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Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg

Vorlesungsankündigung für das SS 2010

Computerorientierte Feldtheorie 2 (CoFT 2)
Computational Electromagnetics 2

Wahlfach im SS 2010: 2V+1Ü (3 SWS / 4 ECTS)

Interessenten werden gebeten sich bei Herrn Dr. Rennings ( andre.rennings@uni-due.de, Raum BA 345 ) zu melden.

Termin: Dienstag, 14.00 - 17:00 Uhr
Raum für die Vorlesung: BA 349 (ATE-Seminarraum)
Raum für das CoFT-Lab: BA 328 (ATE-Praktikumsraum)


Auf Wunsch kann die Lehrveranstaltung auch in englischer Sprache gehalten werden. Die zugehörigen Unterlagen sind in englischer Sprache verfasst. Diese werden ständig weiter entwickelt und aktualisert.

Inhalt:
Numerische Berechnungsverfahren für elektromagnetische Felder gehören mit zu den wichtigsten Entwurfswerkzeugen für Bauelemente und Systeme z. B. der Hochfrequenztechnik, der angewandten Optik, aber auch der Energietechnik. Diese Veranstaltung erläutert verschiedene Formulierungen des elektromagnetischen Feldproblems und setzt diese mit den entsprechenden numerischen Lösungsverfahren in Beziehung.

Nach Darlegung der numerischen Methode durch den Dozenten können die Teilnehmer das Gelernte direkt in Form von kleinen MATLAB Programmen ausprobieren. Dies werden wir in diesem Semester (SS 2010) insbesondere für die Methode der Finiten Differenzen im Zeitbereich umsetzen. Dazu steht im Fachgebiet ATE ein Rechner-Pool zur Verfügung.

Ferner wird die Bedienung von kommerziellen feldbasierten Entwicklungswerkzeugen auf Basis der betrachteten Methoden anhand diverser Beispiele demonstriert, welche in Abhängigkeit der Interessenslage der Zuhörer ausgewählt werden. Für das SS 2010 ist geplant, neben anderen Anwendungsbeispielen insbesondere Spulen und Antennen (auch sog. Leckwellen-Antennen) mit Hilfe der vorhandenen Software-Tools zu analysieren. Dabei sollen die Teilnehmer unter Anleitung erste eigene Simulationsdurchläufe (Geometrie-Eingabe, Simulator-Einstellungen, eigentliche Simulation, Interpretation der Ergebnisse) erfahren und dadurch sukzessive die Software-Pakete kennen lernen.

Die Veranstaltung ist insbesondere für Studierende geeignet, die eine Projekt-, Bachelor- oder Masterarbeit im Bereich der numerischen Feldsimulation anstreben bzw. im Rahmen ihrer o.g. Abschlussarbeiten kommerzielle feldbasierte Software einsetzen. In der Vergangenheit war die CoFT-Veranstaltung oftmals „Keimzelle“ für spätere Projekt-, Bachelor- oder Masterarbeiten.


Im Sommersemester 2010 werden innerhalb der Veranstaltung drei numerische Verfahren thematisiert, welche in der Praxis weite Verbreitung gefunden haben:

• Finite Elemente Methode (FEM)
• Methode der Finite-Differenzen im Zeitbereich (engl. Finite-Difference Time-Domain, kurz FDTD)
• Momenten-Methode (MoM) - auch Randwertmethode (engl. Boundary-Element Method, kurz BEM)

Im Folgenden sind die genannten numerischen Methoden zusammen mit den zugehörigen Software-Paketen und einem Demonstrationsbeispiel zur Illustration angegeben.


