WA Details

Dr.-Ing. Wolfgang Ackermann

Wolfgang_Ackermann

Hochfrequenztechnik

Schloßgartenstr. 8
64289 Darmstadt

Raum: S2|17 142

+49 6151 16-24021
+49 6151 16-24027


Arbeitsgebiet(e)

  • Hochfrequenztechnik
  • Analytische und numerische Rechenmethoden
  • Hochleistungsrechnen
  • Strahldynamiksimulationen

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Arbeitsgruppe

Übersicht

In der Arbeitsgruppe „Hochfrequenztechnik“ des Instituts für Theorie Elektromagnetischer Felder werden klassische Aufgabenstellungen der Elektrotechnik aus dem weiten Umfeld der Berechnung hochfrequenter elektromagnetischer Felder mit modernen numerischen und analytischen Verfahren auf aktuellen Hochleistungsrechnern bearbeitet. Die beobachtbare Verschiebung der Anwendungsfelder zu immer höheren Frequenzen erfordert zusammen mit den ebenfalls stetig steigenden Erwartungen an die Modellierungsgenauigkeit eine permanente Weiterentwicklung der eingesetzten Rechenprogramme, um den veränderten Anforderungen aus der Rechenpraxis wirksam gerecht zu werden.

Schwerpunkte

Numerische Berechnung hochfrequenter elektromagnetischer Felder im Zeit- und Frequenzbereich mit Hilfe von volumendiskretisierenden Verfahren wie der Finiten-Integrations-Theorie, der Finiten-Elemente und Finiten-Volumen-Methoden sowie durch oberflächendiskretisierende Verfahren wie den Randelementemethoden. Besonderes Augenmerk wird auf praktische Aufgabenstellungen mit komplexen geometrischen Strukturen und Materialverteilungen gelegt, für die präzise und robuste Lösungen gesucht werden.

  • Effizientes Aufstellen und Lösen von (nichtlinearen) Eigenwertaufgaben für Wellenleiter (2-D) oder Resonatoren (3-D) sowie Kombinationen davon, wie sie beispielsweise für die Beschreibung von Resonatoren mit expliziter Wellenleiteranbindungen von Nutzen sind. Neben den charakteristischen Eigenwerten, welche wichtige physikalische Größen wie die Abschneidefrequenzen, die Ausbreitungskonstanten oder die Resonanzfrequenzen widerspiegeln, sind auch die entsprechenden Eigenvektoren zur Darstellung der gesuchten Eigenlösungen von fundamentaler Bedeutung.
  • Bestimmung der Eigenfrequenzverteilung regulärer und chaotischer Resonatoren unter der notwendigen Berücksichtigung vieler Eigenfrequenzen (>1000), die indirekt mit Hilfe von Signalverarbeitungsverfahren aus schnellen Zeitbereichsberechnungen (GPU) oder direkt über große (generalisierte) Eigenwertformulierungen berechnet werden.
  • Entwicklung von schnellen Verfahren zur Strahldynamiksimulation durch effizientes Lösen der zeitabhängigen Vlasov-Gleichung. Um eine aufwendige Diskretisierung des betrachteten sechsdimensionalen Phasenraums zu umgehen, wird direkt die zeitliche Entwicklung statistischer Momente der zugrunde liegenden Teilchendichteverteilung verwendet, ohne die Dichteverteilung explizit bestimmen zu müssen. Als Zielgrößen für die angestrebte Strahldynamiksimulation werden vorteilhaft die Anfangsmomente niedrigster Ordnung sowie die zentrierten Momente zweiter Ordnung eingesetzt. Mit der Verwendung weiterer zentrierter Momente höherer Ordnung lassen sich die Approximationseigenschaften sukzessive verbessern.
  • Modellierung von Resonatoren für Kreisbeschleuniger (Synchrotron), die zur kontinuierlichen Anpassung der Resonanzfrequenz an die Umlauffrequenz der zirkulierenden Teilchenpakete bewusst mit nichtlinearen magnetischen Werkstoffen gefüllt sind und sich dadurch bei einstellbarer magnetischer Vorspannung in einem weiten Bereich frequenzvariabel betreiben lassen.
  • Entwicklung von neuen Resonatoren für Linearbeschleuniger mit dem Schwerpunkt der effizienten Ein- und Auskopplung von externen oder strahlangeregten elektromagnetischen Feldern, um die hohen Anforderungen an die Feldqualität erfüllen und gleichzeitig die Extraktion unerwünschter Moden zuverlässig sicherstellen zu können.
  • Anwendung und Weiterentwicklung von parametrischen Modellordnungsreduktionsverfahren zur schnellen Auswertung von Übertragungsfunktionen, die auf Basis der Maxwellschen Gleichungen auf der Systemebene formuliert werden. Die großen Originalsysteme werden dabei gezielt so verkleinert, dass die ursprünglich vorhandene Parameterabhängigkeit im reduzierten Modell erhalten bleibt. Von besonderem Interesse ist neben der Frequenz eine angemessene Berücksichtigung der verwendeten Materialien, wobei explizit auch geometrische Parameter in den Auswerteprozess eingebunden sind.
  • Simulation der Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen in abstimmbaren anisotropen Materialien, die sich beispielsweise in klassischen Wellenleiteranordnungen mit Flüssigkristallfüllungen realisieren lassen. In einem ersten Schritt ist die Berechnung der statischen oder dynamischen Ausrichtung der anisotropen Flüssigkristallmoleküle unter dem Einfluss von externen Steuerfeldern notwendig. Bei bekannter Orientierung kann in einer nachgeschalteten Simulation das eigentliche Hochfrequenzverhalten der Anordnungen bestimmt werden.
  • Bestimmung einer großen Anzahl von Eigenwerten aus dem niederfrequenten Teil des reellen Spektrums von großen symmetrischen (generalisierten) Eigenwertformulierungen. Aufgrund der hohen Anforderungen an die benötigte Rechenleistung und Speicherkapazität werden effiziente Algorithmen auf parallelen Hochleistungsrechnern entwickelt und zur Lösung praktischer Aufgabenstellungen eingesetzt.
  • Bereitstellung von praktischen Aufgabenstellungen der Mikrosystemtechnik auf der abstrakten Systemebene, die für eine nachgeschaltete mathematische Modellordnungsreduktion weiter verarbeitet wird. Hierbei lassen sich bereits bei der Modellierung aufgrund bekannter physikalischer Zusammenhänge überflüssige Freiheitsgrade geschickt eliminieren, um den mathematisch motivierten Reduktionsansatz sinnvoll unterstützen zu können.
  • Entwicklung von Modellordnungsreduktionsverfahren zur Extraktion physikalisch interpretierbarer Ersatzschaltbilder aus dreidimensionalen passiven Leiteranordnungen. Da für viele praktische Anwendungen der Wellencharakter in den Hintergrund tritt, wird zugunsten der numerischen Robustheit anstelle der umfassenden Modellierung durch die Maxwellschen Gleichungen häufig auf die einfachere Darwin-Formulierung zurückgegriffen.

Aktuelle Arbeiten

Wissenschaftliche Mitarbeiter/innen – Forschungsgruppe Hochfrequenztechnik

Externe Doktoranden/Postdocs – Forschungsgruppe Hochfrequenztechnik