub> is the number of edges on the ports, and <italic>&#x3b1;</italic>
<sub>
<italic>1i</italic>
</sub> and <italic>&#x3b1;</italic>
<sub>
<italic>2i</italic>
</sub> are the coefficients of the <italic>i</italic>-th mode. <bold>
<italic>e</italic>
</bold>
<sub>1<italic>k</italic>
</sub> denotes the excitation on <italic>T</italic>
<sub>1</sub> for the problem, which is the <italic>k</italic>-th mode with amplitude 1. The negative sign in front of <bold>
<italic>h</italic>
</bold>
<sub>1<italic>k</italic>
</sub> is due to the propagation of the excitation wave into the computational domain, and our definition of the propagation directions of the normalized modal electric and magnetic fields is based on the outgoing unit normal along the waveguide axis on the port boundary.</p>
<p>A simplified alternative form of <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">Eq. 6</xref> is obtained by absorbing the incident electric field mode into the modal sum, and the two modified expansions become<disp-formula id="e7">
<mml:math id="m7">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="{" close="" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">H</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">h</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">h</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">h</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(7)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Without considering an impressed current density, substitution of <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">Eq. 7</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">Eq. 2</xref>, then imposing the first-order ABC on <italic>T</italic>
<sub>0</sub> and applying the Galerkin process yields the following finite element equation for <italic>j</italic> &#x3d; 1, 2, &#x2026; , <italic>N</italic>
<sub>
<italic>e</italic>
</sub> &#x2212; <italic>N</italic>
<sub>
<italic>pe</italic>
</sub>:<disp-formula id="e8">
<mml:math id="m8">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3a9;</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="&#x2329;" close="&#x232a;" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="&#x2329;" close="&#x232a;" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">h</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">h</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">h</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3a9;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(8)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The surface integral on <italic>T</italic>
<sub>1</sub> and <italic>T</italic>
<sub>2</sub> is zero, because edge elements on <italic>T</italic>
<sub>1</sub> and <italic>T</italic>
<sub>2</sub> have been excluded from the expansion of the electric field vector, and thus <inline-formula id="inf1">
<mml:math id="m9">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#xd7; <bold>
<italic>w</italic>
</bold>
<sub>
<italic>j</italic>
</sub> &#x3d; 0 on <italic>T</italic>
<sub>1</sub> and <italic>T</italic>
<sub>2</sub>. Combining the above <italic>N</italic>
<sub>
<italic>e</italic>
</sub>&#x2212;<italic>N</italic>
<sub>
<italic>pe</italic>
</sub> equations in matrix form, we have<disp-formula id="e9">
<mml:math id="m10">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(9)</label>
</disp-formula>where<disp-formula id="e10">
<mml:math id="m11">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3a9;</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="&#x2329;" close="&#x232a;" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3a9;</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(10)</label>
</disp-formula>and the vector <italic>x</italic>
<sub>
<italic>E</italic>
</sub> contains the expansion coefficients for the <italic>N</italic>
<sub>
<italic>e</italic>
</sub>&#x2212;<italic>N</italic>
<sub>
<italic>pe</italic>
</sub> edge elements; <italic>x</italic>
<sub>1<italic>&#x3b1;</italic>
</sub> and <italic>x</italic>
<sub>2<italic>&#x3b1;</italic>
</sub> are the vector containing the expansion coefficients of the modal field representation of the tangential electric field on the port boundaries <italic>T</italic>
<sub>1</sub> and <italic>T</italic>
<sub>2</sub>. The elements of the matrix <italic>P</italic>
<sub>1</sub> and <italic>P</italic>
<sub>2</sub> are given by<disp-formula id="e11">
<mml:math id="m12">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3a9;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="&#x2329;" close="&#x232a;" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3a9;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(11)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>In a similar manner, multiplying the mode functions <bold>
<italic>e</italic>
</bold>
<sub>
<italic>lj</italic>
</sub> (<italic>l</italic> &#x3d; 1 or 2; <italic>j</italic> &#x3d; 1, 2, &#x2026; , <italic>N</italic>
<sub>
<italic>m</italic>
</sub>) on ports as the weighting function and integrating over the computational domain yields.<disp-formula id="e12">
<mml:math id="m13">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3a9;</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="&#x2329;" close="&#x232a;" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="&#x2329;" close="&#x232a;" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">h</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">h</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">h</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3a9;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(12)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Considering the surface integral over <italic>T</italic>
<sub>1</sub> and making use of the orthogonality of modes, only the term associated with <bold>
<italic>h</italic>
</bold>
<sub>1<italic>j</italic>
</sub> is nonzero. In matrix form, <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">Eq. 12</xref> become<disp-formula id="e13">
