Hybride Simulation der Wechselwirkung elektromagnetischer Felder mit metallischen Strukturen mit vielfachen nichtlinearen Lasten

• Antragsteller: Professor Dr. Christian Schuster
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 357752756

Das hier vorgeschlagene Projekt soll einen wissenschaftlichen Beitrag an der Schnittstelle dreier verschiedener Forschungsgebiete machen: (1) der Physik elektromagnetischer Feldwechsel-wirkung mit nichtlinear belasteten (beschalteten), elektrisch großen Strukturen und Oberflächen, (2) neuer Ingenieursanwendungen solcher Strukturen und Oberflächen und (3) der effizienten und stabilen numerischen Modellierung und Simulation solcher Strukturen und Oberflächen. In der jüngsten Vergangenheit war die vielfache Beschaltung von metallischen Strukturen, d.h. die elektrische Verbindung von mehreren Hundert nichtlinearer Lasten über eine elektrisch große Fläche, von großem Interesse. Das entsprechende Gebiet ist herausfordernd und verheißungsvoll zugleich für die Grundlagenforschung. Beispiele und Anwendungen, die gegenwärtig untersucht oder vorhergesehen werden für diese Art von Strukturen und Oberflächen schließen unter anderen ein: energieselektive Schirmung, wellenformabhängige Absorption, Selbstfokussierung von Oberflächenwellen, HF-Begrenzer, Bildgebung mit Auflösung unterhalb der Wellenlänge, nichtlineares Radar und nichtlineares Schalten sowie Fensterung im Zeitbereich. Auf Grund dieses gesteigerten Interesses ist es sehr wahrscheinlich, dass es in der nahen Zukunft einen wachsenden Bedarf an effizienten und validierten numerischen Methoden geben wird, um nichtlinear beschaltete Strukturen und Oberflächen zu entwerfen und zu optimieren. Basierend auf Vorarbeiten in den Arbeitsgruppen von Prof. Schuster an der Technischen Universität Hamburg-Harburg (TUHH) und Prof. Grivet-Talocia am Politecnico di Torino (POLITO) wird vorgeschlagen, eine neuartige, hybride Simulationstechnik zu entwickeln, die diesem Bedarf entgegenkommt. Die Technik wird die auf Integralgleichungen fußende Momentenmethode (MoM) für die Charakterisierung des linearen Anteils des Problems (d.h. die metallischen Strukturen und Oberflächen) verwenden und für die Behandlung des gesamten Sytems einschließlich der nichtlinearen Lasten eine Kombination aus Model Order Reduction (MOR) und Waveform Relaxation (WR). Die Herausforderung an die Forschung liegt hierbei in der geeigneten Kombination und Abstimmung dieser wohlbekannten Methoden (MoM, MOR, WR), um den Anforderungen an Genauigkeit, Stabilität und Effizienz der numerischen Simulation von vielfach nichtlinear beschalteten (d.h. 1000 und mehr nichtlineare Lasten), elektrisch großer Strukturen und Oberflächen Genüge leisten zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen