V1 - Institut für Allgemeine Elektrotechnik, Uni Rostock - Universität ...
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Computational Electromagnetics<br />
Ursula van Rienen<br />
Ursula van Rienen, <strong>Uni</strong>versität <strong>Rostock</strong>, FB <strong>Elektrotechnik</strong> und Informationstechnik, AG Computational Electrodynamics
Overview<br />
1. Introduction<br />
2. Maxwell’s Equations<br />
3. Finite Integration Technique<br />
4. Finite Element Methods<br />
5. Boundary Element Methods<br />
6. Grid Generation<br />
7. Further Numerical and Semi-Analytical Methods<br />
Ursula van Rienen, <strong>Uni</strong>versität <strong>Rostock</strong>, FB <strong>Elektrotechnik</strong> und Informationstechnik, AG Computational Electrodynamics
Handouts<br />
Please find copies (pdf) of the slides together with brief<br />
notes, each under:<br />
http://www-ae.e-technik1.uni-rostock.de/lehre/CE.html<br />
Ursula van Rienen, <strong>Uni</strong>versität <strong>Rostock</strong>, FB <strong>Elektrotechnik</strong> und Informationstechnik, AG Computational Electrodynamics
1. Introduction<br />
Most practical problems in electromagnetics cannot be<br />
solved purely by means of analytical methods, e.g.:<br />
• radiation caused by a mobile phone near a human<br />
head<br />
• shielding of an electronic circuit by a slotted<br />
metallic box<br />
• etc.<br />
In many of such cases, numerical methods in<br />
electromagnetics can be applied in an efficient way to<br />
come to a satisfactory solution.<br />
The course deals with some of the most successful<br />
numerical methods in electromagnetics.<br />
Ursula van Rienen, <strong>Uni</strong>versität <strong>Rostock</strong>, FB <strong>Elektrotechnik</strong> und Informationstechnik, AG Computational Electrodynamics
Discretization<br />
example: TEMF, TU Darmstadt<br />
• Finite Difference Method (FD)<br />
• Finite Element Method (FEM)<br />
• Boundary Element Method (BEM)<br />
• Finite Integration Technique (FIT)<br />
Ursula van Rienen, <strong>Uni</strong>versität <strong>Rostock</strong>, FB <strong>Elektrotechnik</strong> und Informationstechnik, AG Computational Electrodynamics
HFSS - a Finite Element Tool<br />
for RF Problems<br />
http://www.ansoft.com/welcome2.html<br />
Ursula van Rienen, <strong>Uni</strong>versität <strong>Rostock</strong>, FB <strong>Elektrotechnik</strong> und Informationstechnik, AG Computational Electrodynamics
MEGA<br />
Ursula van Rienen, <strong>Uni</strong>versität <strong>Rostock</strong>, FB <strong>Elektrotechnik</strong> und Informationstechnik, AG Computational Electrodynamics
MEGA<br />
Ursula van Rienen, <strong>Uni</strong>versität <strong>Rostock</strong>, FB <strong>Elektrotechnik</strong> und Informationstechnik, AG Computational Electrodynamics
MEGA<br />
Ursula van Rienen, <strong>Uni</strong>versität <strong>Rostock</strong>, FB <strong>Elektrotechnik</strong> und Informationstechnik, AG Computational Electrodynamics
MEGA<br />
Ursula van Rienen, <strong>Uni</strong>versität <strong>Rostock</strong>, FB <strong>Elektrotechnik</strong> und Informationstechnik, AG Computational Electrodynamics
Concerto<br />
Radiation<br />
pattern<br />
Meander Patch Antenna<br />
Radiation<br />
pattern<br />
Ursula van Rienen, <strong>Uni</strong>versität <strong>Rostock</strong>, FB <strong>Elektrotechnik</strong> und Informationstechnik, AG Computational Electrodynamics
OPERA-2d<br />
Modell<br />
Radiale Flußdichte<br />
Vektorpotential<br />
Ursula van Rienen, <strong>Uni</strong>versität <strong>Rostock</strong>, FB <strong>Elektrotechnik</strong> und Informationstechnik, AG Computational Electrodynamics
TOSCA<br />
Rotor<br />
Stator<br />
Coils<br />
Magn. flux density<br />
Switched reluctance motor<br />
Ursula van Rienen, <strong>Uni</strong>versität <strong>Rostock</strong>, FB <strong>Elektrotechnik</strong> und Informationstechnik, AG Computational Electrodynamics
TOSCA<br />
Magnetic flux density on<br />
surface around air-gap<br />
Magnetic flux density in<br />
stator_air-gap_rotor<br />
neigbourhood<br />
Ursula van Rienen, <strong>Uni</strong>versität <strong>Rostock</strong>, FB <strong>Elektrotechnik</strong> und Informationstechnik, AG Computational Electrodynamics
MAFIA<br />
