EMV komplexer Systeme

Promotion Fabian Happ. 01.04.2012 – 01.09.2017

In dieser Arbeit werden ein auf der Momentenmethoe basierender numerischer Formalismus und analytische Verfahren entwickelt, mit deren Hilfe die elektromagnetischen Felder in der Umgebung von Carbonfaser Kompositwerkstoffen (CFK) berechnet werden können. Diese Methoden werden angewendet, um die Schirmdämpfung von verschiedenen CFK Materialien, Blitztransferfunktion für die Einkopplung in eine Flugzeuggeometrie aus CFK und den Einfluss von CFK auf das Übersprechen zwischen elektrischen Leitungen abzuschätzen.

Apertures in a Computer casing (Quelle: TET, TUHH).

Current distribution on a field illuminated Computer casing (Quelle: TET, TUHH).

Relevante Publikationen:

Fabian Happ, Arne Schröder, Gazmend Mavraj, Heinz-Dierich Brüns, Frank Gronwald
Numerical Shielding Analysis of Anisotropic Multilayer Materials by the Method of Moments
IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, Vol. 59, No. 1, February, 2017

Fabian Happ, Heinz-Dietrich Brüns, Gazmend Mavraj, Frank Gronwald
Numerical Computation of Lightning Transfer Functions for Layered, Anisotropically Conducting Shielding Structures by the Method of Moments
Advances in Radio Science, Special Issue: Kleinheubacher Berichte 2016

Fabian Happ, Gazmend Mavraj, Heinz-Dietrich Brüns, Frank Gronwald
On the Choice of Huygens‘ Surfaces in the Vicinity of Electrically Small Apertures
EMC Europe, Wroclaw, Poland, September 5 – 9, 2016

Fabian Happ, Frank Gronwald, Heinz-D. Brüns
An Extension of Schelkunoff’s Shielding Theory to Anisotropic Conducting Multilayer Materials
Joint IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility and EMC Europe, Dresden, Germany,
August 16-22, 2015

Fabian Happ, Heinz-D. Brüns, Frank Gronwald
Benchmark Calculations of Magnetic Shielding at Low Frequencies
IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, EMC Europe 2014, Göteborg, Schweden, September 1-4, 2014

Fabian Happ, Heinz-D. Brüns, Frank Gronwald
Numerische Simulation der Schirmwirkung von mehrlagigen, anisotrop leitfähigen Materialien
Internationale Fachmesse und Kongress für Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV Düsseldorf) , Düsseldorf, Germany, March 11-13, 2014

Frank Gronwald, Fabian Happ
Methoden der Netzwerkmodellierung von Transferfunktionen indirekter Blitzeffekte auf Grundlage numerischer Simulation in Zeit- und Frequenzbereich
Internationale Fachmesse und Kongress für Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV Düsseldorf) , Düsseldorf, Germany, March 11-13, 2014

Frank Gronwald, Fabian Happ
Adaptive Macromodelling of Lightning Transfer Funcion from Numerical Calculations in Time and Frequency Domain
International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications,Torino, Italy, September 9-13, 2013

Fabian Happ, Arne Schröder, Heinz-Dietrich Brüns, Frank Gronwald
A Method for the Calculation of Electromagnetic Fields in the Presence of Thin Anisotropic Conductive Layers using the Method of Moments
EMC Europe 2013, Brugge, Belgium, September 2-6, 2013

HIRF Schutz mittels energieselektiver Dioden-Arrays

Cheng Yang, M. Sc., (China Scholarship Council (CSC)), 01.04.2015 – 17.10.2016

Viele Technologien verwenden elektromagnetische Wellen Informations- oder Energieübertragung. Einige Beispiele hierfür sind Radar, Radio, Fernsehen, Mobiltelefone und Satellitentechnik. [Die Beeinträchtigung dritter Geräte durch solche Quellen gewinnt zunehmend an Bedeutung.] Um einen störungsfreien Betrieb umliegender elektronischer Geräte zu gewährleisten, müssen diese insbesondere gegenüber elektromagnetischer Strahlung hoher Intensität (HIRF) geschützt werden. Dieses Projekt befasst sich mit selbstaktivierenden und energieselektiven Dioden-Arrays zur Schirmung elektromagnetischer Wellen.

