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Numerische Feldberechnung

Leider lassen sich die meisten praktischen elektromagnatischen Probleme nicht alalytisch lösen. Hier kommen die numerischen Methoden ins Spiel. Zum Glück lässt sich beweisen, dass es egal ist, ob eine Lösung numerisch oder analytisch gefunden wird.

Es gibt 2 Gruppen von numerischen Verfahren zur numerischen Lösung von Elektrodynamik Problemen. Es gibt die Methoden in der Zeit Domäne und jene in der Fourier oder Frequenz Domäne. Beide haben Vor- und Nachteile, eine Kombination beider Methoden führt normalerweise zum besten Ergebnis. Die bekanntesten Methoden, welche mit der Frequenz Domäne arbeiten sind die Method of Moments (MoM), sowie die Methode der Finiten Elemente (FEM). 

Die MoM eignet sich im besonderen für Probleme, bei denen die zu erfüllenden Randbedingungen im Unendlichen liegen, wie zum Beispiel eine Antenne im Weltraum. Weniger geeignet ist die MoM für Probleme, bei denen dielektrische Strukturen zu berücksichtigen sind.

Die FEM eignet sich für die Berechnung von Problemen in abgeschlossenen Räumen, die zum Beispiel Hohlleiter oder Mikrowellen Herde. Die Methode kommt auch gut mit verschiedenen Materialien zurecht. Probleme kann es bei Abstrahlungs-Problemen geben, wo das Strahlende Objekt, z.B die Antenne in einem unendlich großen Raum ist, da ein unendlicher Raum nicht vollständig in Elemente aufgeteilt werden kann. Hier muss das Volumen künstlich eingegrenzt werden und mittels "near to far field converter" auf das Fernfeld geschlossen werden.

Die Finite Difference Time Domain (FDTD) Methode ist die klassische Methode der Zeit Domäne. Das Volumen, welches in der Berechnung berücksichtigt werden soll, wird in Zellen unterteilt, jeder Zelle werden die entsprechenden Materialkonstanten zugewiesen. Danach werden die Feldgleichungen direkt gelöst, wodurch die Felder in jeder Zelle zu einem Zeitpunkt bekannt werden. Diese Felder bilden die Grundlage für die nächste Berechnung, welche die Felder zu einem späteren Zeitpunkt berechnet. Vor- und Nachteile sind ähnlich wie bei der FEM.

Beide Methodengruppen existieren auch in der numerischen Fluid-Dynamik.

Nach und nach kommen Hybrid Solver ans Tageslicht, die verschiedene Methoden Kombinieren und so die Vorteile jeder Methode ausnützen. So ist es möglich, die FEM und MoM zu verbinden. Das Volumen innerhalb der interessanten Struktur wird mit der FEM gerechnet, die Randbedingungen mittels der MoM.

Wir besitzen die nötigen Mittel und die nötige Erfahrung um Berechnungen dieser Art durchführen zu können, daher bieten wir dieses Service an. Potentielle Kunden sind Firmen, die elektrotechnische Geräte oder Maschinen herstellen und diesen Bereich Kosten-effizient out-sourcen wollen um sich auf ihre Kernkompetenz zu konzentrieren. Da Berechnungen dieser Art sehr komplex sein können, ist ein ausführliches Gespräch über das System und die Zielsetzung notwendig, bevor der zeitliche oder finanzielle Aufwand geschätzt werden kann. Bitte kontaktieren sie uns, wenn Sie weitere Informationen wünschen.


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Publikationen


Erst-Autor

Oswald, T.H.,W. Macher, G.Fischer, and H. Rucker (2004), First results of stereo/waves antenna calibration, Technical Report of the Space Research Institute/Austrian Academy of Science, Nr. 160.

Oswald, T.H. (2005), Electromagnetic waves in space and the stereo/waves experiment, Master’s thesis, University of Graz.

Oswald, T.H., W. Macher, G. Fischer, H. Rucker, J. Bougeret, M. Kaiser, and K. Goetz (2005), Numerical analysis of the stereo waves antennas: first results, in Proc. Planetary radio emmission workshop VI, Graz, Austrian Academy of Sciences Press, Vienna.

Oswald, T.H., W. Macher, G.Fischer, and H. Rucker (2005), Results of stereo/waves antenna calibration, using a refined spacecraft model (design 1), Technical Report of the Space Research Institute/Austrian Academy of Science, Nr. 167.