Finite Elemente Methode (FEM)

Software: Comsol™ von der COMSOL Multiphysics GmbH (bei Interesse ggf. Ansofts HFSS™)

Beispiel im Bild: Feldlinienbild einer planaren Spule.
Feldlinienbild

Finite-Differenzen im Zeitbereich (FDTD)

Software: Empire™ XCcel von der IMST GmbH

Beispiel im Bild: Verlustleistungsverteilung (Spezifische Absorptions Rate, kurz SAR) beim Telefonieren mit einem Handy.
Verlustleistungsverteilung

Momenten-Methode (MoM)

Software:FEKO™ von der EM Software & Systems-S.A. (Pty) Ltd

Beispiel im Bild: Strahlungsdiagramm und Nahfeld einer Heckscheiben-Antenne.
Strahlungsdiagramm
Literatur:

[ 1] K. S. Yee, "Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell's equations in isotropic media," IEEE Trans. Antenna Propag., Vol. 14, No. 8, pp. 302-307, May 1966. pdf (420kB)

[ 2] J.-P. Berenger, " A perfectly matched layer for the absorption of electromagnetic waves," J. Comput. Phys., Vol. 114, pp. 185-200, 1994. pdf (774kB)

[ 2] A. Rennings, S. Otto, C. Caloz, A. Lauer, W.Bilgic, and P. Waldow, "Composite right/left-handed extended equivalent circuit (CRLH-EEC) FDTD: stability, dispersion analysis with examples," International Journal of Numerical Modelling, vol. 19, no. 2, pp. 141-172, 2006. pdf (1,64MB)

[ 4] W. Bilgic, I. Wolff, and D. Erni, "Perspective of the uniaxialwavelet-transformed FDTD scheme, " The 23rd Annual Review of Progress in Applied Computational Electromagnetics (ACES 2007), March 19-23, Verona, Italy, pp. 50-57, 2007. pdf (796kB)

[ 3] Allen Taflove, Susan C. Hagness, Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method, Norwood: Artech House, 2005.

[ 4] Jianming Jin, The Finite Element Method in Electromagnetics. New York: John Wiley & Sons, 2002.

[ 5] P. P. Silvester, R. L. Ferrari, Finite Elements for Engineers. Cambridge: Cambridge University Press, 1996.

[ 8] C. Fumeaux, D. Baumann, K. Sankaran, K. Krohne, R. Vahldieck, E. Li, "The Finite-Volume Time-Domain Method for 3-D Solutions of Maxwell 's Equations in Complex Geometries: A Review", Proceedings of the European Microwave Association (EuMA), Vol. 3, No. 2, pp. 136-146, June 2007. pdf (9MB)

[ 9] Ch. Fumeaux, D. Baumann, R. Vahldieck, " Advanced FVTD simulation of dielectric resonator antennas and feed structures," ACES J., Vol. 19, No. 3, pp. 155-164, Nov. 2004. pdf (885kB)

[ 10] P. Bonnet, X. Ferrieres, B.L. Michielsen, P. Klotz, J.L. Roumiguières, "Finite-volume time domain method", Chapt. 9 in "Time domain electromagnetics", ed. by S.M. Rao, Academic Press, San Diego, 1999.

[ 11] Roger F. Harrington, Field Computation by Moment Methods. New York: John Wiley & Sons, 1993.(reprint of IEEE Press)

[ 12] R. Pregla, W. Pascher, "The Method of Lines", Chapt. 6 in "Numerical Techniques for Microwave and Millimeter-Wave Passive Structures", ed. by T. Itoh, New York: John Wiley & Sons, 1989. download über moodle

[ 6] Christian Hafner, The Generalized Multipole Technique for Computational Electromagnetics. Norwood: Artech House, 1990.

[ 7] Tatsuo Itoh, Numerical Techniques for Microwave and Millimeter-Wave Passive Structures. New York: John Wiley & Sons, 1989.


Links:

• FDTD-Solver vom IMST (EMPIRE)

• FVTD-Solver (ETH Zürich)

• FEM-Solver von COMSOL (FEMLAB)

• MoM-Solver (NEC-2)

• MMP-Solver (MaX-1)

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