Aufgrund der nichtlinearen Kennlinie von Dioden, können Dioden-Arrays elektromagnetische Wellen mit großer Feldstärke kurzschließen, während sie für schwache Felder weiterhin durchlässig sind. Theoretisch verhält sich die in Abbildung 1 gezeigte Struktur wie ein räumlicher Schalter. Tatsächlich hängt die Schirmung von mehreren Faktoren ab, wie zum Beispiel Reaktionszeiten, jeweils vorgesehene Betriebsfrequenzen der eingesetzten Dioden, Transmissionsverluste innerhalb einzelner Komponenten und Nahfeldkopplung. Daher werden Vollwellensimulationen zur Bewertung der elektromagnetischen Schutzwirkung von Dioden-Arrays eingesetzt. Bislang wurden zumeist unendlich ausgedehnte, periodisch Dioden-Arrays untersucht. Im nächsten Schritt werden realistischere Modelle untersucht, insbesondere werden Simulationen endlicher und nichtperiodischer Dioden-Arrays mit Hilfe des elektromagnetischen Feldsimulators CONCEPT- II durchgeführt.

Geometrisches Modell eines Dioden-Arrays für vertikal polarisierten Schutz gegenüber HIRF entwickelt. Das Dioden-Array besteht aus leitfähigen Streifen und Miniatur-Dioden, aufgebracht auf ein verlustarmes dielektrisches Substrat mit einer Dicke von 0,8 mm. Der horizontale und vertikale Abstand zwischen benachbarten Dioden beträgt 3,5 mm bzw. 2.25 mm. (Abbildung aus „A Novel Method of Energy Selective Surface for Adaptive HPM/EMP Protection,“ IEEE APWL, vol. 12, pp. 112–115, 2013, angepasst.)

Zur Bewertung von Dioden-Arrays verwendetes Modell in CONCEPT -II. Das Array wurde in einem Ausschnitt aus des PEC-Würfels angebracht. Die Empfangsantenne befindet sich im Inneren des PEC-Würfels (Kantenlänge ca. 50 cm). Zu sehen sind die Oberflächenströme auf dem PEC-Würfel (rot markiert starke Ströme, blau markiert schwache Ströme).

Relevante Publikationen:

Cheng Yang, Heinz-D. Brüns, Peiguo Liu, Christan Schuster
Impulse Response Optimization of Band-Limited Frequency Data for Hybrid Field-Circuit Simulation of Large-Scale Energy-Selective Diode Grids
IEEE Transaction on Electromagnetic Compatibility, Vol. 58, No. 4, August 2016

Cheng Yang, Heinz-D. Brüns, Peiguo Liu, Christian Schuster
Validation of a Flexible Causality Treatment for Transient Analysis of Nonlinearly Loaded Structures
Joint IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility and EMC Europe, Dresden, Germany, 16.-22. August, 2015

Analyse elektromagnetischer Interferenzen in Server-Gehäusen

Promotion Alexander Vogt. 01.04.2011 – 08.04.2016

Mit zunehmenden Datenraten haben elektromagnetische Abstrahlung und Interferenz (EMI) einen immer größeren Einfluss in digitalen Systemen. Daher wird versucht, diese möglichst frühzeitig im Design-Prozess zu berücksichtigen. Die Hauptquellen von EMI sind u.a. ICs, Kabel und Stecker, sowie Leiterplatten (Printed Circuit Bords, PCBs). Während Letzteres sehr effizient mit 2D bzw. 2.5D Methoden modelliert und berechnet werden können, stellt die 3D Berechnung des Gehäuses und der enthaltenen Komponenten eine große Herausforderung dar.

Dieses Projekt versucht den Rechenaufwand, der durch die drei-dimensionale Struktur entsteht, durch geignete numerische Methoden und genäherte Modelle zu reduzieren.

Modellierung der Kopplung zweier beschichteter Leiterplatten unter Ausnutzung der Dünschichtapproximation in der Momentenmethode (MoM). (Concept-II). (Bildquelle: TET, TUHH).

Quellen von elektromagnetischer Abstrahlung in einem Servergehäuse. (Bildquelle: TET, TUHH).

