Verfügbarkeit: Angewandte Feldtheorie

Angewandte Feldtheorie: eine praxisnahe Einführung in die Theorie elektromagnetischer Felder

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Bibliographische Detailangaben
1. Verfasser:	Gustrau, Frank 1967- (VerfasserIn)
Format:	Buch
Sprache:	German
Veröffentlicht:	München Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag [2018]
Schlagworte:	Elektromagnetisches Feld Feldtheorie Hochfrequenztechnik ELEK2018 elektromagnetische Felder elektromagnetische Verträglichkeit Feldsimulation Finite Elemente Momentenmethode Lehrbuch
Online-Zugang:	Inhaltsverzeichnis
Beschreibung:	280 Seiten Illustrationen, Diagramme 24 cm
ISBN:	9783446456716 3446456716

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adam_text	KL EINLEITUNG......................................... 13 1.1 NETZWERK- UND FELDTHEORIE.................................................................................... 13 1.2 ANWENDUNGSBEREICHE DER FELDSIMULATION............................................................ 16 1.3 AUFBAU DER NACHFOLGENDEN KAPITEL....................................................................... 17 0 ELEKTROMAGNETISCHE FELDTHEORIE.................................................... 19 2.1 PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN...................................................................................... 19 2.1.1 ELEKTROSTATISCHE FELDGROESSEN ........................................................................ 19 2.1.1.1 LADUNG UND COULOMB-KRAFT........................................................... 19 2.1.1.2 ELEKTRISCHE FELDSTAERKE .................................................................... 20 2.1.1.3 SPANNUNG UND ELEKTRISCHES POTENTIAL............................................ 22 2.1.1.4 POLARISATION UND RELATIVE DIELEKTRIZITAETSZAHL................................. 26 2.1.1.5 VERHALTEN BEI WECHSELSTROM........................................................... 28 2.1.1.6 DIELEKTRISCHE VERSCHIEBUNGSDICHTE . ............................................... 28 2.1.1.7 ELEKTRISCHE FELDENERGIE UND KAPAZITAET .......................................... 29 2.1.2 STATIONAERE ELEKTRISCHE STROEMUNGSFELDER UND MAGNETISCHE FELDER ............ 30 2.1.2.1 STROMDICHTE, LEISTUNGSDICHTE UND WIDERSTAND............................. 30 2.1.2.2 MAGNETISCHE FELDSTAERKE UND MAGNETISCHE FLUSSDICHTE ................ 32 2.1.2.3 MAGNETISCHE FELDENERGIE UND INDUKTIVITAET ................................... 33 2.1.2.4 LORENTZ-KRAFT.................................................................................. 34 2.1.3 VEKTORANALYTISCHE OPERATOREN.................................................................... 34 2.1.3.1 DIVERGENZ....................................................................................... 34 2.1.3.2 ROTATION.......................................................................................... 35 2.1.3.3 QUELLEN- UND WIRBELFELDER ............................................................. 35 2.1.3.4 LAPLACE-OPERATOR........................................................................... 36 2.2 MAXWELLSCHE GLEICHUNGEN .................................................................................... 39 2.2.1 DIFFERENTIALFORM FUER ALLGEMEINE ZEITABHAENGIGKEIT..................................... 39 2.2.2 DIFFERENTIALFORM FUER HARMONISCHE ZEITABHAENGIGKEIT .................................. 40 2.2.3 INTEGRALFORM................................................................................................. 41 2.2.4 MATERIALGLEICHUNGEN................................................................................... 43 2.2.5 VERHALTEN AN MATERIALGRENZEN ....... . ........................................................... 45 2.2.6 LADUNGSERHALTUNG ...................................................................................... 47 2.3 EINTEILUNG ELEKTROMAGNETISCHER FELDPROBLEME .................................................... 48 2.4 STATISCHE FELDER....................................................................................................... 49 2.4.1 ELEKTROSTATISCHE FELDER................................................................................. 49 2.4.1.1 POISSON-GLEICHUNG.......................................................................... 50 2.4.1.2 GREEN SCHE FUNKTION....................................................................... 51 2.4.2 MAGNETOSTATISCHE FELDER.............................................................................. 52 2.4.2.1 MAGNETISCHES VEKTORPOTENTIAL.............................. 52 2.4.2.2 BIOT-SAVARTSCHES GESETZ ................................................................ 54 2.4.3 STATISCHES STROEMUNGSFELD............................................................................. 57 2.5 QUASISTATISCHE FELDER............................................................................................. 58 2.6 STROMVERDRAENGUNG (SKINEFFEKT).............................................................................. 61 2.6.1 EINDRINGTIEFE................................................................................................. 62 2.6.2 AEQUIVALENTE LEITSCHICHTDICKE...................................................................... 64 2.7 ELEKTROMAGNETISCHE WELLEN.................................................................................... 66 2.7.1 WELLENGLEICHUNG.......................................................................................... 