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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 />

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MAFIA-T3<br />

Waveguide branch:<br />

Plug:<br />

Horn antenna:<br />

Patch Antenna:<br />

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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 />

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HUGO and RF-Waves of a WLAN-Card<br />

Magnetic field<br />

Magnetic field<br />

Magnetic<br />

energy density<br />

Magnetic energy density<br />

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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 />

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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.

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