Ziel dieses Projektes ist es, an der Schnittstelle von drei verschiedenen Forschungsgebieten teilzunehmen:

1. Physik der elektromagnetischen Feldinteraktion mit nichtlinear beladenen, elektrisch großen
   Strukturen und Oberflächen,
2. neuartige technische Anwendungen für solche Strukturen und Oberflächen, und
3. effiziente und stabile numerische Modellierung und Simulation solcher Strukturen und Oberflächen.

Während – zumindest im Prinzip – jedes Funkübertragungssystem ein Beispiel für die Anwendung von Elektromagnetische Feldwechselwirkung mit einer nichtlinear beladenen Struktur (Antenne verbunden mit Eingangsstufe einschließlich z.B. Mixer und Verstärker) und als solche gut verstanden ist und mit existierenden Werkzeugen entworfen werden kann, ist es die massive Beladung, d.h. die Verbindung von mehreren hunderten von nichtlinearen Lasten über einer elektrisch große Fläche, die neue Herausforderungen und Chancen für die Forschung bietet.Anwendungen, die für diese Art von Strukturen und Oberflächen vorgesehen sind oder bereits betrachtet wurden, umfassen energieselektive wellenformabhängige Absorption, Selbstfokussierung von Oberflächenwellen, HF-Begrenzung, Subwellenlängenabbildung, nichtlinearem Radar und Umschalten und Zeitdomänenfenstern u.A..

Das Forschungsprojekt wird in Kooperation mit Prof. Grivet-Talocia vom Institut für Elektronik und Telekommunikation Politecnico di Torino (POLITO), Italien, durchgeführt.Das Team von Prof. Grivet-Talocia verfügt über Kompetenzen in den Bereichen der Makromodellierung und schnellen Schaltungssimulationen, die beide für dieses Projekt unerlässlich sind.
Die EMC-Gruppe am POLITO hat große Beiträge sowohl in der Theorie als auch in der Anwendung von Makromodellierungstechniken für elektrische und elektromagnetische Systeme geleistet.Prof. Grivet-Talocia ist Co-Autor des ersten Buches über Passive Macromodeling [02], zusammen mit Dr. Gustavsen.Seit 2001 haben Prof. Grivet-Talocia und seine Gruppe das Tool IdEM, eine Sammlung von State-of-the-Art-Algorithmen für das Generieren von Makromodellen, entwickelt.

Finanzierung: DFG
Kooperationspartner: Department of Electronics and Telecommunications
Politecnico di Torino (POLITO)
Torino, Italy
Kontakt: Torben Wendt, M. Sc.
Start Datum: 16.08.2017

Quellen:[01] C. Yang, H.-D. Brüns, P. Liu, C. Schuster, “Impulse Response Optimization of Band-Limited Frequency Data for Hybrid Field-Circuit Simulation of Large-Scale Energy-Selective Diode Grids”, IEEE TRANSACTIONS ON ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, VOL. 58, NO. 4 (2016).[02] S. Grivet-Talocia and B. Gustavsen, Passive Macromodeling: Theory and Applications. New York: John Wiley and Sons (2016).

Dr. Lei Wang (Alexander von Humbold Stipendiat) 01.02.2018-31.01.2020

Basierend auf früherer Forschung und bereits vorhandenen Simulationstools des TET-Institutes haben wir eine schnelle Simulationsmethode für Felder auf den Berandungen eines Standard-SIW-Hornes und für dessen abgestrahlte Felder entwickelt. Dieser kombinierte/hybride Ansatz aus CIM und Momentenmethode (MoM) ist in Abb. 1 gezeigt:

Nach Berechnung der Eigenschaften der planaren (passiven) Schaltung mit der CIM und Terminierung der Tore entsprechend angemessener/sinnvoller Randbedingungen, wird ein modales Tor mittels Post-Processing eingeführt. Danach wird die Abstrahlung durch die Konkatenierung einer Matrix dargestellt, welche mit einem MoM-Code für Magnetströme auf Drähten berechnet wird. Das Ergebnis ist die Eingangsimpedanz für das modale Tor, welches Ähnlichkeit mit einem Tor eines Rechteckhohleiters hat, siehe Abb.2. Die ermöglicht auch die Berechnung der Spannungsverteilung auf dem Rand, welche wiederum für die Berechnung der abgestrahlten Felder in Form von Strahlungsdiagrammen genutzt werden kann, siehe Abb. 2. Die hybride CIM/MoM-Method ist um etwa zwei bis drei Größenordnungen schneller als Finite Elemente-Simulationen.