66 2.7.2 HOMOGENE EBENE WELLEN............................................................................. 66 2.7.3 POLARISATIONSRICHTUNG.................................................................................. 71 2.7.3.1 LINEARE POLARISATION ....................................................................... 72 2.7.3.2 ZIRKULARE POLARISATION...................................................................... 72 2.7.3.3 ELLIPTISCHE POLARISATION................................................................... 73 2.7.4 REFLEXION UND BRECHUNG AN EBENEN GRENZFLAECHEN ..................................... 74 2.7.4.1 SENKRECHTER EINFALL.......................................................................... 74 2.7.4.2 SCHRAEGER EINFALL ............................................................................... 76 2.7.5 KUGELWELLEN.................................................................................................. 81 2.7.6 WELLEN IN VERLUSTBEHAFTETEN MEDIEN .......................................................... 82 2.6 ENERGIEERHALTUNG................................................................................................... 86 2.9 ELEKTROMAGNETISCHE POTENTIALE.............................................................................. 88 2.9.1 POTENTIALE UND FELDGROESSEN.......................................................................... 86 2.9.2 LORENZ-EICHUNG UND WELLENGLEICHUNGEN ........................................... 89 2.9.3 HARMONISCHE ZEITABHAENGIGKEIT UND GREENSCHE FUNKTION......................... 90 2.10 LEISTUNGSUMSATZ UND TEMPERATURFELDER............................................................... 92 Q NUMERISCHE FELDBERECHNUNG.......................................................... 95 3.1 UEBERBLICK................................................................................................................ 95 3.2 METHODE DER FINITEN DIFFERENZEN IM ZEITBEREICH (FDTD).................................... 97 3.2.1 MAXWELLSCHE GLEICHUNGEN.......................................................................... 97 3.2.2 DISKRETISIERUNG DES PROBLEMS...................................................................... 96 3.2.3 STABILITAET UND DISPERSION ............................................................................ 103 3.2.4 RANDBEDINGUNGEN....................................................................................... 104 3.2.5 TORE UND NETZWERKGROESSEN........................................................................... 104 3.2.6 ZEITSIGNALE.................................................................................................... 105 3.3 METHODE DER FINITEN ELEMENTE (FEM)................................................................... 107 3.3.1 VARIATIONSRECHNUNG..................................................................................... 107 3.3.2 FINITE ELEMENTE........................................................................................... 108 3.3.3 FORMFUNKTIONEN........................................................................ 108 3.3.4 ELEMENTMATRIX............................................................................................. 110 3.3.5 GESAMTMATRIX.............................................................................................. 111 3.3.6 LOESUNG DES LINEAREN GLEICHUNGSSYSTEMS.................................................... 112 3.4 MOMENTENMETHODE (MOM)................................................................................... 113 3.4.1 GRUNDIDEE DES VERFAHRENS........................................................................... 113 3.4.2 LINIENFOERMIGE LEITER................................................................................... 114 3.4.3 GESCHICHTETE STRUKTUREN.............................................................................. 116 3.5 WEITERE VERFAHREN................................................................................................... 118 3.6 SIMULATIONSSOFTWARE.............................................................................................. 118 3.6.1 AUFBAU UND WORKFLOW.................................................................................. 119 3.6.1.1 PRAE-PROZESSOR.................................................................................. 119 3.6.1.2 PROBLEMLOSER (SOLVER)...................................................................... 120 3.6.1.3 POST-PROZESSOR ................................................................................ 121 3.6.1.4 PARAMETERVARIATION UND OPTIMIERUNG .......................................... 122 3.6.2 AUFBAU DER GEOMETRIE ........................................................... 122 3.6.2.1 INTERAKTIVE GEOMETRIEEINGABE ................................................ 122 3.6.2.2 IMPORT VON CAD-DATEN ................................................................. 124 3.6.2.3 OVERMODELING VERMEIDEN ............................................... 124 3.6.3 ANREGUNGEN UND TORE.................................................................................. 124 3.6.3.1 KONZENTRIERTE TORE.......................................................................... 125 3.6.3.2 WELLENLEITERTORE.............................................................................. 125 3.6.3.3 FELDANREGUNGEN.............................................................................. 126 3.6.3.4 ANREGUNGSSIGNALE........................................................................... 