FH-Aachen

Hochfrequenztechnik

Prof. Dr.-Ing. H. Heuermann

WS 2006 / 07

Referat Zum 3D Feldsimulator

XFDTD Remcom

Von

Stefan Holstein

INHALTSVERZEICHNIS: 1. HERSTELLER UND NIEDERLASSUNGEN ..................................................................................................... 3

2. RECHENMETHODE DES FELDSIMULATORS ............................................................................................... 4

3. LIZENZEN ............................................................................................................................................................... 4 PRO ................................................................................................................................................................. 4 BIO-PRO ......................................................................................................................................................... 4

4. ANALYSE UND MODELLIERUNG..................................................................................................................... 5 4.1. ANALYSIS MODULE FEATURES....................................................................................................................... 5 4.2. GEOMETRIC MODELER FEATURES ................................................................................................................. 5

5. SYSTEMVORAUSSETZUNGEN......................................................................................................................... 6

6. BEISPIEL: DIPOL ANTENNE.............................................................................................................................. 6

7. LITERATUR ............................................................................................................................................................ 9

1. Hersteller und Niederlassungen XFDTD wird von der amerikanischen Firma Remcom hergestellt, deren Hauptsitz in Amerika und deren Europäische Niederlassung in England liegt. Remcom (USA) - State College, PA 315 South Allen Street, Suite 222 State College, PA 16801 Remcom (USA) - St. Louis, MO 300 Chesterfield Center, Suite 260 Chesterfield, MO 63017 Remcom (Europe) Central Boulevard Blythe Valley Park Solihull West Midlands England, B90 8AG Internetpränenz: http://www.remcom.com

2. Rechenmethode des Feldsimulators XFDTD ist ein vollständiger 3D Feldsimulator, der auf der Basis feldtheoretischer Verfahren arbeitet. FDTD steht für Finite Difference Time Domain (Finite Differenzen im Zeitbereich) und wurde erstmals von Yee et al 1966 [2] vorgestellt. Bei dieser Methode wird der zu berechnende Feldraum in einzelne Voxel (dreidimensionales äquivalent zu Pixel) diskretisiert. Dabei können jedem Voxel entsprechende Materialeigenschaften zugeordnet werden, dazu steht in XFDTD eine umfangreiche Materialbibliothek zur Verfügung. Eine so genannte Yee-Zelle hat keine feste Größe. Als Faustformel gilt jedoch, dass die maximale Größe einer solchen Zelle 1/10 der kleinsten vorkommenden Wellenlänge sein sollte. Ein großer Vorteil der FDTD-Methode besteht darin, dass bereits eine große Anzahl anatomischer Körpermodelle zur Verfügung steht. [3] Diese anatomischen Modelle sind sehr hilfreich, um spezifische Absorbtionsraten SAR (Specific Absorption Rate) zu bestimmen.

3. Lizenzen Von XFDTD stehen drei Lizenzen zur Auswahl:

- SE - Pro - Bio Pro

Die unterschiedlichen Lizenzen beinhalten je zusätzliche Features. Dabei beinhaltet die Pro-Version alle Features der SE und die Bio-Pro-Version wiederum alle Features der Pro-Version. Pro

S-Parameters Port Impedance Anisotropic and Dispersive Materials Plane Wave Incidence and Scattering Multiple Voltage/Current Sources Series/Parallel RLC Loads

Bio-Pro

Biological Features Specific Absorption Rate (SAR) 1g, 10g SAR Averaging Whole Body SAR Averaging SAM Phantom CAD File

XFDTD ist aktuell in der Version 6.4 verfügbar.

4. Analyse und Modellierung Zur Analyse und Modellierung stehen in XFDTD diverse Features und Module zur Verfügung.

4.1. Analysis Module Features Materials Far Zone Results

Lossy Dielectric/Magnetic Frequency-Dependent Dielectric/Magnetic Anisotropic Magnetized Ferrite …

Transient Far Zone – Specific Angles Steady State Far Zone Patterns Circular Polarization Radar Cross Section

Sources/Loads/Ports Biological Calculations

Voltage/Current Sources with Series/Parallel RLC Passive/Active Ports Non-Linear Capacitors …

Specific Absorption Rate (SAR) * Calculate 1 and 10 gram SAR Averages per C95.3 *

Whole Body SAR Average *

4.2. Geometric Modeler Features Geometry Creation/Editing Visual Output

Dimension-Based 3D Solid Modeler Dimension-based 2D Planar Editor Copy-Move-Scale-Rotate …

Color Display of 2D Fields/Currents Color Display of 2D Steady State E, B

Fields Color Display of 3D Steady State Surface

Currents …

CAD Import/Export Graphical Output Import SAT/DXF/STL files Import/Export STEP files ** Import/Export IGES files ** …

Near Zone Fields/Currents vs. Time Impedance, S Parameters vs. Frequency Plot results from other XFDTD Projects …

Meshing/Viewing Patent-Pending Fast Meshing Algorithm

(FMA) Automatic/Manual Control of Mesh

Parameters Adaptive Mesh Fast 3D Mesh Viewing

* Nur in der Bio-Pro-Lizenz verfügbar ** Als optionales Modul in XFDTD verfügbar

5. Systemvoraussetzungen Prozessor: Unterstützung von Mehrprozessorsystemen

Clusterschaltung möglich Arbeitsspeicher: mindestens 1GB, empfohlen sind jedoch 2GB Grafikkarte: ab ATI Radeon 7500 oder NVidia GeForce 4

(Unterstützung von 2 GPU‘s und mehr) Auflösung: 1024x768 Festplattenkapazität: 300MB für eine Vollinstallation mit allen Beispieldateien Betriebssystem: Windows 2000/XP 32 bit

Red Hat Enterprise Linux 4 (32 bit und 64 bit)

6. Beispiel: Dipol Antenne Als Beispiel wird hier eine Referenzdipolantenne (Halbwellendipol) für eine SAR Messung nach IEEE1528 Standard, zunächst mit Hilfe eines CAD-Files importiert und anschließend bei einer Frequenz von 4GHz - 7GHz simuliert. Die modellierte Antenne ist in Abb. 1 dargestellt. In Abb. 2 und 3 sind das stationäre B-Feld und E-Feld der sich ausbreitenden Welle dargestellt. Anschließend ist ein Diagramm (Abb. 4) angegeben, in dem der Real- und Imaginärteil der Antennenimpedanz sowie der Reflexionsfaktor (RL) in dB über der Frequenz aufgetragen ist.

Abbildung 1: Import und Modellierung des Dipols

Abbildung 2: Stationäres B-Feld

Abbildung 3: Stationäres E-Feld

Abbildung 4: Return Loss

7. Literatur [1] http://www.remcom.com/xfdtd6/index.html [2] Yee KS (1966): „Numerical Solution of Initial Boundary Value Problems Involving Maxwell‘ s Equations in Isotropic Media”. IEEE Trans. Ant. & Prop., Vol. 14 [3] http://www.bmu.de/files/strahlenschutz/schriftenreihe_reaktorsicherheit_strahlenschutz/application/pdf/schriftenreihe_rs669.pdf