Relevante Publikationen:

Alexander Vogt, Torsten Reuschel, Heinz-D. Brüns, Sabine Le Borne, Christian Schuster
On the Treatment of Arbitrary Boundary Conditions Using a Fast Direct H-Matrix Solver in MoM
IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 64, no.8, August 2016

Alexander Vogt, Heinz-D. Brüns, Christian Schuster
Auswirkung absorbierender Materialien auf die Verkopplung von Komponenten innerhalb eines PC-Gehäuses
Internationale Fachmesse und Kongress für Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV Düsseldorf) , Düsseldorf, Germany, February 23-25, 2016

Alexander Vogt, Heinz-D. Brüns, Qi Wu, Frank Gronwald, Christian Schuster
A Measurement Setup for Quantification of Electromagnetic Interference in Metallic Casings
IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol.57, no.6, Dezember 2015

Alexander Vogt
Workshop: Solving highly resonant structures using a fast direct H-matrix solver in the method of moments
IEEE EMC International Symposium on Electromagnetic Compatibility, Dresden, Germany, August 2015

Alexander Vogt, Heinz-D. Brüns
Workshop: Modeling using MoM – Solving challenging realworld problems
IEEE EMC International Symposium on Electromagnetic Compatibility, Gothenburg, Sweden, September 2014

Alexander Vogt, Heinz-D. Brüns, Christian Schuster
Einfluss von absorbierenden Materialien auf die elektromagnetische Strahlung von Leiterplatten
Internationale Fachmesse und Kongress für Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV Düsseldorf) , Düsseldorf, Germany, March 11-13, 2014

Alexander Vogt, Heinz-Dietrich Brüns, Helge Fielitz, Christian Schuster
Modeling Absorbing Materials in Cavities with Apertures Using the Thin Sheet Approximation
Asia-Pacific EMC Symposium (APEMC), Melbourne, Australia, May 20-23, 2013

Alexander Vogt, Heinz Brüns, Samuel Connor, Bruce Archambeault, Christian Schuster
Applicability of the Thin Sheet Approximation to the Analysis of EM Emission from Coated PCBs
IEEE EMC International Symposium on Electromagnetic Compatibility, Pittsburgh, USA, August 05-10, 2012

Anwendung der Analyse charakteristischer Moden auf Antennen-Entwurf und elektromagnetische Verträglichkeit

Alexander-von-Humboldt Stipendium Prof. Qi Wu. 01.03.2014 – 29.02.2016

Die Analyse von charakteristischen Moden, die auf den grundlegenden Arbeiten von Harrington und Mautz basiert, ist ein bekanntes Verfahren zur Untersuchung und zum Entwurf von Antennen. Im Rahmen der Momentenmethode (MoM) werden die charakteristischen Moden bestimmt aus den Eigenwerten eines Gleichungssystems, das sich anhand der Systemmatrix der MoM formulieren läßt. Die resultierenden Stromverteilungen entsprechen den Eigenströmen bzw. den Eigenwerten. Die Eigenwerte zeigen an, ob die dazugehörenden Eigenstromverteilungen in erster Linie magnetische oder elektrische Energie enthalten, oder sich in Resonanz befinden und insofern bei entsprechender Anregung effektiv strahlen können. Die Eigenströme bilden einen Satz (orthogonaler) Moden, der charakteristisch für die zu untersuchende Struktur (daher der Name) und unabhängig von der Anregung ist. Beim Entwurf von Antennen erlaubt die Inspektion der Eigenstromverteilungen geeignete Orte für Generatoren und Wege zur Verbesserung der Abstrahlung zu finden.
Bei der EMV-Analyse sind die Ziele entgegengesetzt: Strukturen werden auf potentielle Abstrahlung hin analysiert, um die ungewollte Emission zu reduzieren.

Während des von der Alexander-von-Humboldt-Stiftung finanzierten Studienaufenthalts von Prof. Qi Wu wurde die Analyse charakteristischer Moden erfolgreich zum Antennenentwurf angewendet und zur EMV-Analyse digitaler Systeme erweitert. Ein vollständiger Bericht des Studienaufenthalts ist in dem folgenden Dokument abgefasst: PDF.

Allgemeiner Ablauf zur Durchführung der Analyse charakteristischer Moden rein metallischer Strahler. Die Analyse läßt sich in vier Schritte aufteilen. Bildquelle: „Carakteristic Mode Analysis of Radiatig Structures in Digital Systems,“ IEEE Electromagnetic Compatibility Magazine.