<mml:math id="m14">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(13)</label>
</disp-formula>where <italic>I</italic> is an identity matrix, and the elements of <italic>R</italic>
<sub>1</sub> and <italic>R</italic>
<sub>2</sub> are given by<disp-formula id="e14">
<mml:math id="m15">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3a9;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="&#x2329;" close="&#x232a;" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3a9;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(14)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Regarding the excitation vector <italic>f</italic>, all elements are zero except the element in the row associated with the excitation mode k, which has the value <italic>f</italic>
<sub>
<italic>k</italic>
</sub> &#x3d; 2<italic>j&#x3c9;&#x3bc;</italic>
<sub>0</sub>.</p>
<p>Finally, the finite element matrix statement of the problem is obtained by combining <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">Eqs 9</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">13</xref>,<disp-formula id="e15">
<mml:math id="m16">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msubsup>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msubsup>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(15)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Next extending the tangential part of the modal electric fields according to the <italic>N</italic>
<sub>
<italic>pe</italic>1</sub> and <italic>N</italic>
<sub>
<italic>pe</italic>2</sub> edge elements on the port boundaries <italic>T</italic>
<sub>1</sub> and <italic>T</italic>
<sub>2</sub>, we have<disp-formula id="e16">
<mml:math id="m17">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1,2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1,2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(16)</label>
</disp-formula>wher<italic>e</italic> <inline-formula id="inf2">
<mml:math id="m18">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf3">
<mml:math id="m19">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the expansion coefficients in the edge-element expansion of the <italic>i</italic>-th modal field on <italic>T</italic>
<sub>1</sub> and <italic>T</italic>
<sub>2</sub>, respectively. Since the transverse modal electric fields are known, these coefficients are easily calculated. Considering all <italic>N</italic>
<sub>
<italic>m</italic>
</sub> modes, the matrix form expressions of the above equation are<disp-formula id="e17">
<mml:math id="m20">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="true">&#x23df;</mml:mo>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:munder>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
<mml:mn>21</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
<mml:mn>22</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mn>21</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mn>22</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="true">&#x23df;</mml:mo>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:munder>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(17)</label>
</disp-formula>where the vector <italic>b</italic>
<sup>1<italic>i</italic>
</sup> and <italic>b</italic>
<sup>2<italic>i</italic>
</sup> contain the expansion coefficients in the edge-element expansion of the <italic>i</italic>-th mode.</p>
<p>Thus the space <bold>
<italic>W</italic>
</bold> of all edge elements used in the finite element approximation is decomposed into three subsets as follows:<disp-formula id="e18">
<mml:math id="m21">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="{" close="" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2295;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2295;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(18)</label>
</disp-formula>where <italic>W</italic>
<sub>
<italic>I</italic>
</sub> denotes the subset of the edge elements excluding those on PEC surfaces and ports, and <italic>W</italic>
<sub>
<italic>P</italic>1</sub> and <italic>W</italic>
<sub>
<italic>P</italic>2</sub> denote the subset of the edge elements on <italic>T</italic>
<sub>1</sub> and <italic>T</italic>
<sub>2</sub>. We define the notation <italic>W</italic>
<sub>
<italic>q</italic>
</sub>, <italic>q</italic>&#x2208;{<italic>I</italic>, <italic>P</italic>
<sub>1</sub>, <italic>P</italic>
<sub>2</sub>}, as the row vector containing the elements of subset, and<disp-formula id="e19">
<mml:math id="m22">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="&#x2329;" close="&#x232a;" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(19)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Thus the expressions for the matrices <italic>P</italic>
<sub>1</sub>, <italic>P</italic>
<sub>2</sub>, <italic>R</italic>
<sub>1</sub> and <italic>R</italic>
<sub>2</sub> are given by<disp-formula id="e20">
<mml:math id="m23">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="&#x2329;" close="&#x232a;" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="&#x2329;" close="&#x232a;" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="&#x2329;" close="&#x232a;" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="&#x2329;" close="&#x232a;" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(20)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>For the case of truncating the wave ports using the TFEM, we obtain the following form of the finite element matrix<disp-formula id="e21">
<mml:math id="m24">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="&#x2329;" close="&#x232a;" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="&#x2329;" close="&#x232a;" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="&#x2329;" close="&#x232a;" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="&#x2329;" close="&#x232a;" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="&#x2329;" close="&#x232a;" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="&#x2329;" close="&#x232a;" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="&#x2329;" close="&#x232a;" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(21)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The solution of the above matrix equation can directly obtain the electric field solution inside the electromagnetic device according to <italic>x</italic>