Ein vollständiger Bericht des Studienaufenthalts von Dr. Lei Wang ist in dem folgenden Dokument abgefasst: PDF

Heinz-D. Brüns, Angela Freiberg, 01.10.18-31.01.19

In der Praxis ist es in vielen Fällen hilfreich, Systemantworten nicht nur als Funktion der Frequenz darstellen zu können. Das Programm wurde deshalb dahingehend erweitert, dass alle Ausgaben nun auch als Funktion variierender Elementwerte zu berechnen sind, wobei betont werden muss, dass sämtliche Eingabegrößen parametrisiert werden können, also neben den Standardwerten R,L,C zum Beispiel auch die induktiven oder kapazitiven Leitungsbeläge, die Wellenwiderstände oder die Steuergrößen von gesteuerten Strom- oder Spanungsquellen.

Das obere Bild zeigt eine einfache stromgespeiste Schaltung eines Parallelschwingkreises. Zu erkennen ist, dass die Schaltungselemente R1, L1 und C1 in bestimmten Wertebereichen verändert werden sollen. Im Beispiel werden jeweils 10 Parameterwerte angenommen. Da gleichzeitig auch die Frequenz mit über 90 Schritten zu bearbeiten ist, sind für die gezeigte Schaltung schon über 90000 Datensätze abzuspeichern, was im h5-Datenformat geschieht. Die grafische Ausgabe beliebiger Abhängigkeiten ist in einfacher Weise ermöglicht.

Darüber hinaus wurde auf der Basis des unterlegten MNA-Algorithmus die Berechnung von S-Parametern ermöglicht. Dazu wurde ein spezielles Port-Element geschaffen. Die zu untersuchende Schaltung darf insofern sämtliche im Programm zur Verfügung stehenden Elemente enthalten, allerdings keine aktiven Strom oder Spannungsquellen. Das folgende Bild zeigt als Beispiel die berechneten S-Parameter eines Wilkinson Leistungsteilers, der für eine Frequenz von 100 MHz ausgelegt wurde.

Heinz-D. Brüns, Angela Freiberg, 20.09.17-20.12.17

Nachdem das Netzwerkprogramm CONCIRC zum Download freigegeben worden war, sind zahlreiche Vorschläge zur Erweiterung und Verbesserung des Tools bei den Entwicklern eingegangen. Auf der Grundlage dieser Vorschläge wurde u.a. die grafische Ausgabe erweitert um:

• Bode-Diagramme
• Ortskurven

Zahlreiche Einstellungen ermöglichen es, eine optimale Kurvenausgabe zu erzielen.
Die folgenden Bilder zeigen zwei Beispiele:

Darüber hinaus wurden eingeführt:

• Nicht idealer Transformator mit den Elementen L1, L2, M12
• Erweiterung der stromgesteuerten Spannungsquelle zur Modellierung magnetisch gekoppelter Kreise
• Ausgabe aller Größen in dB
• Einlesen der Kontrolldaten der gesteuerten Quellen aus Datei
• Werte für Strom- und Spannungsquellen aus Datei
• Direkte Eingabe von komplexen Impedanzen

Doktorarbeit Jan Birger Preibisch, 01.02.2013 – 30.06.2017

Elektromagnetische Felder innerhalb von Leiterplatten, substratintegrierten Wellenleitern, sowie orthogonal gestreute Felder unendlich ausgedehnter Strukturen breiten sich in Ebenen aus. In dieser Arbeit wird die Kontourintergralmethode (CIM) erweitert, um Leiterplatten und planare Hochfrequenzbauelemente, sowie optische Bauelementen in TE- und TM-Polarisation zu simulieren. Das Einkoppeln in die planaren Strukturen wird mittels physikalisch motivierter Ersatzschaltungsmodelle modelliert. Zur Handhabung stochastischer
Formulierungen dieser Modelle wurde die polynomielle Chaos Zerlegung (PCE) verwendet. Algorithmen und Methoden zur schnellen und aussagekräftigen Analyse wurden entwickelt. Sämtliche Erweiterungen und Methoden wurde anhand von modernsten Anwendungsbeispielen aus der Praxis validiert.

