Electromagnetic Design

Name: Electromagnetic Design | Theorie und Simulation elektromagnetischer Felder
Brand: Hanser
Price: 39.99 EUR
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Theorie und Simulation elektromagnetischer Felder

Frank Gustrau(Autor*in)

Hanser (Verlag)

1. Auflage

Erschienen am 16. Januar 2023

330 Seiten

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978-3-446-47724-7 (ISBN)

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Inhalt

Intro
Vorwort
Inhalt
1 Einleitung
1.1 Netzwerk- und Feldtheorie
1.2 Anwendungsfelder der EM-Simulation
1.3 Aufbau der nachfolgenden Kapitel
2 Theorie elektromagnetischer Felder
2.1 Physikalische Grundlagen
2.1.1 Elektrostatische Feldgrößen
2.1.1.1 Ladung und Coulomb-Kraft
2.1.1.2 Elektrische Feldstärke
2.1.1.3 Spannung und elektrisches Potential
2.1.1.4 Polarisation und relative Dielektrizitätszahl
2.1.1.5 Verhalten bei Wechselstrom
2.1.1.6 Dielektrische Verschiebungsdichte
2.1.1.7 Elektrische Feldenergie und Kapazität
2.1.2 Stationäre elektrische Strömungsfelder und magnetische Felder
2.1.2.1 Stromdichte, Leistungsdichte und Widerstand
2.1.2.2 Magnetische Feldstärke und magnetische Flussdichte
2.1.2.3 Magnetische Feldenergie und Induktivität
2.1.2.4 Lorentz-Kraft
2.1.3 Vektoranalytische Operatoren
2.1.3.1 Divergenz
2.1.3.2 Rotation
2.1.3.3 Quellen- und Wirbelfelder
2.1.3.4 Laplace-Operator
2.2 Maxwell'sche Gleichungen
2.2.1 Differentialform für allgemeine Zeitabhängigkeit
2.2.2 Differentialform für harmonische Zeitabhängigkeit
2.2.3 Integralform
2.2.4 Materialgleichungen
2.2.5 Verhalten an Materialgrenzen
2.2.6 Ladungserhaltung
2.3 Einteilung elektromagnetischer Feldprobleme
2.4 Statische Felder
2.4.1 Elektrostatische Felder
2.4.1.1 Poisson-Gleichung
2.4.1.2 Green'sche Funktion
2.4.2 Magnetostatische Felder
2.4.2.1 Magnetisches Vektorpotential
2.4.2.2 Biot-Savart'sches Gesetz
2.4.3 Statisches Strömungsfeld
2.5 Quasistatische Felder
2.6 Stromverdrängung (Skineffekt)
2.6.1 Eindringtiefe
2.6.2 Äquivalente Leitschichtdicke
2.7 Elektromagnetische Wellen
2.7.1 Wellengleichung
2.7.2 Homogene ebene Wellen
2.7.3 Polarisationsrichtung
2.7.3.1 Lineare Polarisation
2.7.3.2 Zirkulare Polarisation
2.7.3.3 Elliptische Polarisation
2.7.4 Reflexion und Brechung an ebenen Grenzflächen
2.7.4.1 Senkrechter Einfall
2.7.4.2 Schräger Einfall
2.7.5 Kugelwellen
2.7.6 Wellen in verlustbehafteten Medien
2.8 Energieerhaltung
2.9 Elektromagnetische Potentiale
2.9.1 Potentiale und Feldgrößen
2.9.2 Lorenz-Eichung und Wellengleichungen
2.9.3 Harmonische Zeitabhängigkeit und Green'sche Funktion
2.10 Leistungsumsatz und Temperaturfelder
3 Numerische Berechnung elektromagnetischer Felder
3.1 Überblick
3.2 Methode der Finiten Differenzen imZeitbereich (FDTD)
3.2.1 Maxwell'sche Gleichungen
3.2.2 Diskretisierung des Problems
3.2.3 Stabilität und Dispersion
3.2.4 Randbedingungen
3.2.5 Tore und Netzwerkgrößen
3.2.6 Zeitsignale
3.3 Methode der Finiten Elemente (FEM)
3.3.1 Variationsrechnung
3.3.2 Finite Elemente
3.3.3 Formfunktionen
3.3.4 Elementmatrix
3.3.5 Gesamtmatrix
3.3.6 Lösung des linearen Gleichungssystems