<sub>
<italic>E</italic>
</sub> and the modal S-parameters of the modal field. The <italic>i</italic>-th elements of vector <italic>x</italic>
<sub>1<italic>&#x3b1;</italic>
</sub> and <italic>x</italic>
<sub>2<italic>&#x3b1;</italic>
</sub> are equal to the reflection and transmission coefficient of the <italic>i</italic>-th mode. According to <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">Eq. 7</xref>, the reflection coefficient of the excited mode is obtained by subtracting 1 from the <italic>k</italic>-th element of <italic>x</italic>
<sub>1<italic>&#x3b1;</italic>
</sub>.</p>
</sec>
<sec id="s3-3">
<title>Terminal theory</title>
<p>A multiconductor port is composed of coupled signal conductors, and a terminal is assigned on a conductor in contact with the port. The number of modes for a port is determined by the number of terminals that touch the port. If <italic>N</italic> &#x2b; 1 different conductors touch the port, there are <italic>N</italic> terminals and one reference conductor commonly called ground.</p>
<p>When the multiconductor port is used for an excitation, a modal scattering matrix can be directly obtained by exciting each port with a number of modes equal to the number of terminals. Then the modal scattering matrix can be converted to a terminal impedance (admittance) matrix and a terminal scattering matrix referenced to either the actual line characteristic impedance matrix or a normalized impedance (for example, 50&#xa0;&#x3a9;).</p>
<p>The modal port representations of the tangential electric and magnetic fields [<xref ref-type="bibr" rid="B22">22</xref>] are<disp-formula id="e22">
<mml:math id="m25">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="{" close="" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">H</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">h</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(22)</label>
</disp-formula>where <italic>a</italic> and <italic>b</italic> are the complex modal coefficient vectors of the ingoing and outgoing modal fields, respectively, and <italic>a</italic> is related to <italic>b</italic> by the modal scattering matrix as<disp-formula id="e23">
<mml:math id="m26">
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(23)</label>
</disp-formula>where <italic>S</italic>
<sub>
<italic>m</italic>
</sub> denotes the modal scattering matrix.</p>
<p>According to the definition of voltage and Ampere&#x2019;s law, the terminal voltages and currents in matrix notation are given by<disp-formula id="e24">
<mml:math id="m27">
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(24)</label>
</disp-formula>where <italic>M</italic>
<sub>
<italic>v</italic>
</sub> and <italic>M</italic>
<sub>
<italic>i</italic>
</sub> are the modal voltage and current matrices. Combining <xref ref-type="disp-formula" rid="e23">Eqs 23</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e24">24</xref> yields the following relationship<disp-formula id="e25">
<mml:math id="m28">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(25)</label>
</disp-formula>where the terminal admittance matrix <italic>Y</italic>
<sub>
<italic>t</italic>
</sub> is given by<disp-formula id="e26">
<mml:math id="m29">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(26)</label>
</disp-formula>and <italic>I</italic> is identity matrix.</p>
<p>In order to obtain the terminal scattering matrix <italic>S</italic>
<sub>
<italic>t</italic>
</sub>, we assume that <italic>&#x3b1;</italic> and <italic>&#x3b2;</italic> are ingoing and outgoing nodal waves, respectively. <italic>&#x3b1;</italic> is related to <italic>&#x3b2;</italic> by the terminal scattering matrix as<disp-formula id="e27">
<mml:math id="m30">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(27)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Using the following definitions</p>
<p>
<disp-formula id="e28">
<mml:math id="m31">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:msub>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:msubsup>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(28)</label>
</disp-formula>and substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="e25">Eq. 25</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="e28">Eq. 28</xref>, we obtain<disp-formula id="e29">
<mml:math id="m32">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:msubsup>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msqrt>
<mml:msub>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:msqrt>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(29)</label>
</disp-formula>where <italic>Z</italic>
<sub>
<italic>t</italic>
</sub> &#x3d; <italic>Y</italic>
<sub>
<italic>t</italic>
</sub>
<sup>&#x2212;1</sup> is an impedance matrix and <italic>Z</italic>
<sub>
<italic>r</italic>
</sub> is the reference impedance matrix.</p>
<p>The terminal scattering matrix <italic>S</italic>
<sub>
<italic>t</italic>
</sub> is given by<disp-formula id="e30">
<mml:math id="m33">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:msubsup>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msqrt>
<mml:msub>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(30)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Thus the modal <italic>S</italic>-parameters are converted into the terminal <italic>S</italic>-parameters, and other characteristic parameters, such as the terminal <italic>Y</italic>-parameters and the terminal <italic>Z</italic>-parameters, can also be obtained.</p>
<p>In theory, the combination of two single-ended conducting traces is a differential pair. The differential pair is an effective way to remove noise from a signal. As shown in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref>, a differential signal is transmitted through the differential pair, and the voltages <italic>v</italic>