126 3.6.4 RANDBEDINGUNGEN....................................................................................... 127 3.6.5 DISKRETISIERUNG ............................................................................................ 129 3.6.6 RESOURCEBEDARF........................................................................................... 132 3.6.7 AUSWAHL DER NUMERISCHEN METHODE ..................... 134 3.6.7.1 MOMENTENMETHODE....................................................................... 134 3.6.7.2 FINITE-ELEMENTE-METHODE ................................ 135 3.6.7.3 METHODE DER FINITEN DIFFERENZEN IM ZEITBEREICH .......................... 135 3.6.8 NACH DER SIMULATION................................................................................... 136 3.7 ZUSAMMENFASSUNG................................................................................................. 137 Q STATISCHE MAGNETISCHE F ELD ER........................................................138 4.1 LANGGESTRECKTER LINIENLEITER.................................................................................. 138 4.1.1 BERECHNUNG MIT DEM DURCHFLUTUNGSGESETZ................................................ 139 4.1.2 FELDSIMULATION............................................................................................. 140 4.2 ZWEIDRAHTLEITUNG.................................................................................................... 143 4.2.1 ANWENDUNG DES SUPERPOSITIONSPRINZIPS .................................................... 144 4.2.2 FELDSIMULATION............................................................................................. 146 4.3 RINGSPULE ..................................................................... 149 4.3.1 BERECHNUNG MIT DEM BIOT-SAVARFSEHEN GESETZ ......................................... 149 4.3.2 FELDSIMULATION............................................................................................. 152 4.3.3 HELMHOLTZSPULE............................................................................................ 154 4.4 KOAXIALE ANORDNUNG................................................................................................ 158 4.4.1 BERECHNUNG MIT DEM DURCHFLUTUNGSGESETZ................................................ 158 4.4.2 RUECKRECHNUNG AUF DIE URSACHEN DES MAGNETISCHEN FELDES ...................... 164 4.4.2.1 BERECHNUNG DER QUELLENDICHTE ..................................................... 164 4.4.2.2 BERECHNUNG DER WIRBELDICHTE ........................................................ 164 4.4.3 BERECHNUNG DER INDUKTIVITAET....................................................................... 166 4.4.4 FELDSIMULATION............................................................................................. 168 4.5 LANGGESTRECKTE ZYLINDERSPULE................................................................................. 171 4.5.1 MAGNETISCHES FELD UND INDUKTIVITAET........................................................... 171 4.5.2 FELDSIMULATION............................................................................................. 173 0 STATISCHE ELEKTRISCHE FELDER............................................................177 5.1 PLATTENKONDENSATOR................................................................................................ 177 5.1.1 ELEKTRISCHES FELD UND SPANNUNG .............................................................. 178 5.1.2 KAPAZITAET ALS SYSTEMGROESSE........................................................................... 179 5.1.3 ELEKTRISCHE FELDENERGIE UND KAPAZITAET....................................................... 180 5.1.4 BERECHNUNG DES ELEKTRISCHEN STROEMUNGSFELDES ......................................... 180 5.1.5 FELDSIMULATION MIT DER FDTD-METHODE ..................................................... 181 5.1.5.1 BERECHNUNG DER FELDSTAERKE UND DER KAPAZITAET .............................. 183 5.1.5.2 BERECHNUNG DES STROEMUNGSFELDES UND DES WIDERSTANDES ............ 185 5.1.5.3 BLICK UEBER DEN TELLERRAND............................................................... 187 5.1.6 FELDSIMULATION MIT DER MOMENTENMETHODE .............................................. 189 5.1.7 FELDSIMULATION MIT DER FINITE-ELEMENTE-METHODE.................................... 190 5.2 KOAXIALE ANORDNUNG................................................................................................ 192 5.2.1 ELEKTRISCHES FELD UND SPANNUNG ................................................................ 193 5.2.2 ELEKTRISCHE FELDENERGIE UND KAPAZITAET....................................................... 195 5.2.3 BERECHNUNG DES ELEKTRISCHEN STROEMUNGSFELDES IM LEITERMATERIAL ............ 196 5.2.4 FELDSIMULATION............................................................................................ 196 5.2.4.1 BERECHNUNG DER KAPAZITAET ............................................................. 197 5.2.4.2 BERECHNUNG DES OHM*SCHEN WIDERSTANDES.................................... 200 Q MAGNETISCHE INDUKTION....................................................................201 6.1 INDUKTIONSGESETZ.................................................................................................... 201 6.2 OFFENE LEITERSCHLEIFE NEBEN EINER ZWEIDRAHTLEITUNG ........................... 202 6.2.1 BERECHNUNG DER INDUZIERTEN SPANNUNG ..................................................... 203 6.2.2 FELDSIMULATION............................................................................................. 