3.4 Momentenmethode (MoM)
3.4.1 Grundidee des Verfahrens
3.4.2 Linienförmige Leiter
3.4.3 Geschichtete Strukturen
3.5 Weitere Verfahren
4 Modellbildung und Simulation
4.1 Modellbildung
4.2 EM-Simulationstools und Workflow
4.2.1 Prä-Prozessor
4.2.2 Numerischer Problemlöser (Solver)
4.2.3 Post-Prozessor
4.2.4 EM-Softwaretools
4.2.5 Parametervariation und Optimierung
4.3 Aufbau der Geometrie
4.3.1 Interaktive Geometrieeingabe
4.3.2 Import von CAD-Daten
4.3.3 Overmodeling vermeiden
4.4 Materialeigenschaften
4.5 Anregungen und Tore
4.5.1 Konzentrierte Tore
4.5.2 Wellenleitertore
4.5.3 Feldanregungen
4.5.4 Anregungssignale
4.6 Randbedingungen
4.7 Diskretisierung und Ressourcenbedarf
4.7.1 Diskretisierung
4.7.2 Ressourcenbedarf
4.7.3 Konvergenzanalyse
4.8 Auswahl der numerischen Methode
4.8.1 Momentenmethode
4.8.2 Finite-Elemente-Methode
4.8.3 Methode der Finiten Differenzen im Zeitbereich
4.9 Nach der Simulation
4.10 Zusammenfassung
5 Statische magnetische Felder
5.1 Langgestreckter Linienleiter
5.1.1 Berechnung mit dem Durchflutungsgesetz
5.1.2 EM-Simulation
5.2 Zweidrahtleitung
5.2.1 Anwendung des Superpositionsprinzips
5.2.2 EM-Simulation
5.3 Ringspule
5.3.1 Berechnung mit dem Biot-Savart'schen Gesetz
5.3.2 EM-Simulation
5.3.3 Helmholtzspule
5.4 Koaxiale Anordnung
5.4.1 Berechnung mit dem Durchflutungsgesetz
5.4.2 Rückrechnung auf die Ursachen des magnetischen Feldes
5.4.2.1 Berechnung der Quellendichte
5.4.2.2 Berechnung der Wirbeldichte
5.4.3 Berechnung der Induktivität
5.4.4 EM-Simulation
5.5 Langgestreckte Zylinderspule
5.5.1 Magnetisches Feld und Induktivität
5.5.2 EM-Simulation
5.5.3 Fazit
6 Statische elektrische Felder
6.1 Plattenkondensator
6.1.1 Elektrisches Feld und Spannung
6.1.2 Kapazität als Systemgröße
6.1.3 Elektrische Feldenergie und Kapazität
6.1.4 Berechnung des elektrischen Strömungsfeldes
6.1.5 EM-Simulation mit der FDTD-Methode
6.1.5.1 Berechnung der Feldstärke und der Kapazität
6.1.5.2 Berechnung des Strömungsfeldes und des Widerstandes
6.1.5.3 Blick über den Tellerrand
6.1.6 EM-Simulation mit der Momentenmethode
6.1.7 EM-Simulation mit der Finite-Elemente-Methode
6.2 Koaxiale Anordnung
6.2.1 Elektrisches Feld und Spannung
6.2.2 Elektrische Feldenergie und Kapazität
6.2.3 Berechnung des elektrischen Strömungsfeldes im Leitermaterial
6.2.4 EM-Simulation
6.2.4.1 Berechnung der Kapazität
6.2.4.2 Berechnung des Ohm'schen Widerstandes
7 Magnetische Induktion
7.1 Induktionsgesetz
7.2 Offene Leiterschleife neben einer Zweidrahtleitung
7.2.1 Berechnung der induzierten Spannung
7.2.2 EM-Simulation
7.2.2.1 Berechnung der magnetischen Feldstärke
7.2.2.2 Berechnung der induzierten Spannung
7.3 Wirbelströme in einem elektrisch leitfähigen Zylinder
7.3.1 Berechnung der induzierten Stromdichte
7.3.2 Umgesetzte Leistung und Erwärmung
7.3.3 EM-Simulation
7.3.3.1 Erzeugung eines homogenen magnetischen Feldes
7.3.3.2 Berechnung der Verteilung der Stromdichte
8 Skineffekt und Wellenausbreitung
8.1 Stromdichte im zylindrischen Leiter
8.1.1 Stromverdrängung (Skineffekt) und Ohm'scher Widerstand
8.1.2 EM-Simulation