<sub>1</sub> and <italic>v</italic>
<sub>2</sub> on the two traces are equal and opposite. The differential and common voltages <italic>v</italic>
<sub>
<italic>d</italic>
</sub> and <italic>v</italic>
<sub>
<italic>c</italic>
</sub> are defined by<disp-formula id="e31">
<mml:math id="m34">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(31)</label>
</disp-formula>
</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>FIGURE 3</label>
<caption>
<p>Schematic diagram of differential transmission lines.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-1082688-g003.tif"/>
</fig>
<p>According to the law of conservation of energy, the differential and common currents <italic>i</italic>
<sub>
<italic>d</italic>
</sub> and <italic>i</italic>
<sub>
<italic>c</italic>
</sub> are defined by<disp-formula id="e32">
<mml:math id="m35">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(32)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>
<xref ref-type="disp-formula" rid="e31">Eqs 31</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e32">32</xref> can be represented as follows:<disp-formula id="e33">
<mml:math id="m36">
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(33)</label>
</disp-formula>where <italic>v</italic> &#x3d; [<italic>v</italic>
<sub>1</sub> <italic>v</italic>
<sub>2</sub>]<sup>
<italic>T</italic>
</sup>, <italic>e</italic> &#x3d; [<italic>v</italic>
<sub>
<italic>d</italic>
</sub> <italic>v</italic>
<sub>
<italic>c</italic>
</sub>]<sup>
<italic>T</italic>
</sup>, <italic>i</italic> &#x3d; [<italic>i</italic>
<sub>1</sub> <italic>i</italic>
<sub>2</sub>]<sup>
<italic>T</italic>
</sup>, <italic>u</italic> &#x3d; [<italic>i</italic>
<sub>
<italic>d</italic>
</sub> <italic>i</italic>
<sub>
<italic>c</italic>
</sub>]<sup>
<italic>T</italic>
</sup>, and<disp-formula id="e34">
<mml:math id="m37">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(34)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="e33">Eq. 33</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="e25">Eq. 25</xref> yields<disp-formula id="e35">
<mml:math id="m38">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(35)</label>
</disp-formula>and the differential admittance matrix<disp-formula id="e36">
<mml:math id="m39">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(36)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>In a similar way, we can obtain the differential impedance matrix<disp-formula id="e37">
<mml:math id="m40">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(37)</label>
</disp-formula>and the differential scattering matrix<disp-formula id="e38">
<mml:math id="m41">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:msubsup>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msqrt>
<mml:msub>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(38)</label>
</disp-formula>where <italic>Z</italic>
<sub>
<italic>dr</italic>
</sub> is the differential reference impedance matrix.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s4">
<title>Numerical examples</title>
<p>In order to demonstrate the accuracy and efficiency of the terminal simulation tool, it uses the second-order vector basis functions and the direct method to analyze the following examples, and its results are compared with those of the commercial software HFSS 2020. All examples are performed on a Windows 10 64-bit system workstation equipped with two 10-core Intel Xeon Gold 5,115 2.4-GHz CPUs and 128-GB RAM.</p>
<sec id="s4-1">
<title>Coaxial cable</title>
<p>The first example is a coaxial cable as shown in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref> to demonstrate that the developed tool has basic terminal network parameter analysis capabilities. The copper conductor is surrounded by a homogeneous dielectric, whose relative permittivity is 4.4. The radii of the copper conductor and the dielectric are 1.5&#xa0;mm and 3&#xa0;mm. The length of the coaxial cable is 10&#xa0;mm. The operation frequency is 7&#xa0;GHz. The frequency scan starts at 6&#xa0;GHz and ends at 8&#xa0;GHz.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>FIGURE 4</label>
<caption>
<p>Geometry of the coaxial cable.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-1082688-g004.tif"/>
</fig>
<p>The calculation results of the proposed method (TFEM) and FEM are compared with HFSS. The result comparisons of terminal network parameters diagram of the coaxial cable are shown in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref>. From it we can see that the results calculated by the TFEM and FEM are consistent with HFSS, thereby verifying the accuracy of the developed tool.</p>
<fig id="F5" position="float">
<label>FIGURE 5</label>
<caption>
<p>Comparisons of terminal <bold>(A)</bold> S-parameters, <bold>(B)</bold> Y-parameters and <bold>(C)</bold> Z-parameters of the coaxial cable among HFSS, FEM and the developed tool (TFEM).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-1082688-g005.tif"/>
</fig>
<p>In addition, the computational performance of the TFEM and FEM are investigated. As shown in <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref>, it can be seen that the calculation time and peak memory of the TFEM are less than those of the FEM, which proves the advantages of the proposed method.</p>
<table-wrap id="T1" position="float">
<label>TABLE 1</label>
<caption>
<p>Comparison of computational efficiency between FEM and TFEM.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="left"/>
<th align="left">TetraCnt</th>
<th align="left">CPUTime (s)</th>
<th align="left">PeakMem (GB)</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="left">FEM</td>
<td align="left">61,839</td>
<td align="left">28</td>
<td align="left">2.4</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">TFEM</td>
<td align="left">61,839</td>
<td align="left">23</td>
<td align="left">2.2</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
