Vorlesung
Mittwoch 13:00 - 14:30
Elektromagnetische Modellierung beschreibt die Berechnung, Formung und Führung elektromagnetischer Felder, um elektromagnetische Systeme mit den gewünschten elektrotechnischen Eigenschaften zu entwickeln. Dies können Komponenten, wie Antennen, Resonatoren, Filter, etc. sein. Sie können aber auch eingebettet in eine größere Umgebung (z.B. Antenne im Funksystem innerhalb eines Automobils mit anderen Funksystemen oder ein funktionales elektromagnetisches Implantat im menschlichen Körper) ein komplexeres elektromagnetisches System bilden.
Innerhalb der Physik ist die elektromagnetische Feldtheorie vollständig beschrieben und lässt sich mathematisch für alle makroskopischen elektromagnetischen Vorgänge durch die vier Maxwell’schen Gleichungen beschreiben. Hieraus können analytisch auch alle Phänomene (z.B. Wellenausbreitung) abgeleitet und verstanden werden. Die konkrete analytische Berechnung ist allerdings nur für geometrisch einfache Anordnungen mit vertretbarem Aufwand möglich (vgl. ihre Erfahrungen aus ET2 und TET).
Parallel zu steigenden Anforderungen und einer höheren Integrationsdichte in elektromagnetischen Systemen werden daher computerorientierte numerische Lösungsverfahren entwickelt. Diese sind mittlerweile in kommerzielle Software zur elektromagnetischen Modellierung umgesetzt, so dass ihre Verwendung einen Industriestandard bei der Entwicklung aktueller und zukünftiger Systeme etabliert. Effiziente elektromagnetische Modellierung ermöglicht deshalb bereits heute die Beherrschung immenser Komplexität in elektromagnetischen Systemen und reduziert die Anzahl der Re-Designs im Entwicklungsprozess.
Um Software zur elektromagnetische Modellierung effizient für komplexe Probleme einzusetzen, ist eine grundlegende Kenntnis der verwendeten Methoden erforderlich. Dies ist der Schlüssel zur Auswahl einer problemgerechten Methode, einer effizienten Modellierung und schließlich der Validierung der Ergebnisse ohne die Ergebnisse eines Testaufbaus abzuwarten.
In der Vorlesung werden u.a.
- Wellenausbreitungseffekte phänomenologisch beschrieben,
- Grundzüge der numerischen elektromagnetischen Modellierung besprochen
- Grundlagen der wichtigsten Verfahren
- Momentenmethode – MoM,
- Finite Elemente Methode – FEM,
- Finite Differenzen im Zeitbereich – FDTD
besprochen,
- ihre Anwendungsbereiche, Vor- und Nachteile und Hybridisierungskonzepte diskutiert.
- Einfache Methodenimplementierungen erfolgen in MatLAB mit dem Ziel die Anwendbarkeit selbst auszutesten.
- Grundsätze zur effizienten elektromagnetischen Modellierung werden unter Verwendung kommerzieller Software anhand aktueller Probleme besprochen und von den Studierenden selbst untersucht.
Ziel der Vorlesung ist es,
- darzulegen, wie elektromagnetische Feldberechnungen in der Ingenieurpraxis angewendet werden, um komplexe Systeme zu entwickeln,
- zu zeigen, wie numerische Verfahren (teils bekannt aus der Vorlesung „Numerische Mathematik“) auf elektrotechnische Probleme angewendet werden,
- einen fundierten Einstieg in die elektromagnetische Modellierung zu geben, die in vielen Bereichen der Ingenieurtätigkeit heute eine etablierte Methode ist.
Aufbau der Veranstaltung:
- 2V+1Ü+1H
- Allerdings werden auch in die Vorlesung Praxismodule eingebettet, so dass es themenspezifische Überlappungen von Vorlesung und Übung gibt
- Nach klassischen Rechenübungen werden im weiteren Verlauf der Vorlesung zunehmen Implementierungs- und Modellierungsaufgaben unter Verwendung eigener und kommerzieller Software eingebaut
- Kleinere Aufgabenpakete sollen im Rahmen einer Hausarbeit von den Studierenden selbst erarbeitet werden.
Kontext im Curriculum:
- Diese Vorlesung ist eine Neufassung der Vorlesung „Ausbreitung Elektromagnetischer Wellen“ und ersetzt diese.
- Sie ist im Wahl- und Wahlpflichtbereich der B.Sc. bzw. M.Sc. ETIT angeordnet.
- Sie richtet sich an Studierenden, die
- sich für die Berechnung elektromagnetischer Felder und die Entwicklung elektromagnetischer Systeme interessieren,
- besser Einordnen möchten, wie die abstrakten Methoden der Vorlesung „Numerische Mathematik“ im elektrotechnischen Kontext umgesetzt und angewendet werden.
Übung
Mittwoch 14:45 - 15:30