Ursula van Rienen, <strong>Uni</strong>versität <strong>Rostock</strong>, FB <strong>Elektrotechnik</strong> und Informationstechnik, AG Computational Electrodynamics
MAFIA<br />
Ursula van Rienen, <strong>Uni</strong>versität <strong>Rostock</strong>, FB <strong>Elektrotechnik</strong> und Informationstechnik, AG Computational Electrodynamics
MAFIA-S<br />
Magnetostatics:<br />
Electrostatics:<br />
Flux density in<br />
Permanent-magnet<br />
motor<br />
Field distribution in<br />
and around a sparking plug<br />
Ursula van Rienen, <strong>Uni</strong>versität <strong>Rostock</strong>, FB <strong>Elektrotechnik</strong> und Informationstechnik, AG Computational Electrodynamics
MAFIA-S<br />
Stationary currents:<br />
Temperature (stationary):<br />
Current density distribution in<br />
a circuit breaker<br />
Temperature:<br />
equipotential surface<br />
around CPU of a PC<br />
Ursula van Rienen, <strong>Uni</strong>versität <strong>Rostock</strong>, FB <strong>Elektrotechnik</strong> und Informationstechnik, AG Computational Electrodynamics
MAFIA-W3 und -E<br />
Eddy current problems:<br />
Eigenmodes:<br />
Eddy current sensor<br />
RF-Resonator<br />
Ursula van Rienen, <strong>Uni</strong>versität <strong>Rostock</strong>, FB <strong>Elektrotechnik</strong> und Informationstechnik, AG Computational Electrodynamics
MAFIA-T3<br />
Waveguide branch:<br />
Plug:<br />
Horn antenna:<br />
Patch Antenna:<br />
Ursula van Rienen, <strong>Uni</strong>versität <strong>Rostock</strong>, FB <strong>Elektrotechnik</strong> und Informationstechnik, AG Computational Electrodynamics
CST Microwave Studio ®<br />
Ursula van Rienen, <strong>Uni</strong>versität <strong>Rostock</strong>, FB <strong>Elektrotechnik</strong> und Informationstechnik, AG Computational Electrodynamics
CST Microwave Studio ®<br />
Ursula van Rienen, <strong>Uni</strong>versität <strong>Rostock</strong>, FB <strong>Elektrotechnik</strong> und Informationstechnik, AG Computational Electrodynamics
Waveguide Junction<br />
CST-Demo<br />
Ursula van Rienen, <strong>Uni</strong>versität <strong>Rostock</strong>, FB <strong>Elektrotechnik</strong> und Informationstechnik, AG Computational Electrodynamics
Waveguide Junction<br />
CST-Demo<br />
Port 1<br />
Port 3<br />
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The Human Body Model HUGO in MWS TM<br />
HUGO:<br />
• based on Visible Human Data Set<br />
of the National Library of Medicine,<br />
Maryland<br />
• 40 tissues<br />
• 7 detail level: min/max-voxel size<br />
• 1x1x1 mm (361 MB)<br />
• 8x8x8 mm ( 0,7 MB)<br />
• C/C++ programming interface<br />
• convertable in STL format<br />
Ursula van Rienen, <strong>Uni</strong>versität <strong>Rostock</strong>, FB <strong>Elektrotechnik</strong> und Informationstechnik, AG Computational Electrodynamics
HUGO and RF-Waves of a WLAN-Card<br />
Magnetic field<br />
Magnetic field<br />
Magnetic<br />
energy density<br />
Magnetic energy density<br />
Ursula van Rienen, <strong>Uni</strong>versität <strong>Rostock</strong>, FB <strong>Elektrotechnik</strong> und Informationstechnik, AG Computational Electrodynamics<br />
V.Motrescu, G.Pöplau, UvR
Examples for Parameter Extraction<br />
PCB<br />
RJ45 connection<br />
CST-Demo<br />
isolator<br />
ε = 2,1; µ = 1<br />
r<br />
r<br />
transmission lines<br />
ε = 2, 4 ; µ = 1<br />
r<br />
r<br />
connector<br />
PEC PCB, socket & connector<br />
ε = 2, 2 ; µ = 1<br />
r<br />
r<br />
Ursula van Rienen, <strong>Uni</strong>versität <strong>Rostock</strong>, FB <strong>Elektrotechnik</strong> und Informationstechnik, AG Computational Electrodynamics
RJ45 Connector<br />
Extraction of some SPICE-compatible network model based<br />
on the computation of S-parameters :<br />
• Definition of excitation sources:<br />
• all wires are terminated with discrete ports<br />
• the ports are excited sequentially with a Gaussian pulse<br />
• yields broadband results for all wires<br />
46.464 mesh points<br />
Ursula van Rienen, <strong>Uni</strong>versität <strong>Rostock</strong>, FB <strong>Elektrotechnik</strong> und Informationstechnik, AG Computational Electrodynamics<br />
CST-Demo
RJ45 Connector<br />
Ports 1 and 6<br />
CST-Demo<br />
Ursula van Rienen, <strong>Uni</strong>versität <strong>Rostock</strong>, FB <strong>Elektrotechnik</strong> und Informationstechnik, AG Computational Electrodynamics