</sec>
<sec id="s4-2">
<title>Differential microstrip line</title>
<p>The second example is a differential microstrip line as shown in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6A</xref>, which is used to demonstrate that the developed tool has the basic terminal network parameter analysis capability of differential pairs. The differential microstrip line comprises of two copper traces and a dielectric substrate enclosed in an air-box. The relative permittivity of this substrate is 4.4. The thickness of the trace is 0.7 mil, and the width of the model is 2 mil. The remaining dimensions are indicated in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6A</xref> in mils. The finite conductivity boundary is assigned on the bottom face of the model, and its parameters are the same as those of cooper. The radiation boundary is assigned on the top, left and right faces.</p>
<fig id="F6" position="float">
<label>FIGURE 6</label>
<caption>
<p>
<bold>(A)</bold> Front view of a differential microstrip line <bold>(B)</bold> Schematic diagram of terminals.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-1082688-g006.tif"/>
</fig>
<p>The two ports are assigned in the remaining faces and deembedded with 499 mil outwards from the structure. There are 4 terminals assigned as shown in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6B</xref>, and their renormalizing impedance is 50&#xa0;&#x2126;. The terminals 1_a and 1_b form a differential pair named D1, the terminals 2_a and 2_b form another differential pair named D2. The differential mode impedance of the differential pairs is 100&#xa0;&#x2126;. The operation frequency is 3&#xa0;GHz, and the frequency sweep is from 2&#xa0;GHz to 4&#xa0;GHz.</p>
<p>The computational results of the terminal network parameters of differential pairs are shown in <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7</xref>. It is seen that when the operating frequency is 3.4&#xa0;GHz, the return loss of the differential signals is the lowest. It can be observed that the results calculated by the developed tool show good agreement with HFSS so that demonstrate the terminal network parameter analysis capabilities of differential pairs of the developed tool.</p>
<fig id="F7" position="float">
<label>FIGURE 7</label>
<caption>
<p>Comparisons of terminal <bold>(A)</bold> S-parameters, <bold>(B)</bold> Y-parameters and <bold>(C)</bold> Z-parameters of differential pairs between HFSS and the developed tool (TFEM).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-1082688-g007.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s4-3">
<title>Stripline</title>
<p>In order to demonstrate the multi-mode terminal network parameter analysis capability of the developed tool, the third example is a set of seven copper striplines as shown in <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8</xref>. The first, fourth and seventh stripline from the left are ground conductors. The relative permittivity of this substrate is 4.4. The thickness of the trace is 0.7 mil, and the width of the model is 2 mil. The remaining dimensions are indicated in <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8</xref> in mils. The finite conductivity boundary, whose parameters are the same as those of cooper, is assigned on the bottom and top faces of the model.</p>
<fig id="F8" position="float">
<label>FIGURE 8</label>
<caption>
<p>Front view of seven striplines.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-1082688-g008.tif"/>
</fig>
<p>We assign two ports on the front and back faces and deembed them with 499 mil outwards from the structure. There are eight terminals assigned as shown in <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9</xref>, and their renormalizing impedance is 50&#xa0;&#x2126;. The terminals form four differential pairs, and their differential mode impedance is 100&#xa0;&#x2126;. The operation frequency is 3&#xa0;GHz, and the frequency sweep is from 2&#xa0;GHz to 4&#xa0;GHz.</p>
<fig id="F9" position="float">
<label>FIGURE 9</label>
<caption>
<p>Schematic diagram of terminals and differential pairs.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-1082688-g009.tif"/>
</fig>
<p>As shown in <xref ref-type="fig" rid="F10">Figure 10</xref>, when the operating frequency is 2.8&#xa0;GHz, the return loss of the differential signals is the lowest. It is observed that the results of the terminal network parameters of differential pairs calculated by the developed tool are in good agreement with HFSS, which can demonstrate the correctness of the developed tool for multi-mode terminal network parameter analysis.</p>
<fig id="F10" position="float">
<label>FIGURE 10</label>
<caption>
<p>Comparisons of terminal <bold>(A)</bold> S-parameters, <bold>(B)</bold> Y-parameters and <bold>(C)</bold> Z-parameters of differential pairs between HFSS and the developed tool (TFEM).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-1082688-g010.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s4-4">
<title>
<italic>Via</italic> model</title>
<p>The above examples verify the accuracy of the developed tool, then a model with more complex structure is used to further verify the efficiency improvement of the developed tool. The final example is a <italic>via</italic> model as shown in <xref ref-type="fig" rid="F11">Figure 11</xref>, which is widely used for signal connection between different layers in multilayer PCBs. It has a pair of microstrip lines that transition through the vias to a pair of striplines on a lower layer. The width of the structure is 128 mil. The conductors are copper and the relative permittivity of the dielectric is 4.4. The thicknesses of the conductors and dielectric are 1.2 mil and 5 mil, respectively. The remaining dimensions are indicated in <xref ref-type="fig" rid="F11">Figure 11</xref> in mils. The radiation boundary is applied to the air box.</p>
<fig id="F11" position="float">
<label>FIGURE 11</label>
<caption>
<p>