Eigenströme [A/m] und Strahlungsdiagram eines kubischen Kühlkörpers auf einer Hauptplatine bei 500 MHz berechnet mit CONCEPT-II. Bildquelle: „Charakteristic Mode Analysis of Radiating Structures in Digital Systems,“ IEEE electromagnetic Compatibility Magazine.

Relevante Publikationen:

Qi Wu, Wei Su, Zhi Li, Donglin Su
Reduction of Out-of-Band Antenna Coupling using Characteristic Mode Analysis
IEEE Transactions on Antennas and Propagation, accepted for publication

Qi Wu, Alexander Vogt, Heinz-D. Brüns, and Christian Schuster
Characteristic Mode Analysis of Radiating Structures in Digital Systems
IEEE Electromagnetic Compatibility Magazine, accepted for publication

Qi Wu, Heinz.-D. Brüns, C. Schuster
Evaluation of Isolation between Blade Antennas in Pre-design Phase using a Synthesized Model
Asia-Pacific International Symposium on Electromagnetic Compatibility, APEMC 2016

Alexander Vogt, Heinz-D Bruns, Qi Wu, Frank Gronwald, Christian Schuster
A Measurement Setup for Quantification of Electromagnetic Interference in Metallic Casings
IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 57, no. 6, pp. 1354-1364, Dec. 2015

Qi Wu, Xiaojing Ding, Donglin Su
A Compact Dipole Antenna with Curved Reflector for 1.0-4.2 GHz EMC Measurement
IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 57, no. 6, pp. 1289 – 1297, Dec. 2015

Qi Wu, Alexander Vogt, Jan B. Preibisch, Andreas Hardock, Heinz.-D. Brüns, C. Schuster
Modeling of Mutual Coupling between Coaxial Probes in Flat Metallic Casings Using the Contour Integral Method
ICEAA-IEEE APWC 2015, International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications, Torino, Italy, September 07-11, 2015

Qi Wu, Alexander Vogt, Heinz-D. Brüns, Frank Gronwald, Christian Schuster
Numerical and Experimental Evaluation of Electromagnetic Coupling between Radiating Antenna Structures inside a Computer Casing
Joint IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility and EMC Europe, Dresden, Germany, August 16-22, 2015

Qi Wu, W. Su
Rigorous Eigenmode Analysis of Conducting Sphere
9th European Conference on Antennas and Propagation, EuCAP 2015, Lisbon, Portugal, April 12-17, 2015

Qi Wu, Siyuan Guo, Donglin Su
On the eigenmodes of small conducting objects
IEEE Antennas Wireless Propagation Letters, vol. 13, pp. 1667-1670, 2014

Qi Wu, Xiaojing Ding, Aixin Chen
A broadband dipole antenna for multiservice indoor distributed antenna system (MS-IDAS)
IEEE Antennas Wireless Propagation Letters, vol. 14, pp. 839-842, 2015

Qi Wu, Xiaojing Ding, Donglin Su
Theoretic and Experimental Analysis of a Reflector-backed Dipole Antenna for 1-3 GHz EMC Test
IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, EMC Europe 2014, Gothenburg, Sweden, September 1-4, 2014

Präzise und effiziente Algorithmen in der Momentenmethode für die Analyse von High Intensity Radiated Field Kopplung in Flugkörpern

Promotion Arne Schröder. 01.09.2009 – 31.08.2013

Die Entwicklung elektronischer Systeme in Flugzeugen fordert die Anwendung von numerischen Simulationen zur Einkopplungsanalyse externer elektromagnetischer Felder in avionische Systeme. In dieser Arbeit werden Verfahren zur präzisen und effizienten Analyse von Flugzeugstrukturen mit Hilfe der Momentenmethode erarbeitet. Durch Ausnutzung von Redundanzen der ursprünglich numerischen Formulierungen wird die Effizienz von klassischen Ansätzen erhöht. Die Genauigkeit und die Effizienz der vorgestellten Methoden werden mit Hilfe von Anwendungsbeispielen validiert. Dabei decken die Untersuchungen sowohl generische Objekte als auch realistische Flugzeuge ab und dienen der Diskussion von Herausforderungen in der numerischen Simulation komplexer Flugzeugstrukturen.