204 6.2.2.1 BERECHNUNG DER MAGNETISCHEN FELDSTAERKE.................................... 204 6.2.2.2 BERECHNUNG DER INDUZIERTEN SPANNUNG ......................................... 204 6.3 WIRBELSTROEME IN EINEM ELEKTRISCH LEITFAEHIGEN ZYLINDER........................................ 207 6.3.1 BERECHNUNG DER INDUZIERTEN STROMDICHTE................................................... 207 6.3.2 UMGESETZTE LEISTUNG UND ERWAERMUNG....................................................... 208 6.3.3 SIMULATIONSMODELL...................................................................................... 210 6.3.3.1 ERZEUGUNG EINES HOMOGENEN MAGNETISCHEN FELDES..................... 210 6.3.3.2 BERECHNUNG DER VERTEILUNG DER STROMDICHTE ................................. 213 0 SKINEFFEKT UND WELLENAUSBREITUNG ................................................ 215 7.1 STROMDICHTE IM ZYLINDRISCHEN LEITER .................................................................... 215 7.1.1 STROMVERDRAENGUNG (SKINEFFEKT) UND OHMSCHER WIDERSTAND..................... 215 7.1.2 FELDSIMULATION............................................................................................. 217 7.2 WELLENAUSBREITUNG................................................................................................. 219 7.2.1 HOMOGENE EBENE WELLEN, KUGEL- UND ZYLINDERWELLEN................................ 219 7.2.2 WELLENAUSBREITUNGSPHAENOMENE ................................................................. 221 7.2.2.1 REFLEXION UND BRECHUNG ................................................................. 221 7.2.2.2 BEUGUNG.......................................................................................... 222 7.2.2.3 ABSORPTION...................................................................................... 222 7.2.2.4 STREUUNG.......................................................................................... 222 7.2.3 FELDSIMULATION............................................................................................. 224 7.2.3.1 HOMOGENE EBENE WELLE (HEW) ..................................................... 224 7.2.3.2 KUGELWELLE....................................................................................... 225 7.2.3.3 HINDERNIS IM WELLENFELD.......................................... 226 0 ANWENDUNGEN................................................................................. 229 8.1 GEHAEUSERESONANZEN.............................................................................................. 229 8.1.1 HOHLRAUMRESONATOR.................................................................................... 229 8.1.2 VERKOPPLUNG ZWISCHEN SCHALTUNGSTEILEN IN EINEM METALLISCHEN GEHAEUSE 231 8.1.2.1 SCHALTUNGEN OHNE GEHAEUSE IM FREIEN RAUM ................................. 232 8.1.2.2 SCHALTUNGEN UMGEBEN VON EINEM METALLISCHEN GEHAEUSE ........... 233 8.1.2.3 SCHALTUNGEN UMGEBEN VON EINEM METALLISCHEN GEHAEUSE MIT AB- SORBERMATERIAL................................................................................. 236 8.2 VIERTELWELLEN-MONOPOL.......................................................................................... 237 8.2.1 A NTENNEN..................................................................................................... 238 8.2.1.1 ANTENNENKENNGROESSEN .................................................................... 238 8.2.1.2 FUSSPUNKTIMPEDANZ UND ANPASSUNG ....................... 240 8.2.1.3 LINEARE ANTENNEN........................................................................... 241 8.2.1.4 MONOPOLANTENNE............................................................................. 243 6.2.2 BERECHNUNG UND ANPASSUNG EINER MONOPOLANTENNE................................ 244 8.2.2.1 FELDVERTEILUNG UND IMPEDANZVERLAUF DER MONOPOLANTENNE ........ 244 5.2.2.2 ANPASSSCHALTUNG............................................................................. 247 6.3 GRUPPENANTENNE MIT PATCHELEMENTEN.................................................................. 249 8.3.1 EINZELNE PATCHANTENNE ............................................................................... 249 8.3.2 GRUPPENANTENNE MIT BEAMFORMING........................................................... 252 Q ANHANG.............................................................................................. 257 A.1 MATHEMATISCHE GRUNDLAGEN................................................................................. 257 A.1.1 ABLEITUNGSREGELN ......................................................................................... 257 A.1.2 ABLEITUNGEN ELEMENTARER FUNKTIONEN........................................................ 256 A.1.3 VEKTORALGEBRA................................................................................................ 259 A.1.4 ZUSAMMENHAENGE AUS DER VEKTORANALYSIS................................................... 261 A.2 KOORDINATENSYSTEME ............................................. 262 A.2.1 KARTESISCHES KOORDINATENSYSTEM ................................................................ 263 A.2.2 ZYLINDERKOORDINATENSYSTEM ........................................................................ 264 A.2.3 KUGELKOORDINATENSYSTEM ............................................................................ 265 FORMELZEICHEN UND ABKUERZUNGEN.........................................................267 LITERATUR....................................................................................................271 INDEX .275
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