<bold>(A)</bold> Geometry and <bold>(B)</bold> front view of the <italic>via</italic> model.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-1082688-g011.tif"/>
</fig>
<p>The two ports are assigned as shown in <xref ref-type="fig" rid="F11">Figure 11</xref> and deembedded with 48 mil outwards from the structure. The two microstrip lines are each assigned a terminal in the coupled microstrip port. The same goes for the two striplines at the opposite end. Their renormalizing impedance is 200&#xa0;&#x2126;. The operation frequency is 4&#xa0;GHz, and the frequency sweep is from 2&#xa0;GHz to 6&#xa0;GHz.</p>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="F12">Figure 12</xref> shows comparisons of the calculation results of the terminal parameters calculated by the developed tool and HFSS. It can be seen the results are consistent, which further demonstrates the accuracy of the developed tool.</p>
<fig id="F12" position="float">
<label>FIGURE 12</label>
<caption>
<p>Comparisons of terminal S-parameters between HFSS and the developed tool (TFEM).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-1082688-g012.tif"/>
</fig>
<p>We further analyze the computational efficiency of the <italic>via</italic> model. The comparisons of the developed tool and HFSS are given in <xref ref-type="table" rid="T2">Table 2</xref>. The developed tool has advantages in terms of CPU times and memory consumption with a similar number of tetrahedron grids in the <italic>via</italic> model simulation, thus proving the efficiency of the developed tool.</p>
<table-wrap id="T2" position="float">
<label>TABLE 2</label>
<caption>
<p>Comparison of computational efficiency between HFSS and the developed tool (TFEM).</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="left"/>
<th align="left">TetraCnt</th>
<th align="left">CPUTime (s)</th>
<th align="left">PeakMem (GB)</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="left">HFSS</td>
<td align="left">229,339</td>
<td align="left">196</td>
<td align="left">11.6</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">TFEM</td>
<td align="left">232,584</td>
<td align="left">177</td>
<td align="left">9.6</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
</sec>
</sec>
<sec sec-type="conclusion" id="s5">
<title>Conclusion</title>
<p>In this paper, the combination of the TFEM based on the finite element method and the terminal theory is proposed for the first time, and a three-dimension terminal simulation tool based on the transfinite element method is developed. Firstly, we introduce the architecture of the terminal simulation tool. Then we introduce related theories and formulas, including the derivation of finite element formulas, transfinite element method and terminal theory. In the final section, some numerical examples are presented to demonstrate the accuracy and efficiency of the terminal simulation tools by comparing the calculation results of this developed tool with those of HFSS. Therefore, the terminal simulation tool is suitable for the analysis of electromagnetic effects in high-speed interconnection systems. In the future research, in order to improve the computational efficiency of the developed tool, the parallel implementation is a significant direction under the condition of ensuring the accuracy of the calculation results.</p>
</sec>
</body>
<back>
<sec sec-type="data-availability" id="s6">
<title>Data availability statement</title>
<p>The original contributions presented in the study are included in the article/Supplementary Material, further inquiries can be directed to the corresponding author.</p>
</sec>
<sec id="s7">
<title>Author contributions</title>
<p>SY: Theoretical derivation, preprocess part and TFEM coding, data curation and formal analysis, original draft writing and revising. HW: Theoretical derivation, terminal part coding, article review and editing, project administration. LX: Theoretical guidance, supervision and funding acquisition. MC: Theoretical guidance and terminal part coding. BingL: Theoretical guidance and article review. HL: Theoretical guidance and article review. BinL: Article review and editing. All authors discussed the results and contributed to manuscript revision. And all authors have read and agreed to the published version of the manuscript.</p>
</sec>
<ack>
<p>The authors would like to acknowledge the financial support provided by the National Natural Science Foundation of China under Grant 62071102, 12102087, and 61921002.</p>
</ack>
<sec sec-type="COI-statement" id="s8">
<title>Conflict of interest</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
<sec sec-type="disclaimer" id="s9">
<title>Publisher&#x2019;s note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<label>1.</label>
<citation citation-type="confproc">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Xu</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dai</surname>
<given-names>HQ</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Signal integrity design and optimization of a high speed single ended multi load circuit</article-title>. In: <conf-name>2022 Asia-Pacific International Symposium on Electromagnetic Compatibility</conf-name>, <conf-loc>Beijing, China</conf-loc>, <conf-date>September 01&#x2013;04,</conf-date> (<year>2022</year>). p. <fpage>512</fpage>&#x2013;<lpage>4</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B2">
<label>2.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Fan</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ye</surname>
<given-names>XN</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kim</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Archambeault</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
<name>
<surname>Orlandi</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Signal integrity design for high-speed digital circuits: Progress and directions</article-title>. <source>IEEE Trans Electromagn Compat</source> (<year>2010</year>) <volume>52</volume>:<fpage>392</fpage>&#x2013;<lpage>400</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/temc.2010.2045381</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B3">