Oswald, T.H., H. Rucker, W. Macher, G.Fischer, and U. Taubenschuss (2005), Direction finding, Technical Report of the Space Research Institute/Austrian Academy of Science, Nr. 168.

Oswald, T.H., W. Macher, G. Fischer, H. O. Rucker, U. Taubenschuss, J. L. Bougeret, M. L. Kaiser, K. Goetz (2005), STEREO/WAVES antennas calibration: Implications for radio source triangulationAGU Fall Meeting Abstracts. 12/2005.

Oswald, T.H., H. Rucker, W. Macher, G.Fischer, and U. Taubenschuss (2006), Aspekte des direction findings, Technical Report of the Space Research Institute/Austrian Academy of Science, Nr. 173.

Oswald, T.H., W. Macher, G. Fischer, H. O. Rucker, U. Taubenschuss, J. L. Bougeret, A. Lecacheux, M. L. Kaiser, K. Goetz (2006), Antenna calibration of the STEREO/WAVES antennas in the frequency range of the fixed frequency receiver, Solar Orbiter RPW workshop; 01/2006.

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Oswald, T.H., M. Sampl, H.O. Rucker, W. Macher, G. Fischer, M. Maksimovic (2011), Preliminary numerical studies of the Solar Orbiter RPW antennas, European Geosciences Union General Assembly 2011, Vienna, Austria; 04/2011


Co-Autor:

Bale, S., R. Ullrich, K. Goetz, B. Cecconi, M. Dekkali, W. Macher, R. E. Manning, T. H. Oswald, and M. Pulupa (2007), The electric antennas for the stereo/waves experiment, Space Science Reviews, 136, doi:10.1007/s11214-007-9251-x.

Bougeret, J.L., K. Goetz, M. L. Kaiser, S. D. Bale, P. J. Kellogg, M. Maksimovic, N. Monge, S. J. Monson, P. L. Astier, S. Davy, M. Dekkali, J. J. Hinze, R. E. Manning, E. Aguilar-Rodriguez, X. Bonnin, C. Briand, I. H. Cairns, C. A. Cattell, B. Cecconi, J. Eastwood, R. E. Ergun, J. Fainberg, S. Hoang, K. E. J. Huttunen, S. Krucker, A. Lecacheux, R. J. MacDowall, W. Macher, A. Mangeney, C. A. Meetre, X. Moussas, Q. N. Nguyen, T. H. Oswald, M. Pulupa, M. J. Reiner, P. A. Robinson, H. Rucker, C. Salem, O. Santolik, J. M. Silvis, R. Ullrich, P. Zarka, I. Zouganelis (2008), S/WAVES: The Radio and Plasma Wave Investigation on the STEREO Mission, Space Science Reviews 01/2008; 136(1):487-528. DOI: 10.1007/s11214-007-9298-8.

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Sampl, M.,  H.O. Rucker, T.H. Oswald, D. Plettemeier, M. Maksimovic, W. Macher (2011), Numerical simulations of the Solar Orbiter antenna system RPW-ANT, Planetary Radio Emissions VII, Edited by H.O. Rucker, W.S. Kurth, P. Louarn, G. Fischer, 12/2011: pages 487-494; Austrian Academy of Sciences Press., ISBN: 978-3-7001-7125-6.

Sampl, M., T.H. Oswald, H.O. Rucker, R Karlsson, D. Plettemeier, W. S. Kurth (2011), First results of the JUNO/Waves antenna investigations, Proc. Loughborough Antennas and Propagation Conf. (LAPC); 11/2011.

Sampl, M.,  T.H. Oswald, H.O. Rucker, G. Fischer, D. Plettemeier, W.S. Kurth, W. Macher (2011), First assessment of the JUNO/Waves antenna properties04/2011.

Sampl, M., T.H. Oswald, M. Kapper, D. Plettemeier, H.O. Rucker, W.S. Kurth (2012),  The true properties of the Waves antennas onboard the Juno S/C, European Geosciences Union General Assembly 2012, Vienna, Austria.

Sampl, M., T.H. Oswald, H.O. Rucker (2012),  State of the art and future developments in calibration of spaceborne electric field sensors, DPG-Frühjahrstagung 2012, Stuttgart, Germany.

Sampl, M., W. Macher, C. Gruber, T. Oswald, H.O. Rucker, M. Mogilevsky (2012),  Calibration of Electric Field Sensors Onboard the Resonance Satellite, IEEE Transactions on Antennas and Propagation 02/2012; 60:267 - 273.

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