Surface current density on an aircraft under plane wave illumination (aircraft model courtesy of HIRF SE partner Evektor, Czech Republic). (Source: TET, TUHH).

Bistatic radar cross section (RCS) of aircraft to the left. The comparison of two diffrent computation methods shows good agreement. (Source: TET, TUHH). (Source: TET, TUHH).

Relevante Publikationen:

Arne Schröder, Guido A. Rasek, Heinz-D. Brüns, Zdenek Reznicek, Jaromir Kucera, Steffen E. Loos, Christian Schuster
Analysis of High Intensity Radiated Field Coupling into Aircraft using the Method of Moments
IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 56, no. 1, Februar 2014

Arne Schröder, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster
A Hybrid Approach for Rapid Computation of Two-Dimensional Monostatic Radar Cross Section Problems With the Multilevel Fast Multipole Algorithm
IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 60, no. 12, December 2012

Arne Schröder, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster
Fast evaluation of electromagnetic fields using a parallelized adaptive cross approximation
IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 60, no. 12, December 2012

Arne Schröder, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster
Efficient Compression of Far Field Matrices in Multipole Algorithms based on Spherical Harmonics and Radiating Modes
Advanced Electromagnetics, vol. 1, no. 2, 2012 and Advanced Electromagnetics Symposium (AES), Paris, France, April 16-19, 2012

Arne Schröder, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster
Beschleunigung schneller Löser in der Momentenmethode bei Einkopplungsproblemen mit Mehrfachanregung
Internationale Fachmesse und Kongress für Elektromagnetische Verträglichkeit, Düsseldorf; Germany, February 7-9, 2012

Arne Schröder, Guido A. Rasek, Steffen E. Loos, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster
Numerical and Experimental Investigations on a Metallic Fuselage Model with Apertures
EMC Europe Conference, York, United Kingdom, September 26-30, 2011

Arne Schröder, Heinz-Dietrich Brüns, Geoff South, Christian Schuster
Investigation of Field Coupling into a Carbon Fiber Aircraft Model with the Method of Moments
International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA), Torino, Italy, September 12-16, 2011

Arne Schröder, Heinz-D. Brüns, Christian Schuster
Exploiting Planes of Magnetic Symmetry in the Fast Multipole Method
International Symposium on EMC Europe, Wroclaw, Poland, September 13-17, 2010

Arne Schröder, Miguel Astner, Heinz-D. Brüns, Christian Schuster
Ausnutzung magnetischer Symmetrie bei der numerischen Analyse von Feldproblemen mit der schnellen Multipolmethode
Internationale Fachmesse für elektromagnetische Verträglichkeit (EMV Düsseldorf) March 09.-11., 2010

Entwicklung eines Vollwellen-Moduls für eine High Intensity Radiated Field (HIRF) Simulationsumgebung

EU-Projekt. 01.12.2008 – 13.05.2013

Das Forschungsprojekt „HIRF Synthetic Environment“, finanziert durch die EU mit insgesamt 45 Partnern, hatte als Ziel, der Luftfahrtindustrie ein Framework zur numerischen Modellierung von Luftfahrtzeugen zu liefern, das schon während der Entwurfsphase zur Vorhersage einer ausreichenden elektromagnetischen Störfestigkeit verwendet werden kann. Zu diesem Zweck wurden mehrere aktuelle Codes zur rechnergestützen Vorhersage von elektromagnetischen Feldern in eine gemeinsame Modelierungsplattform integriert und sowohl miteinander als auch mit Messungen validiert. Von Seiten des Institutes für Theoretische Elektrotechnik konnten der MoM-basierte Code CONCEPT-II erfolgreich angepasst und in die Simulationsumgebung eingefügt werden.

Die Verfügbarkeit eines solchen HIRF Simulationsumgebung wird in der Zukunft immer bedeutender, um zwischen vielfältigen Designalternativen entscheiden, die Anzahl von Testläufen verringern und um dem allgemeinen Druck nach Zeit- und Kostenreduktion entgegenkommen zu können.

Verteilung der Oberflächenstromdichte auf einem Flugzeug auf Grund einer HIRF-Einstrahlung (Bildquelle: TET, TUHH).