<label>3.</label>
<citation citation-type="confproc">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Shang</surname>
<given-names>ETM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chyan</surname>
<given-names>LS</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sebastian</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Signal integrity analysis for high speed digital circuit</article-title>. In: <conf-name>2010 International Conference on Intelligent and Advanced Systems</conf-name>, <conf-loc>Kuala Lumpur, Malaysia</conf-loc>, <conf-date>June 15&#x2013;17,</conf-date> (<year>2010</year>). p. <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>6</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B4">
<label>4.</label>
<citation citation-type="confproc">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Rao</surname>
<given-names>CSS</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tunga</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Analysis of high speed design on a multilayer PCB substrate</article-title>. In: <conf-name>2021 International Conference on Recent Trends on Electronics</conf-name>, <conf-loc>Bangalore, India</conf-loc>, <conf-date>August 27&#x2013;28,</conf-date> <publisher-name>Information, Communication &#x26; Technology</publisher-name> (<year>2021</year>). p. <fpage>713</fpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B5">
<label>5.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Krooswyk</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ou</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
</person-group>. <source>High speed digital design: Design of high speed interconnects and signaling</source>. <publisher-loc>San Francisco</publisher-loc>: <publisher-name>Elsevier Science &#x26; Technology</publisher-name> (<year>2015</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B6">
<label>6.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Thierauf</surname>
<given-names>SC</given-names>
</name>
</person-group>. <source>High-speed circuit board signal integrity</source>. <edition>2nd ed.</edition> <publisher-loc>Norwood</publisher-loc>: <publisher-name>Artech House</publisher-name> (<year>2017</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B7">
<label>7.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zahid</surname>
<given-names>MN</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jiang</surname>
<given-names>JL</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lu</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ali</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Eric</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Khan</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>HL</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Signal integrity simulation design and analysis of electronic article surveillance PCB for RFID applications</source>. <publisher-name>IEEE 3rd International Conference of Safe Production and Informatization</publisher-name> (<year>2020</year>). p. <fpage>600</fpage>&#x2013;<lpage>4</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/IICSPI51290.2020.9332408</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B8">
<label>8.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Jamal</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Singh</surname>
<given-names>IK</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kumar</surname>
<given-names>V</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chandel</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Singh</surname>
<given-names>RK</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Introduction to multiphysics simulation for integrated PCB design and operation AI environment analysis on behalf of EMI/EMC</article-title>. <source>J Mechatronics Automation</source> (<year>2019</year>) <volume>6</volume>:<fpage>31</fpage>&#x2013;<lpage>6</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B9">
<label>9.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>X</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shen</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kishk</surname>
<given-names>AA</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Packaged microstrip line: A new quasi-TEM line for microwave and millimeter-wave applications</article-title>. <source>IEEE Trans Microw Theor Tech</source> (<year>2017</year>) <volume>65</volume>:<fpage>707</fpage>&#x2013;<lpage>19</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/tmtt.2016.2633356</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B10">
<label>10.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Vendelin</surname>
<given-names>GD</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pavio</surname>
<given-names>AM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rohde</surname>
<given-names>UL</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rudolph</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Microwave circuit design using linear and nonlinear techniques</source>. <edition>3rd ed.</edition> <publisher-loc>New Jersey</publisher-loc>: <publisher-name>John Wiley &#x26; Sons</publisher-name> (<year>2021</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B11">
<label>11.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wu</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Mode-selective transmission line&#x2014;Part I: Theoretical foundation and physical mechanism</article-title>. <source>IEEE Trans Compon Packaging Manuf Technol</source> (<year>2020</year>) <volume>10</volume>:<fpage>2072</fpage>&#x2013;<lpage>86</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/tcpmt.2020.3037328</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B12">
<label>12.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Jin</surname>
<given-names>JM</given-names>
</name>
