Budapest University of Technology and Economics, Faculty of Electrical Engineering and Informatics

    Belépés
    címtáras azonosítással
    vissza a tantárgylistához   nyomtatható verzió    

    Elektromágneses térszámítás az FDTD módszerrel mérnököknek

    A tantárgy angol neve: Electromagnetic Field Calculation with the FDTD Method for Engineers

    Adatlap utolsó módosítása: 2017. november 20.

    Tantárgy lejárati dátuma: 2023. július 31.

    Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
    Villamosmérnöki és Informatikai Kar
    Tantárgykód Szemeszter Követelmények Kredit Tantárgyfélév
    VIHVAV14   4/0/0/v 4  
    3. A tantárgyfelelős személy és tanszék Dr. Szabó Zsolt,
    4. A tantárgy előadója

    Dr. Szabó Zsolt, Habil

    Docens

    HVT, BME

    5. A tantárgy az alábbi témakörök ismeretére épít Fizika, Elektromágneses terek, C++ programozás
    6. Előtanulmányi rend
    Ajánlott:
    Előtanulmányi követelmény nincs.
    7. A tantárgy célkitűzése A mérnöki tevékenység ma már elképzelhetetlen a különböző tervező programok alkalmazása nélkül. Teljes termék prototípusok készíthetők és tesztelhetők számítógépes szimulációk segítségével. A kész termékek nagy megbízhatósággal gyárthatók a tervezést követő végső lépésben, amelyik teljesen automatizált, emberi beavatkozást legtöbbször egyáltalán nem, esetleg csak felügyeletet igényel. A tantárgy bevezetést nyújt az Időbeli véges Differenciák Módszerébe (Finite Difference Time Domain Method FDTD), ami a mai mérnöki térszámító programcsomagok leghatékonyabb elektromágneses szimulációs eljárása. Az FDTD módszer segítségével a mikrohullámú tartománytól az optikai frekvenciákig terveznek eszközöket, például antennákat, frekvenciaválasztó felületeket, többrétegű tükröket nagyintenzitású lézerek számára vagy akár egy egész jármű elektromágneses kompatibilitási problémái is vizsgálhatók. Tárgyaljuk a szükséges elektromágneses ismereteket és numerikus módszereket, amelyek szükségesek a programcsomagok megfelelő használatához. A tárgy hallgatói képesek lesznek saját FDTD algoritmusok programozására C++ és Matlab nyelven, valamint megismerik kommerciális programcsomagok (Lumerical és CST Microwave Studio) használatának alapjait.
    8. A tantárgy részletes tematikája

    1. Bevezetés: elektromágneses ismeretek, a Maxwell Egyenletek teljes rendszere, peremfeltételek és folytonossági feltételek. Az elektromágneses tér forrásai. A numerikus módszerek alapjai, numerikus deriválás és integrálás. C++ és Matlab programozási alapismeretek különös tekintettel a tömbök foglalására és mátrixokkal történő műveletekre. A Laplace egyenlet megoldása a véges differenciák módszerével.

    3. Egy, két és háromdimenziós hullámterjedési feladatok Yee algoritmusa veszteségmentes és veszteséges anyagok esetén.

    3. Az FDTD módszer numerikus diszperziója és stabilitása.

    4. Az elektromágneses tér forrásai az FDTD algoritmusokban. Sugárzó elektromos és mágneses dipólus, Hullámvezetők gerjesztése.

    5. A számolási tartomány lezárása elnyelő peremfeltételekkel. Analitikus elnyelő peremfeltételek. Tökéletesen illesztett elnyelő réteg (Perfectly Matched Layer PML) peremfeltétel.

    6. Síkhullám keltése a számolási tartományban a teljes tér – visszavert tér formalizmus segítségével. Elektromágneses hullámok szóródása részecskékről.

    7. Közel tér – távol tér transzformációk a számolási tartomány csökkentése céljából. Az ekvivalens felületek elmélete. Antennák sugárzási karakterisztikájának a meghatározása.

    8. Az elektromágneses anyagparaméterek frekvenciafüggése és ennek figyelembevétele az FDTD algoritmusokban. Nemlineáris anyagok szimulációja.

    9. Lokális hálózás és nemegyenletes hálók a geometria finomszerkezetének modellezésére. Forgásszimmetrikus elrendezések szimulációja. Periodikus szerkezetek szimulációja.

    10. Az FDTD módszer nem elektromágneses szimulációkban történő alkalmazása. A kvantummechanika Schrödinger egyenletének megoldása az FDTD módszerrel.

    11. Az FDTD algoritmus párhuzamosítása közös memóriájú és elosztott memóriájú architektúrákon.

    12. Kommerciális FDTD programcsomagok bemutatása (CST Microwave Studio és Lumerical).

    9. A tantárgy oktatásának módja (előadás, gyakorlat, laboratórium)

    Előadás és számítógépes gyakorlatok az előadások keretében.

    10. Követelmények

    a. A szorgalmi időszakban: szóbeli beszámoló az önállóan kidolgozandó feladathoz kapcsolódó irodalomról. Az aláírás feltétele a szóbeli beszámoló.

    b. A szorgalmi időszakban: az önállóan kidolgozandó feladat elkészítése.

    c. A vizsgaidőszakban: szóbeli vizsga.

    11. Pótlási lehetőségek

    A beszámoló a pótlási héten pótolható.

    12. Konzultációs lehetőségek A szorgalmi időszakban a tárgy oktatóinak heti fogadóóráján, a vizsgaidőszakban az oktatóval egyeztetett időpontban lehet konzultálni. A fogadóóra időpontja a tanszéki hirdetőtáblán vagy a tanszék honlapján megtalálható.
    13. Jegyzet, tankönyv, felhasználható irodalom

    Ajánlott irodalom:

    1. Taflove, A., Hagness, S., C., Computational Electrodynamics: the Finite Difference Time Domain Method, Artech House Publishers, 1995.

    2. Sullivan, D., Electromagnetic Simulation Using the FDTD Method, Wiley, 2000.

    3. Szabó, Zs., PFDTD, https://sourceforge.net/projects/pfdtd

    14. A tantárgy elvégzéséhez átlagosan szükséges tanulmányi munka
    Kontakt óra56
    Félévközi készülés órákra14
    Felkészülés zárthelyire
    Házi feladat elkészítése15
    Kijelölt írásos tananyag elsajátítása 
    Vizsgafelkészülés35
    Összesen120
    15. A tantárgy tematikáját kidolgozta

    Dr., Habil. Szabó Zsolt

    Docens

    HVT, BME