2.4.2.2 Momentenmethode



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2.4.2.2 Momentenmethode

Die Lösung der Laplace-Gleichung bzw. der Leiterladungsverteilungen stellt ein reines Randwertproblem dar und kann daher mit Randintegralmethoden gelöst werden. Die Reduzierung von einer Volumsdiskretisierung zu einer Oberflächendiskretisierung ist der Hauptvorteil gegenüber finiten Differenz- und Variationsmethoden. Außerdem können Feldprobleme mit unendlich ausgedehntem Gebiet (homogenes Material vorausgesetzt) relativ einfach berechnet werden. Eine effiziente Implementierung der Randintegralmethode für Kapazitätsberechnungen wird in [Nab91] und [Sen92] detailliert dargestellt. Ein Simulator für Widerstandsberechnungen, der mit Randintegralmethoden arbeitet, wird in [Wan92] angegeben.

Das mathematische Gerüst baut auf der Systemantwort einer Punktquelle auf (vergleichbar mit einem Dirac Impuls im Zeitbereich). Die Lösung der Poisson-Gleichung

wobei im gesamten Raum gelten soll, ist für eine Punktladung , die durch , mit der Größe von an der Stelle (dem Quellpunkt) beschrieben wird, einfach die Greensche Funktion des unendlichen Raums

Durch die Linearität der Poisson-Gleichung gilt für einen Potentialwert an der Stelle bei gegebener Raumladungsverteilung

Da aber nur Flächenladungsdichten zu berücksichtigen sind, wird das Volumsintegral auf ein Flächenintegral reduziert (siehe auch Abbildung 2.2).

Die einfachste Methode, um aus einer bekannten Flächenladungsverteilung auf den Leitern den Potentialwert an der Stelle numerisch zu berechnen, ist die Point-Matching oder Collocations-Methode. Dazu diskretisiert man die Leiteroberflächen in finite Flächenstücke , ersetzt die variable Ladung jedes Elementes durch eine konstante gemittelte Ladung , die im Flächenschwerpunkt konzentriert angesetzt wird. Summiert man über alle Punktquellen, so berechnet man den Potentialwert im Punkt mit

 

Aus den n Punkten auf dem m Leitern können n Gleichungen zur Berechnung der Potentialverteilung gebildet werden.gif Da die Leiterpotentiale bekannt und die Leiterladungen unbekannt sind, muß zur Lösung der Integralgleichung (2.76) ein lineares, voll besetztes Gleichungssystem gelöst werden, wobei die Summe über die Ladungen eines Leiters die gesuchte Leiterladung ergibt.

Will man verschiedene Materialien mit unterschiedlichen in die Rechnung einschließen, so sind auch die Materialgrenzen zu diskretisieren [Ruc87][Elk92]. An den Materialgrenzen wird zusätzlich die Gültigkeit der Sprungbedingung

gefordert, wobei nun eine Auswertung der elektrischen Feldstärke notwendig ist.

Allgemein kann die Richtlinie aufgestellt werden, daß Integralmethoden nur dann ihre Geschwindigkeitsvorteile voll ausspielen können, wenn keine oder nur wenige zusätzliche Materialgrenzen zu berücksichtigen bzw. keine homogenen Neumann-Randbedingungen gefordert sind.



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Martin Stiftinger
Fri Nov 25 16:50:24 MET 1994