IC Package<br />
ε<br />
r<br />
=<br />
Box<br />
4<br />
104 ports,<br />
190.333 mesh points<br />
Substrat<br />
Silicon<br />
ε = 12,3<br />
PEC wires and traces<br />
r<br />
ε = 9, 2<br />
r<br />
Ursula van Rienen, <strong>Uni</strong>versität <strong>Rostock</strong>, FB <strong>Elektrotechnik</strong> und Informationstechnik, AG Computational Electrodynamics<br />
CST-Demo
IC Package<br />
Ursula van Rienen, <strong>Uni</strong>versität <strong>Rostock</strong>, FB <strong>Elektrotechnik</strong> und Informationstechnik, AG Computational Electrodynamics<br />
CST-Demo
Parasitic Effects in IC‘s<br />
Current density of an IC at 5 GHz<br />
T. Wittig, I. Munteanu, T. Weiland, TU Darmstadt<br />
Ursula van Rienen, <strong>Uni</strong>versität <strong>Rostock</strong>, FB <strong>Elektrotechnik</strong> und Informationstechnik, AG Computational Electrodynamics
CST Design Studio TM<br />
Ursula van Rienen, <strong>Uni</strong>versität <strong>Rostock</strong>, FB <strong>Elektrotechnik</strong> und Informationstechnik, AG Computational Electrodynamics
Coupled S-Parameter Calculation<br />
Coupled S-Parameter Calculation<br />
H.-W. Glock, K.Rothemund, UvR 98-dato<br />
Ursula van Rienen, <strong>Uni</strong>versität <strong>Rostock</strong>, FB <strong>Elektrotechnik</strong> und Informationstechnik, AG Computational Electrodynamics
0.912 GHz ≤ f ≤1.68<br />
GHz<br />
Example: Test Resonator<br />
f=1.442 GHz<br />
Ursula van Rienen, <strong>Uni</strong>versität <strong>Rostock</strong>, FB <strong>Elektrotechnik</strong> und Informationstechnik, AG Computational Electrodynamics
2. Maxwell‘s Equations<br />
<br />
∂B<br />
curl E = − ∂ t<br />
<br />
∂D<br />
<br />
curl H = + J<br />
<br />
∂t<br />
div D = ρ<br />
<br />
div B = 0<br />
Ursula van Rienen, <strong>Uni</strong>versität <strong>Rostock</strong>, FB <strong>Elektrotechnik</strong> und Informationstechnik, AG Computational Electrodynamics<br />
•Die Maxwellschen Gleichungen beschreiben das Verhalten elektromagnetischer<br />
Felder und deren Wechselwirkungen untereinander.<br />
•Zur analytischen Lösung werden sie in integraler oder differentieller Form<br />
dargestellt.<br />
•Elektromagnetische Felder können in folgende Klassen aufgeteilt werden:<br />
•Statische Felder,<br />
•Stationäre Felder,<br />
•Quasistationäre Felder,<br />
•Schnell veränderliche Felder.<br />
•Diese Feldklassen erfordern jeweils unterschiedliche Lösungswege.<br />
•Die analytische Lösung der Maxwellschen Gleichungen ist nur <strong>für</strong> einfache<br />
geometrische Anordnungen möglich.<br />
•Zur Feldberechnung <strong>für</strong> praktische Aufgabenstellungen werden daher<br />
numerische Methoden verwendet.
Maxwell‘s Equations<br />
<br />
∂B<br />
curl E = − ∂ t<br />
<br />
∂D<br />
<br />
curl H = + J<br />
<br />
∂t<br />
div D = ρ<br />
<br />
div B = 0<br />
Faraday‘s induction law:<br />
Electric curl field =<br />
inductive flux density<br />
Ampère‘s law with<br />
Maxwell‘s extension:<br />
Magnetic curl field =<br />
Displacement current<br />
density + current density<br />
Gauss‘ law for electricity:<br />
Electric flux out of any closed<br />
surface is proportional to the<br />
Gauss‘ total charge law for enclosed magnetism: within<br />
Net the magnetic surface flux out of any<br />
closed surface is zero (always)<br />
Ursula van Rienen, <strong>Uni</strong>versität <strong>Rostock</strong>, FB <strong>Elektrotechnik</strong> und Informationstechnik, AG Computational Electrodynamics<br />
•Die Maxwellschen Gleichungen beschreiben das Verhalten elektromagnetischer<br />
Felder und deren Wechselwirkungen untereinander.<br />
•Zur analytischen Lösung werden sie in integraler oder differentieller Form<br />
dargestellt.<br />
•Elektromagnetische Felder können in folgende Klassen aufgeteilt werden:<br />
•Statische Felder,<br />
•Stationäre Felder,<br />
•Quasistationäre Felder,<br />
•Schnell veränderliche Felder.<br />
•Diese Feldklassen erfordern jeweils unterschiedliche Lösungswege.<br />
•Die analytische Lösung der Maxwellschen Gleichungen ist nur <strong>für</strong> einfache<br />
geometrische Anordnungen möglich.<br />
•Zur Feldberechnung <strong>für</strong> praktische Aufgabenstellungen werden daher<br />
numerische Methoden verwendet.