Relevante Publikationen:

Sangwook Park, M. Sc., (Ajou Universität, Süd Korea) 26.08.2015 – 11.08.2016

Heutzutage werden verschiedenste Feldrechenprogramme zur Lösung dreidimensionaler elektromagnetischer Aufgabenstellungen eingesetzt. Die bekanntesten Vertreter sind die Finite-Elemente-Methode (FEM), die Momentenmethode (MoM), die Finite-Differenzen-Methode im Zeitbereich (FDTD), die Finite-Integral-Methode (FIT) und die Transmission-Line-Matrix-Methode (TLM). Mit allen genannten Verfahren wurde bereits eine große Vielfalt elektromagnetischer Problemstellungen behandelt und erfolgreich gelöst. Es ist sehr wohl bekannt, dass die Qualität der auf numerischem Wege erzielten Resultate von einer Reihe von Faktoren abhängt, z.B. von einer ausreichenden Diskretisierung der zugrundeliegenden Strukur und des Setzen absorbierender Randbedingungen. In diesem Zusammenhang hat jedes Verfahren seine spezifischen Anforderungen was die Rechengebietsabgrenzung, das Setzen von Toren oder die Wahl der Gitterlelemente betrifft. Alle Eingabegrößen müssen sorgfältig gewählt werden, um genaue Resultate zu erhalten. In der Praxis erweist es sich oft als kompliziert, alle Bedingungen zu erfüllen, was zu „unscharfen“ Ergebnisse führen kann. Hier stellt sich dann die Frage, wie die Resultate zu validieren sind.

Basierend auf dem IEEE-Standard 1597 “Standard for Validation of Computational Electromagnetic Computer Modeling and Simulation” werden in diesem Projekt verschiedene Beispiele untersucht. Das Ziel ist, herauszufinden, wie sich unterschiedliche Löser im gegenseitigen Vergleich bei identischen Aufgabenstellungen verhalten. Dabei sollen kanonische Probleme wie eine Dipolantenne, eine dicker Monopol auf einer endlichen Platte und eine quaderförmige Kavität mit Aperturen betrachtet werden, und zwar bei Anwendung zweier kommerzieller Programme (basierend auf der FEM und der FIT) und dem institutseigenen Programm CONCEPT-II (basierend auf der MOM). Dieses Projekt soll die Bedingungen benennen, die nötig sind, um valide Lösungen in den genannten Fällen zu erhalten.

Heinz-D. Brüns, Angela Freiberg. 01.07.2015 – 30.06.2016

Die Hauptaufgabe des Programms CONMTL besteht darin, die Leitungsparameter-Matrizen L‘, C‘, G‘ und R‘ zu berechnen, und zwar für Mehrfachleitungen mit beliebigem Querschnitt. Das Programm gründet sich auf der Momentenmethode (MoM) mit deren Hilfe eine 2D-Integralgleichung für elektrostatische 2D-Probleme numerisch gelöst wird. Diese Integralgleichung lässt sich aus der entsprechenden Poissongleichung der Elektrostatik herleiten. In einem ersten Schritt werden äquivalente Ladungsverteilungen berechnet. Dazu erfolgt die Unterteilung der Leiterquerschnitte und der dielektrischen Grenzen in eine ausreichende Anzahl gerader Segmente. Über jedem Segment wird eine konstante Ladungsfunktion definiert. Randbedingungen, die es zu erfüllen gilt, sind das konstante Potential auf den metallischen Leitern und die konstante Normalkomponente für den elektrischen Fluss an dielektrischen Grenzen. Auf diese Weise lässt sich die Integralgleichung in ein lineares Gleichungssystem konvertieren. Die Lösung des Gleichungssystems ergibt dann eine Approximation der gesamten Ladungsverteilung, sowohl auf den Leitern als auch auf den Rändern der Dielektrika. Diese Gesamtladungsverteilung ist dann nötig, um die erwähnten Leitungsparameter ermitteln zu können. Umfassende grafische Möglichkeiten bestehen, um die Ladungsverteilung auf allen Querschnittsbereichen und die E-Feldverteilung im Querschnitt zum Zwecke der Validierung begutachten zu können. Nach Eingabe der Leitungslänge kann die Y-Parametermatrix auf der Grundlage der Mehrfachleitungstheorie berechnet werden. Schließlich lassen sich auch die S-Parameter als Funktion der Frequenz bestimmen.

Heinz-D. Brüns, Angela Freiberg. 01.07.2014 – 30.06.2015

Das Programm CONCIRC wurde am Institut für Theoretische Elektrotechnik an der technischen Universität Hamburg-Harburg entwickelt. CONCIRC ist ein lineares Netzwerkanalyseprogramm mit allen grundlegenden Funktionen, um die Studenten der Vorlesung „Grundlagen der Elektrotechnik II“ zu unterstützen. CONCEPT-II-Nutzer können Ports mit Lastelementen belegen. Y-Parameter können in verschiedenen Formaten gelesen werden. Das Graphikprogramm „Gnuplot“ wird zur Darstellung von frequenzabhängigen Verläufen von Spannungen, Strömen oder Imdedanzen benutzt und muss zusätzlich installiert werden. (Gnuplot ist nicht Teil von CONCIRC.)