8.2 Proximity-Effekt in parallelen Leitern
8.2.1 Zwei parallele Leiter
8.2.1.1 Gleichsinnige Stromflussrichtung
8.2.1.2 Gegensinnige Stromflussrichtung
8.2.2 Leiterbündel
8.2.2.1 Parallele Speisung der Leiter
8.2.2.2 Einzelspeisung der Leiter
8.3 Wellenausbreitung im freien Raum
8.3.1 Homogene ebene Wellen, Kugel- und Zylinderwellen
8.3.2 Wellenausbreitungsphänomene
8.3.2.1 Reflexion und Brechung
8.3.2.2 Beugung
8.3.2.3 Absorption
8.3.2.4 Streuung
8.3.3 Darstellung der Wellenausbreitung anhand von Simulationen
8.3.3.1 Homogene ebene Welle (HEW)
8.3.3.2 Kugelwelle
8.3.3.3 Hindernis im Wellenfeld
9 Anwendungsbeispiele für EM-Simulationen
9.1 Oberflächenspule für die Magnet-Resonanz-Tomographie
9.1.1 HF-Spulen in der Magnet-Resonanz-Tomographie
9.1.2 Güten von Spulen
9.1.3 Güten von Resonanzkreisen
9.1.4 EM-Simulationen zur Güteberechnung
9.1.4.1 Berechnung der Leerlauf-Güte der Spule
9.1.4.2 Berechnung der Last-Güte der Spule
9.1.4.3 Berechnung der Güte von Resonatoren
9.1.5 Zusammenfassung
9.2 Birdcage-Resonator für die Magnet-Resonanz-Tomographie
9.2.1 Grundlagen des Birdcage-Resonators
9.2.2 EM-Simulationen eines Birdcage-Resonators
9.2.2.1 FEM-Eigenmode-Analyse zur Berechnung der Schwingungsmoden
9.2.2.2 Anregung eines zirkular polarisierten Feldes (FEM)
9.2.2.3 Berechnung der spezifischen Absorptionsrate (FDTD)
9.2.3 Zusammenfassung
9.3 Parasitäre Kopplung durch Resonanzen in einem metallischen Gehäuse
9.3.1 Theorie des Hohlraumresonators
9.3.2 EM-Simulationen der parasitären Kopplung zwischen Schaltungsteilen
9.3.2.1 Schaltungen ohne Gehäuse im freien Raum
9.3.2.2 Schaltungen umgeben von einem metallischen Gehäuse
9.3.2.3 Schaltungen umgeben von einem metallischen Gehäuse mit Absorbermaterial
9.3.3 Zusammenfassung
9.4 Viertelwellen-Monopol
9.4.1 Antennen
9.4.1.1 Antennenkenngrößen
9.4.1.2 Fußpunktimpedanz und Anpassung
9.4.1.3 Lineare Antennen
9.4.1.4 Monopolantenne
9.4.2 EM-Co-Simulation einer Monopolantenne
9.4.2.1 Feldverteilung und Impedanzverlauf der Monopolantenne
9.4.2.2 Anpassschaltung
9.4.3 Zusammenfassung
9.5 Benutzereinfluss bei der Funkkommunikation
9.5.1 Elektromagnetische Felder im biologischen Gewebe
9.5.1.1 Biologische Wirkungen
9.5.1.2 Elektrische Eigenschaften von biologischem Gewebe
9.5.1.3 Personenschutz-Grenzwerte
9.5.2 EM-Simulation eines Dipols für 1800 MHz in der Nähe eines menschlichen Kopfes
9.5.2.1 Simulationsmodell
9.5.2.2 Feldverteilungen im Simulationsgebiet und normenkonforme Bewertung
9.5.3 Zusammenfassung
9.6 Gruppenantenne mit Patchelementen
9.6.1 Einzelne Patchantenne
9.6.1.1 Geometrie der Patchantenne
9.6.1.2 EM-Simulation
9.6.2 Gruppenantenne mit Beamforming
9.6.2.1 Phased-Array-Antennen
9.6.2.2 EM-Simulation
9.6.3 Zusammenfassung
A Anhang
A.1 Mathematische Grundlagen
A.1.1 Ableitungsregeln
A.1.2 Ableitungen elementarer Funktionen
A.1.3 Vektoralgebra
A.1.4 Zusammenhänge aus der Vektoranalysis
A.2 Koordinatensysteme
A.2.1 Kartesisches Koordinatensystem
A.2.2 Zylinderkoordinatensystem
A.2.3 Kugelkoordinatensystem
Formelzeichen und Abkürzungen
Literatur
Index

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