</person-group>. <source>The finite element method in electromagnetics</source>. <edition>3rd ed.</edition> <publisher-loc>New York</publisher-loc>: <publisher-name>Wiley-IEEE Press</publisher-name> (<year>2014</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B13">
<label>13.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
<name>
<surname>Xu</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yang</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Huang</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>A high efficiency three-dimensional finite-element electromagnetic radiation simulation tool</article-title>. <source>Int J RF Microw Comput Aided Eng</source> (<year>2021</year>) <volume>31</volume>:<fpage>e22789</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/mmce.22789</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B14">
<label>14.</label>
<citation citation-type="confproc">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Teoh</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chiang</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Scogna</surname>
<given-names>AC</given-names>
</name>
<name>
<surname>Khrone</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lee</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>De-embedding method and segmentation approach using full wave solver for high speed channels in PCB/package co-design</article-title>. In: <conf-name>2014 IEEE Electrical Design of Advanced Packaging &#x26; Systems Symposium</conf-name>, <conf-loc>Bangalore, India</conf-loc>, <conf-date>December 14&#x2013;16,</conf-date> (<year>2014</year>). p. <fpage>33</fpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B15">
<label>15.</label>
<citation citation-type="confproc">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Teng</surname>
<given-names>HL</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yew</surname>
<given-names>YH</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Multi-port high bandwidth interconnect equivalent circuit model for 3.2 Gbps channel simulation</article-title>. In: <conf-name>2016 IEEE 18th Electronics Packaging Technology Conference</conf-name>, <conf-loc>Singapore</conf-loc>, <conf-date>November 30&#x2013;December 03,</conf-date> (<year>2016</year>). p. <fpage>638</fpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B16">
<label>16.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Xu</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>JQ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Windows simulator: An advanced three-dimensional finite-element S-parameter-simulation tool for microwave tubes</article-title>. <source>IEEE Int Vacuum Electron Conf</source> (<year>2015</year>) <fpage>1</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/IVEC.2015.7223952</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B17">
<label>17.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Albertini</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Elbanna</surname>
<given-names>AE</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kammer</surname>
<given-names>DS</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>A three-dimensional hybrid finite element &#x2014;Spectral boundary integral method for modeling earthquakes in complex unbounded domains</article-title>. <source>Int J Numer Methods Eng</source> (<year>2021</year>) <volume>122</volume>:<fpage>6905</fpage>&#x2013;<lpage>23</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/nme.6816</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B18">
<label>18.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Badrieh</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Spectral, convolution and numerical techniques in circuit theory</source>. <publisher-loc>Cham</publisher-loc>: <publisher-name>Springer</publisher-name> (<year>2018</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B19">
<label>19.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Gustavsen</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
<name>
<surname>De Silva</surname>
<given-names>HMJ</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Inclusion of rational models in an electromagnetic transients program: Y-parameters, Z-parameters, S-parameters, transfer functions</article-title>. <source>IEEE Trans Power Deliv</source> (<year>2013</year>) <volume>28</volume>:<fpage>1164</fpage>&#x2013;<lpage>74</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/tpwrd.2013.2247067</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B20">
<label>20.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Harrington</surname>
<given-names>RF</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Time-harmonic electromagnetic fields</source>. <publisher-loc>New York</publisher-loc>: <publisher-name>Wiley-IEEE Press</publisher-name> (<year>2001</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B21">
<label>21.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Collin</surname>
<given-names>RE</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Field theory of guided waves</source>. <publisher-loc>New York</publisher-loc>: <publisher-name>Wiley-IEEE Press</publisher-name> (<year>1991</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B22">
<label>22.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Baltes</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schultschik</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Farle</surname>
<given-names>O</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dyczij-Edlinger</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>A finite-element-based fast frequency sweep framework including excitation by frequency-dependent waveguide mode patterns</article-title>. <source>IEEE Trans Microw Theor Tech</source> (<year>2017</year>) <volume>65</volume>:<fpage>2249</fpage>&#x2013;<lpage>60</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/tmtt.2017.2679181</pub-id>
</citation>
</ref>
</ref-list>
</back>
</article>