Promotion Alexander Vogt, 01.02.2014 – 30.06.2015

In diesem Projekt wurden schnelle direkte Löseverfahren auf Grundlage der hierarchischen (H-) Matrizen untersucht und erweitert, um damit elektromagnetische Problemstellungen mit beliebigen Randbedingungen berechnen zu können. Das Ziel des Projekts ist es, ein Löseverfahren auf Grundlage der Momentenmethode (MoM) zu entwickeln, das sich für einen großen Bereich von Problemen in der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) anwenden lässt.

Besonders interessant sind solche Löseverfahren für hochresonante Strukturen, wie sie in Computer (PC) Systemen zu finden sind, da etablierte iterative Verfahren hier typischerweise ein schlechtes Konvergenzverhalten aufweisen. Darüber hinaus beinhalten solche Systeme häufige viele interne Komponenten auf engstem Raum, was zu aufwändigen Simulationsaufbauten führt. Hierbei handelt es sich unter anderem um dämpfende Materialien, Leiterplatten, Kabel und strukturelle Komponenten. Diese werden in immer kleineren metallischen Gehäusen untergebracht was zu hochkomplexen Feldverteilungen im Inneren der Kavitäten führt. In diesem Fall sind klassische Beschleunigungsverfahren auf Basis von Multipol-Entwicklungen der Fernfeld-Anteile nicht praktikabel und algebraische Verfahren wie die adaptive Kreuzapproximation (ACA) sind erforderlich. Die daraus abgeleiteten H-Matrizen können genutzt werden, um effizient MoM Systemmatrix zu lösen. Der in diesem Projekt implementierte H-Matrix Löser ist Teil des Concept-II Pakets und zeigt eine hervorragende Performance für alle Frequenzbereiche und Simulationsaufbauten für die die Momentenmethode anwendbar ist.

Relevante Publikationen:

Promotion Xiaomin Duan, 01.09.2007 – 31.07.2013

Die rasante Entwicklung der Halbleiter-Industrie stellt große Herausforderungen an die Electronic-Design-Automation-Tools.
Diese Arbeit konzentriert sich auf die effiziente und präzise Modellierung von planaren Strukturen und Leiterplatten in digitalen Systemen durch die Erweiterung eines schnellen zweidimensionalen numerischen Verfahrens – die Kontur-Integral Methode. Die Erweiterung umfasst die Ableitungen von analytischen Lösungen für eine schnelle Analyse von zylindrischen Vias sowie die Kombinationen mit anderen effiziente Methoden zur Behandlung komplexer Multilagen-Systemen. Anhand mehrerer Anwendungsbeispiele werden die Methode und ihre Erweiterung gründlich validiert und ausgewertet.

TUHH Universitätsbibliothek. TUBDok Link: http://doku.b.tu-harburg.de/volltexte/2012/1157/

Relevante Publikationen:

Promotion Volker Vahrenholt. Abgeschlossen 2009

Bei Untersuchungen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) komplexer elektrischer Systeme sind Stromsimulationen unerlässlich. In dieser Arbeit wurde zur Simulation der Stromverteilung für die EMV von Leiterplatten die PEEC-Methode – genannt Partial-Element-Equivalent-Circuit oder kurz PEEC – verwendet und weiterentwickelt. Darüber hinaus wurde ein Hybridverfahren aus PEEC und aus der Momentenmethode (MoM) konzipiert, um Synergien zwischen PEEC und MoM zu erzeugen, die einen erheblichen Rechenzeitgewinn gegenüber reinen MoM-Vollwellenmodellen erbringen.

Relevante Publikationen:

Promotion Miguel Astner. Abgeschlossen 31.08.2009

Die Untersuchung komplexer elektrischer Systeme im Rahmen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) mit Hilfe der Momentenmethode (MoM) führt in der Regel zu großen Gleichungssystemen mit dichtbesetzten Matrizen. Der Lösungsaufwand mit Standardmethoden ist daher unpraktikabel. In dieser Arbeit werden Verfahren vorgestellt, die im Vergleich zur klassischen MoM den Rechenaufwand deutlich reduzieren. Einen weiteren Schwerpunkt stellt die Parallelisierung einer dieser Methoden auf Multicomputersystemen dar.

Relevante Publikationen: