V1 - Institut für Allgemeine Elektrotechnik, Uni Rostock - Universität ...

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V1 - Institut für Allgemeine Elektrotechnik, Uni Rostock - Universität ...

Computational Electromagnetics

Ursula van Rienen

Ursula van Rienen, Universität Rostock, FB Elektrotechnik und Informationstechnik, AG Computational Electrodynamics


Overview

1. Introduction

2. Maxwell’s Equations

3. Finite Integration Technique

4. Finite Element Methods

5. Boundary Element Methods

6. Grid Generation

7. Further Numerical and Semi-Analytical Methods

Ursula van Rienen, Universität Rostock, FB Elektrotechnik und Informationstechnik, AG Computational Electrodynamics


Handouts

Please find copies (pdf) of the slides together with brief

notes, each under:

http://www-ae.e-technik1.uni-rostock.de/lehre/CE.html

Ursula van Rienen, Universität Rostock, FB Elektrotechnik und Informationstechnik, AG Computational Electrodynamics


1. Introduction

Most practical problems in electromagnetics cannot be

solved purely by means of analytical methods, e.g.:

• radiation caused by a mobile phone near a human

head

• shielding of an electronic circuit by a slotted

metallic box

• etc.

In many of such cases, numerical methods in

electromagnetics can be applied in an efficient way to

come to a satisfactory solution.

The course deals with some of the most successful

numerical methods in electromagnetics.

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Discretization

example: TEMF, TU Darmstadt

• Finite Difference Method (FD)

• Finite Element Method (FEM)

• Boundary Element Method (BEM)

• Finite Integration Technique (FIT)

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HFSS - a Finite Element Tool

for RF Problems

http://www.ansoft.com/welcome2.html

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MEGA

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MEGA

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MEGA

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MEGA

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Concerto

Radiation

pattern

Meander Patch Antenna

Radiation

pattern

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OPERA-2d

Modell

Radiale Flußdichte

Vektorpotential

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TOSCA

Rotor

Stator

Coils

Magn. flux density

Switched reluctance motor

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TOSCA

Magnetic flux density on

surface around air-gap

Magnetic flux density in

stator_air-gap_rotor

neigbourhood

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MAFIA

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MAFIA

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MAFIA-S

Magnetostatics:

Electrostatics:

Flux density in

Permanent-magnet

motor

Field distribution in

and around a sparking plug

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MAFIA-S

Stationary currents:

Temperature (stationary):

Current density distribution in

a circuit breaker

Temperature:

equipotential surface

around CPU of a PC

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MAFIA-W3 und -E

Eddy current problems:

Eigenmodes:

Eddy current sensor

RF-Resonator

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MAFIA-T3

Waveguide branch:

Plug:

Horn antenna:

Patch Antenna:

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CST Microwave Studio ®

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CST Microwave Studio ®

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Waveguide Junction

CST-Demo

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Waveguide Junction

CST-Demo

Port 1

Port 3

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The Human Body Model HUGO in MWS TM

HUGO:

• based on Visible Human Data Set

of the National Library of Medicine,

Maryland

• 40 tissues

• 7 detail level: min/max-voxel size

• 1x1x1 mm (361 MB)

• 8x8x8 mm ( 0,7 MB)

• C/C++ programming interface

• convertable in STL format

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HUGO and RF-Waves of a WLAN-Card

Magnetic field

Magnetic field

Magnetic

energy density

Magnetic energy density

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V.Motrescu, G.Pöplau, UvR


Examples for Parameter Extraction

PCB

RJ45 connection

CST-Demo

isolator

ε = 2,1; µ = 1

r

r

transmission lines

ε = 2, 4 ; µ = 1

r

r

connector

PEC PCB, socket & connector

ε = 2, 2 ; µ = 1

r

r

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RJ45 Connector

Extraction of some SPICE-compatible network model based

on the computation of S-parameters :

• Definition of excitation sources:

• all wires are terminated with discrete ports

• the ports are excited sequentially with a Gaussian pulse

• yields broadband results for all wires

46.464 mesh points

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CST-Demo


RJ45 Connector

Ports 1 and 6

CST-Demo

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IC Package

ε

r

=

Box

4

104 ports,

190.333 mesh points

Substrat

Silicon

ε = 12,3

PEC wires and traces

r

ε = 9, 2

r

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CST-Demo


IC Package

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CST-Demo


Parasitic Effects in IC‘s

Current density of an IC at 5 GHz

T. Wittig, I. Munteanu, T. Weiland, TU Darmstadt

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CST Design Studio TM

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Coupled S-Parameter Calculation

Coupled S-Parameter Calculation

H.-W. Glock, K.Rothemund, UvR 98-dato

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0.912 GHz ≤ f ≤1.68

GHz

Example: Test Resonator

f=1.442 GHz

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2. Maxwell‘s Equations


∂B

curl E = − ∂ t


∂D


curl H = + J


∂t

div D = ρ


div B = 0

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•Die Maxwellschen Gleichungen beschreiben das Verhalten elektromagnetischer

Felder und deren Wechselwirkungen untereinander.

•Zur analytischen Lösung werden sie in integraler oder differentieller Form

dargestellt.

•Elektromagnetische Felder können in folgende Klassen aufgeteilt werden:

•Statische Felder,

•Stationäre Felder,

•Quasistationäre Felder,

•Schnell veränderliche Felder.

•Diese Feldklassen erfordern jeweils unterschiedliche Lösungswege.

•Die analytische Lösung der Maxwellschen Gleichungen ist nur für einfache

geometrische Anordnungen möglich.

•Zur Feldberechnung für praktische Aufgabenstellungen werden daher

numerische Methoden verwendet.


Maxwell‘s Equations


∂B

curl E = − ∂ t


∂D


curl H = + J


∂t

div D = ρ


div B = 0

Faraday‘s induction law:

Electric curl field =

inductive flux density

Ampère‘s law with

Maxwell‘s extension:

Magnetic curl field =

Displacement current

density + current density

Gauss‘ law for electricity:

Electric flux out of any closed

surface is proportional to the

Gauss‘ total charge law for enclosed magnetism: within

Net the magnetic surface flux out of any

closed surface is zero (always)

Ursula van Rienen, Universität Rostock, FB Elektrotechnik und Informationstechnik, AG Computational Electrodynamics

•Die Maxwellschen Gleichungen beschreiben das Verhalten elektromagnetischer

Felder und deren Wechselwirkungen untereinander.

•Zur analytischen Lösung werden sie in integraler oder differentieller Form

dargestellt.

•Elektromagnetische Felder können in folgende Klassen aufgeteilt werden:

•Statische Felder,

•Stationäre Felder,

•Quasistationäre Felder,

•Schnell veränderliche Felder.

•Diese Feldklassen erfordern jeweils unterschiedliche Lösungswege.

•Die analytische Lösung der Maxwellschen Gleichungen ist nur für einfache

geometrische Anordnungen möglich.

•Zur Feldberechnung für praktische Aufgabenstellungen werden daher

numerische Methoden verwendet.

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