Emerging Technologies - Zukunftstechnologien

Modellierung komplexer elektromagnetischer Szenarien

Geländemodell mit Windenergieanlagen (schematische Darstellung, Windenergieanlagen sind überhöht dargestellt).
© Foto Fraunhofer FHR

Geländemodell mit Windenergieanlagen (schematische Darstellung, Windenergieanlagen sind überhöht dargestellt).

Von miniaturisierten Antennen bis hin zu großen Windparks - mit seinen speziellen Simulationsverfahren kann das Fraunhofer FHR die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in nahezu beliebigen Szenarien vorhersagen. Damit spielen computergestützte Simulationen eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung von Antennen und Radarsystemen.

Die Anforderungen an Software zur elektromagnetischen (EM) Modellierung werden immer größer, da bei vielen Anwendungen, z. B. bei Radar und in der Kommunikation, ein Trend zu höheren Frequenzen mit kleineren Wellenlängen erkennbar ist. Während früher überhaupt nur sehr vereinfachte und räumlich beschränkte Problemstellungen untersucht werden konnten, sind heute viele Verfahren in der aktuellen Entwicklungsstufe in der Lage, komplexe, annähernd realistische Szenarien zu modellieren. »Komplex« bezieht sich dabei z. B. auf die Geometrie, den Detaillierungsgrad oder die Größe des Modells oder auch den Umfang der durchzuführenden Simulationen.

Die am Fraunhofer FHR entwickelten Verfahren zur Modellierung elektromagnetischer Streufelder ermöglichen die effiziente und genaue Berechnung der Eigenschaften auch großer und komplexer Radarziele. Dabei kommen, je nach Aufgabenstellung, sowohl numerisch exakte als auch asymptotische Verfahren zum Einsatz. Die Leistungsfähigkeit dieser Verfahren orientiert sich am aktuellen Stand der Wissenschaft, so dass teilweise Fähigkeiten zur Verfügung stehen, die in kommerzieller EM-Software noch nicht implementiert ist. Diese Fähigkeiten der Simulationssoftware sind wiederum die Voraussetzung für die Modellierung der zu untersuchenden Szenarien.

So sind im Bereich der EM-Modellierung mit Ray Tracing viele effiziente Strahlsuch- und Optimierungsalgorithmen aus der Computergrafik implementiert, die wiederum mit Verfahren zur Berechnung elektromagnetischer Felder, beispielsweise der Physikalischen Optik (PO), kombiniert werden. Im Bereich der numerisch exakten Verfahren stehen Algorithmen zur optimierten Modellierung dielektrischer Materialien zur Verfügung, so dass auch Objekte aus beliebigen Materialkombinationen genau modelliert werden können.

Die Simulationstools sind anhand vieler Testrechnungen validiert und international anerkannt.Beispielsweise ist das Institut seit 2006 beim Workshop »Radar signatures« vertreten, der alle zwei Jahre in Toulouse stattfindet und wo mit einer Reihe von Benchmark-Simulationen die Leistungsfähigkeit und Genauigkeit von Simulationstools aus unterschiedlichen Ländern verglichen wird. Weiter liefert das Fraunhofer FHR wichtige Beiträge zur NATO-Arbeitsgruppe SET-200 »Electromagnetic scattering prediction of small complex aerial platforms for NCTI purposes« (Laufzeit: 2013-2016).

Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften werden die Simulationsprogramme des Fraunhofer FHR oft an der Grenze des technisch Machbaren eingesetzt. Beispielsweise erfordern die Modellierung dynamischer Komponenten (z. B. Triebwerkskomponenten) und der daraus resultierenden Effekte oder die Modellierung extrem großer Szenarien (z. B. Geländemodelle in der Größenordnung von mehreren Tausend Wellenlängen) einen enormen Rechenaufwand, der nur mit besonderen Optimierungsverfahren, z. B. Parallelisierung oder Nutzung von Grafikprozessoren (GPU), bewerkstelligt werden kann.

Ein ganz aktuelles Beispiel ist die Modellierung des Einflusses von Windenergieanlagen auf Radarsysteme, wo das Fraunhofer FHR seit einigen Jahren sowohl mit Simulationen als auch messtechnisch sehr aktiv ist. Bei der elektromagnetischen Simulation ist dabei sowohl ein Geländemodell als auch die Drehung der Rotorblätter zu berücksichtigen (Bild 1). Dass diese Thematik weltweit von großem Interesse ist, zeigt die seit Jahren wachsende Anzahl von Veröffentlichungen auf diesem Gebiet. Außerdem wird im Jahr 2016 bei der European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP) zum ersten Mal eine Session zum Thema »Electromagnetic Scattering of Wind Turbines and Effects on Radar Systems« angeboten, die vom Institut mitorganisiert wird.

Bild 2 zeigt ein Beispiel für ein weiteres komplexes Simulationsszenario berechnet mit einer Vollwellen-Simulation: Für einen vom Fraunhofer FHR entwickelten Millimeterwellensensor wird eine spezielle Linse aus Kunststoff benötigt, die das von einer Horn-Antenne abgestrahlte Feld in Form eines Gaußstrahl (engl. Gaussian Beam) auf einen Punkt fokussiert. Die Abbildung zeigt einen Querschnitt durch das elektrische Nahfeld, in dem links das von der Antenne gesendete und rechts das fokussierte Wellenfeld mit dem sog. »Waist« zu sehen ist. Man erkennt ebenfalls den Durchgang der Welle durch die Linse (in Form eines bikonvexen Rotationshyperboloids), in der die Wellenlänge aufgrund der dielektrischen Permittivität des Materials deutlich kleiner ist. Dies stellt bei der Größe der Linse mit einem Durchmesser von ca. 20 cm und einer Betriebsfrequenz von über 80 GHz eine große Herausforderung für elektromagnetische Lösungsverfahren dar.